基于生命周期理论的再生混凝土空心砌块环境性能评价

2021-02-23李承明孔祥坤熊宇强柏睿涂安郭樟根

新型建筑材料 2021年1期

李承明，孔祥坤，熊宇强，柏睿，涂安，郭樟根

（1.江苏邗建集团有限公司，江苏扬州 225127；2.南京工业大学土木工程学院，江苏南京 210000）

0 引言

随着城市化进程的不断加快，大量房屋的建造消耗了巨量的天然资源和能源，排放了大量的建筑垃圾和污染气体，产生了严重的环境问题。使用建筑垃圾作为再生骨料替代天然骨料来制作混凝土-再生混凝土，既可减少对天然砂石资源的开采，同时也可以解决废弃混凝土的处置问题，实现资源与环境的双收益。再生混凝土符合发展循环经济和建设资源节约型、环境友好型社会的思路与理念，是发展绿色混凝土，实现建筑、资源及环境可持续发展的重要措施之一[1-5]。

近年来，使用再生混凝土制作砌块、多孔砖等混凝土制品得到了众多科研人员的重视。国外Poon C[6]、Corinaldesi V[7]、Soutsos[8]、Matar[9]等研究了再生骨料对混凝土空心砌块抗压强度的影响规律。国内同济大学、南京工业大学、北京工业大学、郑州大学等高校开展了大量再生混凝土墙体材料的研究，内容涉及砌块力学性能及砌体的结构性能等[10]。国内外现有研究结果表明：采用再生混凝土粗、细骨料制作混凝土空心砌块及多孔砖是可行的。近年来，再生混凝土墙体材料在国内也得到了一定规模的推广应用。2018年，南京工业大学使用再生混凝土空心砌块建造了一栋绿色示范建筑（见图1）。

图1 再生混凝土空心砌块建筑

当前有关再生混凝土的研究主要关注其力学及耐久性能，对再生混凝土特别是再生混凝土制品（砌块）从原材料、运输到制备整个生命周期进行环境影响评价的研究不多。本文采用生命周期评价方法（LCA），对再生混凝土空心砌块整个生产过程的环境影响进行评价和分析。

1 再生混凝土空心砌块

选取再生混凝土空心砌块的再生粗骨料取代率为75%，采用当地废弃混凝土制作，对比砌块采用普通混凝土空心砌块。再生混凝土空心砌块和普通混凝土空心砌块的具体配合比及抗压强度如表1所示。

表1 再生及普通混凝土空心砌块的配合比及抗压强度

2 再生混凝土空心砌块生命周期评价方法

LCA是对产品生命周期（原材料的获取、生产、使用及使用后的处置）的环境影响进行定量化评价的方法。ISO13.315-1规定LCA由4个步骤组成：目标与范围定义、生命周期清单创建与分析、环境影响评价、结果解释[11]。

2.1 目标与范围定义

考虑再生混凝土和普通混凝土空心砌块的使用和拆除阶段基本相同，本文采用从摇篮到大门（Cradle-to-Gate）的系统边界（见图2），即以原材料生产为起点，砌块的制作完成为终点，包括所有原材料生产、系统内运输及混凝土的制作过程，不包括使用及拆除阶段。为了保证计算结果的可比性以及方便计算，本文的功能单元取为1 m3混凝土拌合物。

图2 再生混凝土空心砌块系统边界

2.2 生命清单创建与分析

生命清单的创建包括计算混凝土砌块整个生产过程（原材料生产、材料运输、砌块制作等）中污染气体的排放。原材料生产的环境负荷指水泥、天然砂、天然粗骨料、再生粗骨料生产过程中的污染气体排放。材料运输的环境负荷指所有原材料运输至砌块生产厂家产生的污染气体排放。具体计算中根据不同原材料的运输距离、运输方式等计算污染气体排放。砌块制作的环境负荷是砌块生产厂生产再生混凝土空心砌块产生的污染气体排放。

本文选用四川亿科环境科技中国生命周期核心数据库CLCD和瑞士Ecoinvent数据库中的数据[12]，计算得到了混凝土空心砌块生产过程中产生的9种污染气体（CO2、NOx、CH4、SO2、CO、NMVOC、N2O、NH3、PM10）排放如表2所示。表2中所列数据为生产每千克原料或运输每千克原料1 km所排放的污染气体。天然粗骨料采用江西采石场生产的石灰石，用铁路运输到南京混凝土砌块厂，运输距离为1000 km。再生粗骨料采用南京江北新区的拆除建筑，用18 t货车运输至混凝土砌块厂，运输距离为20 km。天然砂选用本地采砂厂的成品，用18 t货车运输至混凝土砌块厂，运输距离为50 km。水泥采用18 t货车从水泥厂运输至混凝土砌块厂，运输距离为50 km。计算得到的1 m3再生和普通混凝土空心砌块生产过程9种污染气体排放如表3所示。

表2 再生及普通混凝土空心砌块原材料获取及生产过程污染气体排放

表3 混凝土空心砌块生产过程9种污染气体排放 kg/m3 混凝土

2.3 环境影响评价

环境影响评价就是把生命清单数据分类特征化，并采用不同环境影响类型来解释清单分析结果。本文采用CML2001[CML2001是荷兰莱顿大学环境研究中心（Leiden University，Center of Environmental Science）在2001年所发表的一种根据ISO标准的生命周期评价方法] 的分类方法及当量评价模型，选取了常用的5种环境影响类型参数：GWP（global warming potential，温室效应）、AP（acidification potential，环境酸化）、EP（eutrophication potential，富营养化）、POCP（photochemical fog in the atmosphere potential，光化学烟雾）、HTP（human toxicity potential，人体健康损害）评价再生及普通混凝土砌块的环境性能，见表4。

表4 混凝土空心砌块的影响类型和类型参数

3 环境影响评价结果分析

再生和普通混凝土空心砌块的5种环境影响类型参数计算结果如表5所示。

表5 混凝土空心砌块原材料获取及生产过程5种类型环境影响计算结果

从表5可以看出，再生混凝土空心砌块的5种类型环境影响均小于普通混凝土空心砌块。再生混凝土空心砌块的GWP值较普通混凝土空心砌块降低5.54%，再生混凝土空心砌块的AP、EP、POCP、HTP较普通混凝土空心砌块分别降低19.2%～65.1%。这主要是因为再生粗骨料采用当地废弃混凝土制作，其运输距离远远小于天然粗骨料，使再生粗骨料运输产生的环境排放得到有效降低。再生粗骨料运输产生的GWP值相比天然粗骨料降低了147.4%，再生粗骨料生产产生的GWP值比天然粗骨料高79.2%。这主要是由于当前再生粗骨料的制作工艺较粗放，废弃混凝土的破碎分级等消耗了大量能源（电能），并产生了大量粉尘，从而增加了环境排放。此外，水泥生产是产生温室效应GWP的主要原因，分别占再生和普通混凝土空心砌块温室气体GWP排放的92.5%和87.7%。

为了比较和量化不同类型环境影响参数对整个环境排放的影响程度，国际上通用的方法是将环境影响类型数值除以归一化基准值。本文根据CML提出的基准值，计算得到的再生及普通混凝土空心砌块GWP、AP、EP、POCP、HTP的归一化结果如表6所示。

表6 混凝土空心砌块原材料获取及生产阶段归一化结果

从表6可以看出，再生混凝土空心砌块的GWP和POCP对整个环境排放的贡献最大，分别占比47.0%、22.7%。再生混凝土砌块的EP、HTP对整个环境排放的贡献较小，分别占总环境影响的比例分别为5.5%、0.1%。此外，再生混凝土砌块环境影响类型的归一化结果均小于普通混凝土砌块，表明使用再生骨料制作混凝土砌块可以有效减小砌块的环境排放，提升其环境性能。