基于生命周期评价法的挡土墙环境影响分析*

李丽华 张怡心 屠娴哲 梅利芳# 宋 杨

(1.湖北工业大学土木建筑与环境学院,湖北省生态道路工程技术研究中心,湖北 武汉 430068;2.河北省岩土工程安全与变形控制重点实验室(河北水利电力学院),河北 沧州 061000)

建筑业作为温室气体排放的主要来源,贡献了全球1/3温室气体排放,且其能源消耗占全球的30%～40%[1];而挡土墙作为建筑领域常见构造物,合理优化与控制其生命周期内能源消耗及污染物排放,对发展低碳经济、控制全球变暖具有深远意义[2]。我国虽然在生命周期评价(LCA)方面研究起步较晚,但是国家对于资源环境及可持续性发展等环境问题越来越重视。国务院在“中国制造2025”中提出“加强产品全生命周期绿色管理”,建立“绿色制造标准体系”及“绿色设计与评价得到广泛应用”[3-4]。因此,基于LCA研究挡土墙的环境影响,针对性控制其能源消耗,并减少其温室气体排放尤为重要。

近年来,国外许多学者已对挡土墙进行LCA,并分析其对环境的影响。PONS等[5]411、ZASTROW等[6]1038分析不同类型挡土墙对环境的影响,结果表明石笼墙与砖石墙对环境的影响更小。FRISCHKNECHT等[7]对比分析重力式挡土墙与土工格栅加筋土挡墙环境影响,结果表明土工格栅加筋土挡墙具有明显环境优势。DAMIANS等[8]、DJADOUNI等[9]对比分析了不同挡土墙的能源消耗、温室气体排放及环境影响。

我国关于挡土墙的相关研究,主要针对其力学特性。李丽华等[10-11]对基于数值建模及大型室内试验,研究挡土墙力学性能。LCA相关研究开展较晚,在土木工程领域的应用主要集中在路桥及房建领域。李肖燕[12]对比分析了水泥路面与沥青路面的能耗及污染物排放。刘淑芬[13]分析与总结了高速铁路和高速公路基础建设阶段能源消耗及环境排放特征。郑晓云等[14]构建装配式建筑LCA模型,并计算某装配式建筑碳排放总量。秦骜等[15]计算某地铁站全生命周期碳排放总量,并分析其碳排放特征及规律。

目前,国外已有对挡土墙LCA的研究,而国内土木工程领域的LCA主要集中于路桥与房建领域,对挡土墙LCA研究较少,适用于我国挡土墙LCA体系仍有待完善。而LCA存在极强的地域局限性,这导致国外的研究成果不能完全适用我国。基于LCA方法,选取3种常见挡土墙类型,分别为重力式挡土墙、悬臂式挡土墙及加筋土挡墙,对比分析其生命周期全过程能源消耗及温室气体排放,并分析墙高对挡土墙的环境影响,确定不同挡土墙对环境影响的最佳墙高,从而为绿色建筑发展提供理论支持。

1 研究方法与数据来源

本研究采用中国科学院生态环境研究中心AGP模型,背景数据来自中国生命周期数据库(CLCD)和Ecoinvent-Public 2.2.0。挡土墙全生命周期过程消耗大量建筑材料及不可再生资源,同时排放大量温室气体、粉尘和建筑垃圾,对能源消耗、温室效应和水体污染等环境问题产生一定的影响,针对以上环境问题选取8种环境影响类别作为特征化指标对挡土墙环境影响进行分析评价,特征化指标如下:中国资源消耗潜值(CADP)用于表示不可再生能源消耗情况;全球变暖潜能(GWP)用于表示温室效应对全球变暖的贡献;酸化潜能(AP)用于表示酸性气体对酸化的贡献;富营养化潜能(EP)用于表示氮磷等营养物质对富营养化的贡献;可吸入无机物(RI)用于表示可吸入无机物造成的人体损害;固体废物量(WS)用于表示产生的固体废物量;淡水消耗量(WU)和化学需氧量(COD)分别用于表示用水量及对水体的污染情况。上述环境影响类型包括了中国面临的大部分环境热点问题。

1.1 目标与范围的定义

挡土墙的生命周期主要分为5个阶段,分别为原材料生产阶段、运输阶段、施工阶段、维护阶段和拆除回收阶段。

挡土墙稳定性主要包括抗倾覆稳定性、抗滑移稳定性和地基承载力稳定性,部分学者引入可靠度分析挡土墙稳定性。杜永峰等[16]建立重力式挡土墙结构抗倾覆稳定性和抗滑移稳定性的功能函数,施小平[17]分析影响悬臂式挡土墙稳定性的因素,结果表明挡土墙可靠度主要与填料内摩擦角、挡土墙背摩擦角、挡土墙基地摩擦系数和填土重度有关。周智海等[18]、李纯玉[19]、尹作华[20]和任波等[21]对影响挡土墙稳定性的相关性因素进行敏感性分析,结果表明填料的内摩擦角与黏聚力敏感性最高,对挡土墙稳定性影响最大。本研究根据有关设计规范规定,经承载能力极限状态最不利荷载效应组合验算,按抗震设防烈度为7度,基本加速度为0.1 g进行设计,取填料内摩擦角为30°,基底摩擦系数为0.30,均布荷载为10～20 kPa。假定挡土墙填料物理性质一致,以保证挡土墙稳定性的一致性。

随着挡土墙高度的增加,其所消耗的资源与材料也逐渐增大,使其抵抗更大的土压力。而ZASTROW等[6]1039研究表明,不同的容许地面压力对挡土墙整体的影响很小。因此,本研究选取1 m标准截面挡土墙为功能单位。

1.2 清单分析

加筋土挡墙设计依照《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》(SL/T 225—98),采用容许应力法,对加筋土挡墙进行筋材强度验算,确定其加筋间距与加筋长度。重力式挡土墙及悬臂式挡土墙设计基于《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)、《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)等标准规范,参照国家建筑设计标准图集《挡土墙(重力式、衡重式、悬臂式)》进行设计。本研究所用混凝土强度等级为C20,其各材料质量比为水泥∶水∶砂子∶碎石=0.47∶1.00∶1.34∶3.13。所有材料均由18 t重型柴油货车通过公路运输到施工现场,运输阶段主要考虑运输工具的污染物排放、运输工具消耗能源和资源随之产生的污染物排放。其中,运输工具的污染物排放主要与运输量有关,货车运输指标计算公式见式(1):

T=∑Mi×Di

(1)

式中:T为货车运输指标,t·km;Mi为i材料使用量,t;Di为i材料运输距离,km。

建筑维护阶段考虑混凝土碳化对挡土墙的环境影响。虽然混凝土的碳化会对结构产生不利影响,但是通过吸收空气中的CO2,混凝土对CO2起到固定作用,对环境的影响是有利的[22-25]。

根据菲克第一定律得出混凝土生命周期内CO2碳化公式[26],见式(2):

(2)

拆除回收阶段参考文献[26]研究内容,认为建筑拆除回收阶段的排放量占建筑施工阶段10%。3种挡土墙清单分析如表1至表3所示。

表1 加筋土挡墙清单分析Table 1 Inventory analysis of reinforced retaining wall

表2 悬臂式挡土墙清单分析Table 2 Inventory analysis of cantilever retaining wall

表3 重力式挡土墙清单分析Table 3 Inventory analysis of gravity retaining wall

2 结果与讨论

2.1 归一化结果

以3种挡土墙各特征化指标最大值为基准,以百分比形式对3种挡土墙特征化指标进行对比分析,并分析各清单物质对特征化指标的贡献率。挡土墙高度为6 m时,3种挡土墙归一化后特征化指标如图1所示,3种挡土墙各清单物质对各特征化指标贡献率如图2所示。

图1 特征化指标对比Fig.1 Comparison chart of characteristic index

重力式挡土墙GWP、AP、EP、RI、WU、WS和COD最大,说明重力式挡土墙对环境的影响在全球变暖、酸化、富营养化等方面较大;悬臂式挡土墙CADP最大,说明其在生命周期过程中消耗资源量最大。悬臂式挡土墙与加筋土挡墙的GWP和AP较接近,而重力式挡土墙远大于前两者,其相较于悬臂式挡土墙与加筋土挡墙,GWP分别增加53.6、48.4百分点,AP分别增加41.0、36.7百分点。加筋土挡墙EP、RI、WU和COD大于悬臂式挡土墙,且差距较大,相较于加筋土挡墙,悬臂式挡土墙的EP、RI、WU和COD分别减少15.6、43.6、26.9、18.5百分点。3种挡土墙WS差异较小,重力式挡土墙分别为悬臂式挡土墙、加筋土挡墙的109.1%、113.0%。

图2 各清单物质对特征化指标贡献率Fig.2 The contribution rate of each listed substance to characteristic index

表4 特征化指标权重因子Table 4 Weight factor of characteristic index

表5 各清单物质加权综合指标Table 5 The weighted comprehensive index of each listed substance

2.2 特征化指标

本研究权重因子采用层次分析法(AHP)进行分析,各特征化指标权重因子如表4所示。由此得到各清单物质加权综合指标见表5,各清单物质对加权综合指标贡献率见图3。

由计算可得,当墙高为6 m时,重力式挡土墙、悬臂式挡土墙、加筋土挡墙加权综合指标分别为6.03×10-9、5.57×10-9、4.49×10-9。重力式挡土墙加权综合指标最大,其次为悬臂式挡土墙,加筋土挡墙最小。说明重力式挡土墙对环境造成的总体影响最大,加筋土挡墙对环境影响最小,为3种挡土墙中最环保的方案。

图3 各清单物质对挡土墙加权综合指标贡献率Fig.3 The contribution rate of each listed substance to the weighted comprehensive index of retaining wall

原材料生产阶段为3种挡土墙生命周期环境影响的主要来源,分别为重力式挡土墙、加筋土挡墙、悬臂式挡土墙加权综合指标的74%、78%、85%;在原材料生产阶段,对重力式挡土墙加权综合指标影响较大的清单物质为砂、混凝土碎石和混凝土水泥,贡献率分别为29%、28%和13%;对加筋土挡墙影响较大的为砂、碎石、混凝土碎石和格宾网,贡献率分别为39%、17%、9%和6%,对悬臂式挡土墙影响较大的为钢筋、砂和混凝土碎石,贡献率分别为40%、30%和10%。

砂与碎石是我国生产能力和消费量最大的矿产资源,在开采过程中,大部分人工砂石料系统采用爆破开采岩石,过程中伴有大量粉尘及少量CO、NO2和SO2等气体产生;砂石生产过程需各种大型机械进行破碎、筛分及输送,消耗大量电力及燃料,且燃料燃烧产生大量CO2,对GWP、AP影响较大。

混凝土主要材料为水泥,其熟料煅烧过程需对石灰石进行煅烧分解,产生大量CO2;且熟料煅烧以煤为燃料,燃烧过程中会释放大量SO2、NOx、CO2等污染气体,对AP、EP和GWP影响较大[27-29]。少熟料胶凝材料的推广与应用能有效控制水泥碳排放量与使用量,并结合优化挡土墙前期设计,强化其建设施工过程的工程管理,促使水泥熟料用量下降,从而达到节能减排的目的。

由图1、图2可得,重力式挡土墙GWP、AP和EP远大于其他两种挡土墙,且砂、混凝土碎石和混凝土水泥对挡土墙GWP、AP和EP贡献率较高。重力式挡土墙依靠自身重力来维持其在土压力作用下的稳定性,建设过程中主要采用大量混凝土进行整体浇筑,其混凝土用量远大于其他两种挡土墙,而混凝土主要材料为砂、碎石与水泥;砂与碎石对GWP贡献较大,水泥对AP、EP影响较大,所以重力式挡土墙GWP、AP和EP远大于其他两种挡土墙。

悬臂式挡土墙采用钢筋混凝土结构,主要靠底板上的填土重量来维持挡土墙的稳定性。钢筋生产过程需要消耗大量金属物质及资源,对CADP贡献较大,所以悬臂式挡土墙CADP最大。由表4可得,CADP权重因子最大,说明其对加权综合指标影响最大,而悬臂式挡土墙CADP最大,即使其他7类指标均远小于重力式挡土墙,但悬臂式挡土墙加权综合指标却为重力式挡土墙的92.3%。PONS等[5]416研究表明,对钢筋进行回收利用可有效减少挡土墙9.6%～12.4% CO2排放量。张建良等[30]研究表明,可以通过提高废钢利用率,减少中国钢铁工业污染物排放量。

运输过程分别占重力式、加筋土、悬臂式挡土墙加权综合指标的24%、20%和13%。运输阶段污染物排放过程主要包括运输工具的污染物排放、运输工具消耗能源和资源随之产生的污染物排放。本研究采用柴油货车为运输工具,其尾气中含有大量SOx、NOx,对AP、EP影响较大。车辆燃料的燃烧过程会排放大量颗粒物质和烟尘,对RI、COD影响较大。因此,减少挡土墙运输阶段对汽油、柴油等不可再生资源的消耗,是降低挡土墙环境影响的重点。在交通产生的直接排放方面,可通过降低对公路货运的依赖,使用铁路等电气化程度较高的运输方式,达到减少碳排放的目的。

综上所述,对挡土墙加权综合指标贡献最大的为挡土墙原材料生产阶段,与文献[5]、 [31]、[32]的研究结果一致。对加权综合指标影响最大的清单物质主要为砂、碎石、混凝土碎石、混凝土水泥、钢筋及货车运输,针对其生产工艺进行改进,或减少其用量,是控制挡土墙生命周期环境影响的有效途径。

2.3 敏感性分析

敏感性分析用于表示清单数据对各指标的灵敏度。通过敏感性分析,得出产品生命周期中对环境影响最大的过程,根据此结果对产品进行改进,其计算公式见式(3):

(3)

式中:Sij为i材料对j指标的敏感性;ΔIi为i材料清单数据的变化量;Ii为i材料的清单数据总量;ΔTj为由于i材料的清单数据变化所引起的j指标的变化量;Tj为j指标数值。

对挡土墙加权综合指标贡献较大的阶段为原材料生产阶段及运输阶段,因此上述阶段中的关键参数对加权综合指标结果影响较大。根据图3,选取对挡土墙贡献率较大的清单物质分别进行敏感性分析,结果如图4至图6所示。

图4 重力式挡土墙敏感性分析Fig.4 Sensitivity analysis of gravity retaining wall

图5 悬臂式挡土墙敏感性分析Fig.5 Sensitivity analysis of cantilever retaining wal

图6 加筋土挡墙敏感性分析Fig.6 Sensitivity analysis of reinforced retaining wall

由图4至图6可知,加权综合指标结果与上述清单物质变化比呈线性关系,可根据其斜率判断各清单物质对加权综合指标的敏感性大小。重力式挡土墙敏感性较大的清单物质依次为砂、混凝土碎石、货车运输及混凝土水泥。悬臂式挡土墙敏感性较大的清单物质依次为钢筋、砂、货车运输及混凝土碎石。加筋土挡墙敏感性较大的清单物质依次为砂、货车运输、碎石及混凝土水泥。砂、钢筋、砂分别对重力式挡土墙、悬臂式挡土墙、加筋土挡墙加权综合指标结果的影响幅度最大,针对其采取相关节能减排措施,是减少挡土墙生命周期环境影响的主要途径。

2.4 墙高对挡土墙的环境影响

挡土墙的加权综合指标随墙高变化见图7。3种挡土墙加权综合指标均呈上升趋势,且重力式挡土墙与悬臂式挡土墙趋势相近。当墙高小于4 m时,加筋土挡墙加权综合指标最大;当墙高大于4 m时,重力式挡土墙与悬臂式挡土墙加权综合指标均大于加筋土挡墙,此时,加筋土挡墙对环境影响最小。随着墙高的增大,重力式挡土墙、加筋土挡墙、悬臂式挡土墙在墙高从2 m增至6 m时加权综合指标增长率分别为462%、199%、390%;重力式挡土墙加权综合指标增长率最大,对环境影响增量最大。

图7 加权综合指标随墙高变化Fig.7 Variation of weighted comprehensive index with wall height

2.4.1 拟合曲线

由图7可知,随着墙高的增大,挡土墙的加权综合指标逐渐增大。挡土墙的加权综合指标与其墙高有良好的相关性。对其进行回归分析,得出挡土墙加权综合指标与墙高之间的关系式,拟合曲线见图8。

加筋土挡墙加权综合指标与墙高之间存在显著正相关关系,其拟合曲线呈线性关系增长,说明随墙高的增大,加筋土挡墙加权综合指标增长量较为稳定。重力式挡土墙与悬臂式挡土墙加权综合指标拟合曲线呈幂函数形式增长,且其指数均大于1,随着墙高的增大,两种挡土墙的加权综合指标增长量越来越大。重力式挡土墙幂指数(1.67)大于悬臂式挡土墙幂指数(1.54),说明其加权综合指标增长速度大于悬臂式挡土墙。

注:W为加权综合指标,h为墙高。图8 挡土墙拟合曲线Fig.8 Fitting curve of retaining wall

2.4.2 贡献率比值

为突出各清单物质贡献率受墙高的影响,使用贡献率比值描述墙高从1 m到6 m各清单物质贡献率变化,其值越接近1,表示墙高对其贡献率影响越小。其计算公式见式(4):

(4)

式中:ηctr为各清单物质贡献率比值;ηm为墙高为m时清单物质对加权综合指标贡献率;η2为基准墙高时清单物质贡献率。

加筋土挡墙4种清单物质贡献率比值随墙高变化如图9所示。随墙高增大,货车运输贡献率比值呈上升趋势,混凝土水泥贡献率比值呈下降趋势,碎石与砂贡献率比值接近,且趋势平稳。货车运输增长趋势最明显,其贡献率比值大于1,当墙高为6 m时,其值为4.87,说明墙高对货车运输贡献率影响较大,墙高与加筋土挡墙货车运输贡献率存在正相关关系。混凝土水泥贡献率比值呈下降趋势,且其值小于1;当墙高为6 m时,其值为0.36,变化幅度小于货车运输,说明墙高与加筋土挡墙混凝土水泥贡献率存在负相关关系,且墙高对混凝土水泥贡献率影响小于货车运输。随墙高增大,砂与碎石贡献率比值趋势平稳,且其值大于1,墙高6 m时为1.15,说明墙高的增大对砂与碎石贡献率影响较小,但两者之间仍存在正相关关系。

图9 加筋土挡墙贡献率比值Fig.9 Contribution ratio of reinforced retaining wall

悬臂式挡土墙4种清单物质贡献率比值随墙高变化如图10所示。随墙高增大,货车运输、钢筋贡献率比值呈上升趋势,且两者贡献率比值均大于1;砂、混凝土碎石贡献率比值呈下降趋势,且其贡献率比值均小于1。货车运输贡献率比值变化率最大,当墙高为6 m时,其值约为初始值的2倍,为2.11。货车运输贡献率与墙高之间存在正相关关系,且墙高变化对货车运输贡献率影响最大。钢筋贡献率比值变化率次之,当墙高为6 m时,其值为1.51;说明钢筋贡献率与墙高之间存在正相关关系,且墙高对钢筋贡献率的影响小于货车运输。混凝土碎石贡献率比值变化趋势较为平缓,与1较为接近,且小于1,说明混凝土碎石贡献率受墙高影响最小,但二者之间仍存在负相关关系。砂贡献率比值变化率大于混凝土碎石,当墙高为6 m时,其值为0.61;说明砂贡献率与墙高之间存在负相关关系,且墙高对砂贡献率影响大于混凝土碎石,小于钢筋。

图10 悬臂式挡土墙贡献率比值Fig.10 Contribution ratio of cantilever retaining wall

重力式挡土墙4种清单物质贡献率比值随墙高变化如图11所示。随墙高增大,货车运输、混凝土水泥和混凝土碎石贡献率比值均呈上升趋势,且其贡献率比值均大于1,说明其贡献率与墙高存在正相关关系,且货车运输贡献率受墙高变化影响最大;砂贡献率比值呈下降趋势,且其值小于1,说明砂贡献率与墙高存在负相关关系,且砂贡献率比值与1差值大于混凝土碎石和混凝土水泥,所以砂贡献率受墙高影响大于混凝土碎石及混凝土水泥,且小于货车运输。

图11 重力式挡土墙贡献率比值Fig.11 Contribution ratio of gravity retaining wall

3 结 论

(1) 当墙高为6 m时,重力式挡土墙加权综合指标最大,其次为悬臂式挡土墙,再次为加筋土挡墙;说明加筋土挡墙对环境影响最小,为3种挡土墙中最环保的方案。

(2) 原材料生产阶段对挡土墙加权综合指标贡献率最大,其次为运输阶段。砂对重力式挡土墙、加筋土挡墙的加权综合指标敏感性最大,钢筋对悬臂式挡土墙的加权综合指标敏感性最大,针对上述清单物质采取相关节能减排措施,是减少挡土墙对环境影响的主要途径。

(3) 随墙高增大,3种挡土墙加权综合指标均呈上升趋势,当墙高小于4 m时,加筋土挡墙加权综合指标最大;当墙高大于4 m时,选择加筋土挡墙最优。

(4) 3种挡土墙加权综合指标与墙高之间存在显著正相关关系。加筋土挡墙拟合曲线呈线性关系,重力式挡土墙与悬臂式挡土墙拟合曲线呈幂函数形式,说明随着墙高的增大,加筋土挡墙对环境的影响增量较小,具有环境优势。