基于生命周期理論的再生混凝土環(huán)境影響評價及經(jīng)濟性分析

基于生命周期理論的再生混凝土環(huán)境影響評價及經(jīng)濟性分析

[Summary]為了減緩混凝土生產(chǎn)過程中的二氧化碳過度排放，低碳環(huán)保成為水泥混凝土產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然方向。據(jù)有關(guān)部門測算，截至2020年，C&D堆存總量已達到200億噸左右，增量每年35億噸左右，其中，廢棄混凝土所占比例最高，占30%以上[1]。據(jù)統(tǒng)計，全球混凝土制造產(chǎn)生的碳排放占全球總碳排放的5%[2]。使用礦物摻合料（SupplementaryCementitiousMaterial，簡稱SCM）部分代替水泥制作混凝土，既可以實現(xiàn)工業(yè)廢渣的資源化利用，同時降低了混凝土的碳排放，是混凝土低碳化及可持續(xù)發(fā)展方式之一。國內(nèi)外對于其環(huán)境影響以及經(jīng)濟效益的研究卻比較少。為了改善由再生混凝土引起的環(huán)境影響問題，實現(xiàn)環(huán)境與經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展，本文對再生混凝土進行生命周期評價以及生命周期成本分析。[Keys]

再生混凝土

生命周期理論

可持續(xù)發(fā)展引言伴隨著城市更新、舊城改造，我國城市化進程不斷加快，城市規(guī)模不斷擴大，全國各地砂石骨料供給相繼告急且混凝土制造排放了大量廢棄，為了實現(xiàn)建筑的可持續(xù)發(fā)展，尤其是環(huán)境和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，回收利用固體廢棄物，并在生產(chǎn)生活中利用“3R”原則，節(jié)約資源，并大量消納C&D，提高利用率，減少資源能源浪費，減少環(huán)境污染刻不容緩[3]。本研究主要針對我國固體廢棄物資源化利用的特點，將建筑和拆除廢物（C&D）化作再生骨料生產(chǎn)再生混凝土，采用LCA和LCCA對再生混凝土的環(huán)境影響及經(jīng)濟效益進行綜合分析。結(jié)合再生混凝土的力學及耐久性實驗結(jié)果，分析并計算單位體積不同配合比下再生混凝土在生產(chǎn)過程中能源及資源消耗、環(huán)境影響及經(jīng)濟效益，利用多標準決策方法找出力學性能好、環(huán)境排放低、經(jīng)濟成本低的再生混凝土優(yōu)化配合比設計方法，為企業(yè)改進生產(chǎn)工藝，節(jié)約資源和能源，減少污染排放，節(jié)省成本提供重要參考。針對再生混凝土應用于建筑結(jié)構(gòu)上研究較少的問題，進一步分析將再生混凝土應用于建筑結(jié)構(gòu)上的環(huán)境影響及經(jīng)濟效益，為推廣再生混凝土在建筑結(jié)構(gòu)上的使用提供依據(jù)，并為建筑利益相關(guān)者提供一種新的優(yōu)先選擇材料的方法，從而促進C&D回收利用的可持續(xù)性。再生自密實混凝土概況再生自密實混凝土是在自密實混凝土的基礎上利用建筑物廢棄拆除后的混凝土廢料經(jīng)過破碎、篩分后部分替代砂石等天然資源，可以減少對天然資源的開采，解決建筑垃圾堆存問題。同時，目前再生骨料生產(chǎn)主要采取固定式建筑垃圾處理廠和移動式建筑垃圾處理設備兩種方式，而移動式處理設備能夠運至拆除現(xiàn)場進行現(xiàn)場破碎，有效減少二次運輸產(chǎn)生的環(huán)境污染和資源浪費，實現(xiàn)資源、環(huán)境、經(jīng)濟三重效益。2.再生自密實混凝土生命周期評價2.1目標與范圍確定本研究采用生命周期評價的目的是量化分析1m3摻入粉煤灰等礦物摻合料和再生粗骨料的再生自密實混凝土環(huán)境性能，量化各種材料以及工藝對環(huán)境的影響，從而確定關(guān)鍵材料、關(guān)鍵過程及敏感度，找出再生自密實混凝土環(huán)境性能表現(xiàn)良好的配合比設計，為后續(xù)再生自密實混凝土的環(huán)境友好型設計提供依據(jù)。本研究選用“從搖籃到大門”（cradletogate）的系統(tǒng)邊界模型，量化分析包括原材料生產(chǎn)、運輸、混凝土生產(chǎn)等過程的環(huán)境負荷。2.2結(jié)果解釋再生自密實混凝土三類終點環(huán)境影響占比基本一致，因此，取其平均值作橫向?qū)Ρ?，再生自密實混凝土對人類健康受損影響程度最大，達到37.1%，這是因為混凝土在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了大量大氣污染物。其中CO2和NOX占據(jù)了較大比重，CO2作為典型的溫室氣體對氣候變化具有較大影響，NOX作為常見大氣污染物，會刺激呼吸器官，引起急性毒作用和慢性毒作用，影響和危害人體健康；資源能源消耗也占據(jù)了相當大的比重，達到34.7%，其中影響最大的是石灰石等礦石資源的消耗。占比較小的是對生態(tài)系統(tǒng)的破壞，占比28.1%。生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞主要在于各種原材料生產(chǎn)過程中NOX排放，排入大氣中的NOX會與空氣中的水結(jié)合，進而形成酸雨，并通過雨水匯入江河湖泊，造成水體的富營養(yǎng)化。2.3結(jié)果分析再生自密實混凝土中輔助膠凝材料以較高的原材料單價占總成本的41.7%~53.7%。對比發(fā)現(xiàn)，隨著礦物摻合料替代率的提高，總成本下降，主要在于礦物摻合料單價低于水泥，其中單摻粉煤灰由于其成本最低，會獲得最好的經(jīng)濟效益。此外，隨著再生骨料替代率提高，再生自密實混凝土成本下降5%~10.2%，其一在于再生粗骨料較天然粗骨料成本較低，其二因為再生粗骨料具有運輸距離優(yōu)勢。2.4基于DEA的再生自密實混凝土優(yōu)選考慮再生自密實混凝土的生命周期成本和環(huán)境影響、力學性能、耐久性能、工作性能，對其進行無量綱化并同趨勢化處理，基于DEA多目標決策方法在MATLAB軟件中進行編程計算，得到再生自密實混凝土配合比設計方案的優(yōu)選結(jié)果。圖DEA交叉評價模型計算結(jié)果對比100-50-Z和100-75-Z兩個系列，100-75-Z系列由于礦物摻合料摻量較高，導致其環(huán)境影響和經(jīng)濟成本較小，但也降低了混凝土的抗壓強度，此外耐久性能也由于礦物摻合料摻量過大，有效水灰比增大，而對干燥收縮不利。對比100-50-Z和50-75-Z兩個系列，其環(huán)境影響、經(jīng)濟成本相差不大，但100-50-Z系列在力學性能和耐久性能方面具有一定的優(yōu)勢。在100-50-Z系列中，相較于100-50-1，100-50-2由于礦粉自身大氣排放輸出較高、運輸距離較長、原材料成本較高，在環(huán)境影響和經(jīng)濟成本方面存在略微劣勢，但礦粉的加入降低了漿體孔隙間的流通性，阻止毛細孔水分過多蒸發(fā)，從而有效降低了混凝土的干燥收縮[1]。相較于100-50-3，100-50-2由于缺少硅灰?guī)淼膮f(xié)同效應導致抗壓強度較小，但同時也由于硅灰自身大氣排放輸出較高、運輸距離較長、原材料成本較高，活性高，對混凝土的收縮會產(chǎn)生不利影響，100-50-2的環(huán)境影響、經(jīng)濟成本和耐久性能較小。3.結(jié)論采用再生粗骨料代替天然粗骨料可以降低運輸時的環(huán)境負荷；采用粉煤灰代替水泥，也能減少運輸時的環(huán)境負荷；采用粒化高爐礦渣粉和硅灰代替水泥相比于粉煤灰會增加運輸?shù)沫h(huán)境負荷；對環(huán)境影響最大的關(guān)鍵影響材料是水泥和再生粗骨料，主要原因在于水泥生產(chǎn)過程中釋放了大量CO2等有害氣體且在混凝土制作過程中用量巨大；再生粗骨料是除水泥外影響最大的材料，但由于其運輸距離較短，其運用在環(huán)境影響方面具有優(yōu)勢；再生粗骨料以及輔助膠凝材料的運用具有顯著的價格優(yōu)勢。Reference[1]田金枝.建筑垃圾生產(chǎn)再生骨料的綜合效益分析[D].重慶大學,2019.[2]章玉容.粉煤