基于全生命周期评估与多目标优化的再生混凝土应用研究

于 敏，王 鹏

（江苏大学 土木工程与力学学院，江苏 镇江 212013，E-mail：upeswp@ujs.edu.cn）

混凝土被认为是仅次于水的第二大物质资源，每年消耗约 130亿 t，构成了混凝土的主要组成部分，骨料占比高达60~75%[1]。如此大的需求量必然涉及骨料开采、加工和运输作业，这消耗了能源的同时也破坏了环境。不仅如此，骨料和混凝土的消耗不可避免地导致了建筑废弃物的产生，约占全球固体废弃物总量的30~35%[2]，且呈现出持续增长之表征。当前处理此类废弃物最常见的方式仍然是填埋。如若将废弃物粉碎为再生骨料，有助于减缓天然骨料开采及废弃物填埋致使的环境影响。

目前国内外对再生混凝土的研究多关注于环境影响和经济可行性方面。在环境影响方面，主要采用全生命周期评价方法（LCA）对再生混凝土全生命周期内存在的潜在环境影响加以量化、评估。有些研究[3，4]表明再生混凝土可以减少一些稀缺资源的使用，有助于降低碳排放并避免垃圾填埋，可带来明显的环境效益。其中 Hossain等[5]研究证实与天然粗骨料相比，由建筑废弃物破碎后形成的再生粗骨料降低了65%的温室气体排放，并节约了58%的不可再生能源。在利润驱动的行业中，仅仅考虑环境优势会阻碍其推广应用，一些学者根据生命周期评价法对再生混凝土进行生命周期成本核算（LCC），以评估整个全生命周期内的成本[6]。Shi X等[7]对再生混凝土进行生命周期成本评估，指明相较于天然混凝土，其生命周期成本低且有更好的经济效益。根据国际混凝土组织环境委员会的一项报告[8]，通过利用再生骨料取代天然骨料，估计可以节省高达60%的材料费用。

以上研究表明剖析再生混凝土环境影响与经济可行性已成为亟待解决的重要前沿科学问题。但对于不同骨料取代率下的混凝土，从不同视角看其优势不同，由此不能仅从单一方面进行评估。基于此，本文从全生命周期的视角构建了再生混凝土碳排放量和成本核算模型，并采用TOPSIS法对再生混凝土环境和经济指标进行多目标优化，旨在确定满足经济和环境最佳的适配性方案，以便为工程决策提供参考。

1 研究目标和计算边界

在国际标准组织（ISO）中定义了全生命周期分析方法的4个阶段[9]，即定义目标和边界、清单分析、分析影响、解释结果，目前已广泛应用于工程、建材等行业[3，4]。

本文研究目标为：构建天然与再生混凝土碳排放量和成本计算边界及计算模型；对比天然混凝土和再生混凝土的相对等效碳排放量及成本；探究满足经济和环境目标要求的混凝土最佳决策方案。

以南京地区为例，假设一座新建建筑分别采用天然混凝土和再生混凝土作为主要材料，在此之前拆除建筑所产生的建筑废弃物，其处理处置活动需纳入边界。Ding T等[10]研究指出，若天然混凝土和再生混凝土结构具备相同设计及强度，其构件在浇筑和拆除阶段碳排放量几乎一致，因此这两个阶段不列入研究边界范围。基于此，本文的系统边界为原材料生产阶段、运输阶段、混凝土生产阶段、填埋阶段，如图1所示。功能单位是生命周期评价体系中反应产品输入输出能力的单位量度[11]，本文选取1m3为功能单位进行研究。

图1 不同类型混凝土全生命周期系统边界

2 再生混凝土碳排放量和经济核算清单

2.1 碳排放量核算清单

根据再生混凝土全生命周期计算边界的划分，所运用能源碳排放系数参考国际权威机构 IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change，政府间气候变化专门委员会）及CNMLCA建立的中国材料生命周期清单库，我国目前使用的能源碳排放系数多采用此结果，材料碳排放系数选取基于国家统计数据、权威性数据及国内已发表论文中代表性数据，统计结果如表1~表3所示。在运输阶段，本文假设物料运输工具为 12t柴油货车，耗油量约20L/100km。由于运输物料去往不同目的地的运距差异较大，因此根据文献[11]进行了合理的假设。配合比引用李佳彬等[12]试验数据，如表4所示。

表1 主要材料碳排放系数

表2 主要能源碳排放系数

表3 运输过程及其运输距离

表4 1m3再生混凝土和天然混凝土的配合比（kg）

2.2 经济核算清单

根据生命周期计算边界的划分，各阶段基础数据收集主要结合文献权威数据及最新原材料直接成本和能源单价信息表数据[16]。如表5~表7所示。

表5 原材料单位直接成本

表6 能源成本

表7 其他成本/收益

再生骨料生产价格根据机械设备费用、燃料费、人工费计算得到。其中再生骨料设备费用取12.1238元/t[3]，人工费用取2.297元/t，燃料费包括柴油及用电消耗，根据实际消耗量和能源成本计算分别为4.80元/t、1.22元/t。

3 基于全生命周期碳排放量和成本的混凝土适配性方案

3.1 全生命周期碳排放量计算模型

CO2的排放是评估环境影响最重要的指标之一，已广泛应用于环境影响研究中[3，4]。因此将其作为本文的环境影响参考值。根据计算边界的界定，再生混凝土全生命周期碳排放量计算式为：

式中，E为再生混凝土全生命周期碳排放量（kg）；E1、E2、E3和E4分别为原材料生产阶段、运输阶段、再生混凝土生产阶段及填埋阶段碳排放量.

（1）原材料生产阶段碳排放量。原材料生产阶段碳排放量即制备再生混凝土的原料在生产、加工过程中所产生的CO2，主要来源于能源消耗[11]，其计算式为：

式中，Mi为1m3再生混凝土中第i类原材料的用量；RME-i为第i种材料的单位碳排放系数.

（2）运输阶段碳排放量。目前研究领域中，多用运输距离法测算运输阶段的碳排放量[11]。其计算式为：

式中，Li为原材料i的运输距离；ei为每公里运输1kg原材料的能源消耗（kg./t*km）；Kj为单位能源碳排放系数.

（3）生产再生混凝土碳排放量。再生混凝土制备过程碳排放量即原材料按一定比例混合搅拌过程中能源消耗所产生的碳排放量[11]，其计算式为：

式中，ej为1m3再生混凝土生产过程中第j类能源消耗量。

（4）填埋阶段碳排放量。废弃物填埋阶段的碳排放由两部分组成，即填埋过程中机器运行的碳排放和化学反应直接碳排放[15]，其计算式为：

式中，W为垃圾填埋场废弃混凝土的量；Vk为机器k的工作效率；ek为机器k每小时的工作能耗；f为废弃混凝土化学反应碳排放因子。

3.2 全生命周期成本计算模型

本文在进行再生混凝土成本分析时，不考虑厂房建设成本和税款及时间因素的影响。根据计算边界的界定，再生混凝土全生命周期成本计算式为：

式中，C为再生混凝土全生命周期成本；C1为原材料直接成本；C2为运输阶段成本；C3为混凝土生产阶段成本；C4为填埋阶段成本。

（1）原材料生产成本。在生产阶段，包括水泥、天然骨料、砂、水及再生骨料的直接成本，其计算式为：

式中，CFi为第i种原材料直接成本。

（2）运输阶段的成本。根据Thomas[20]提出的计算准则，运输费用由货物量、运输距离和单位运输成本确定。

式中，Xit为材料i运往目标地t的单位运输成本（元/t.km）；Dit为材料i运往目标地t的距离。

（3）混凝土拌合成本。计算式为：

式中，mr为1m3的r种混凝土；cr为r种混凝土的拌合成本。

（4）填埋阶段成本。包括填埋设备的运行成本及填埋废弃物的处置费用，计算式为：

式中，Cv为填埋设备的运行成本；T为建筑废弃物的填埋处置费用。

3.3 再生混凝土环境与经济效益评价

环境效益与经济效益的计算方法借鉴田金枝[3]研究，其计算式为：

式中，R、HR分为再生混凝土的经济效益、环境效益；R1、HR1分别为代替天然骨料带来的经济效益、环境效益；R2、HR2分别为减少建筑废弃物处置带来的经济效益、环境效益；R3为政府补贴。

（1）代替天然骨料带来的效益。再生混凝土的生产，会减少对天然骨料的开采，从而节省了对天然骨料的生产、运输作业。总经济效益计算式为：

式中，R11为设备的购置费用和设备的维修费用；R12为燃料消耗成本；R13为用电成本；R14为职工工资；R15为运输阶段成本。

式中，L为设备购置费（大型设备使用年限为10年）；a为再生骨料的年产量。

式中，F为柴油单价；b为1吨再生骨料的油耗。

式中，E为工业用电的单位售价；f为1吨再生骨料的电耗。

式中，S为每月应支付的职工工资。

（2）减少建筑废弃物处置带来的效益。建筑废弃物运往资源化利用厂意味这部分废弃物不用进行简易填埋，从而节省了运输和填埋成本，计算公式为：

式中，R21、R22分别为建筑废弃物运输成本和填埋成本；HR21、HR22分别为减少建筑废弃物运输及填埋产生的碳排放量。

（3）政府补贴。为鼓励建筑废弃物资源化产业的发展，国家和地方政府出台对再生骨料生产的补贴政策，计算式为：

式中，ma为1m3再生混凝土中再生粗骨料的量；P为政府给予每吨再生骨料的补贴。

3.4 成本碳排放比计算模型

在可持续评价中，环境和经济往往都很重要，在相关研究[3]的基础上，本文将成本与碳排放量之比定义为CE，用于全生命周期碳排放量和全生命周期成本的联合分析。

3.5 TOPSIS算法

TOPSIS法，国内称为优劣解距离法，根据评估方案系统中评价对象与理想方案接近程度对方案进行综合排序的方法，在建筑业中有广泛的应用[21]。TOPSIS涉及决策矩阵、归一化、最佳与最差解等步骤，如图2所示，详细过程在其他研究中已说明[22]。

图2 使用TOPSIS选择最优方案的流程图

4 结果分析

4.1 不同方案下全生命周期碳排放量和效益分析

不同方案下全生命周期的碳排放量和环境效益分析结果如图3所示。可知在不同水灰比下，碳排放量都呈现出随取代率提高而降低的趋势。经对比发现，碳排放量的主要来源为水泥的生产与运输阶段，约占再生混凝土整个生命周期总碳排放量的92%~97.3%；再生骨料在生产阶段降低的碳排放量并不显著，当取代率为 100%时，也仅占生产阶段碳排放总量的1.26%~1.18%。从各过程数据来看，运输和填埋阶段在再生混凝土整个生命周期降低的碳排放量较为明显。对于运输阶段，相较于天然混凝土，再生骨料取代率为 100%碳排放量下降了39.6%~41.9%。其原因在于，再生骨料一般是由当地废弃混凝土粉碎而得，来源受地域限制小，而天然粗骨料通常在偏远郊区，因此再生混凝土在运输阶段的碳排放量相对较低。对于填埋阶段，由于拆除得到的废弃混凝土中有 65%可粉碎成再生粗骨料，因此使用再生混凝土的方案在填埋过程中碳排放量明显降低，当再生骨料取代率为 100%时可降低90%。

图3 基于不同方案的全生命周期碳排放量和环境效益

此外，随着水灰比和再生粗骨料取代率的增加环境效益呈现上升态势，再生骨料的增加可减少开采天然骨料，运输过程的碳排放，且节约填埋场容量，因此使用再生混凝土具有较为显著的环境效益。

4.2 不同方案下全生命周期成本和效益分析

不同方案下全生命周期成本和经济效益结果如图4所示。可知无论混凝土的目标强度如何，随着再生粗骨料的增加，其成本逐渐降低。根据混合比例的不同，骨料取代率为 100%的再生混凝土成本相较于天然混凝土低 36.8%~39.56%，低强度的再生混凝土可以节省更多成本。进一步分析可知，导致再生混凝土成本低的原因在于，再生骨料较天然骨料运往混凝土搅拌站距离近，由此可节省大量的运输费用，除此之外使用再生骨料替代天然骨料节省了将废弃混凝土运输至垃圾填埋场运输费用及填埋等费用，这种效益可以通过现场回收废弃物进一步优化。

图4 基于不同方案的全生命周期成本和经济效益

若将建筑废弃物全部送往填埋场加以处置，垃圾填埋场入场费用较低，大约为2.5元/t，这也解释了在现实中为什么大量的建筑废弃物被送往填埋场及再生骨料在我国利用率较低的因素之一。

由图4可知，随着水灰比与再生粗骨料取代率的提高经济效益呈现增长态势，这是由于再生骨料的增加减少了天然骨料运输至再生混凝土搅拌站运输成本及减少了建筑废弃物处置带来的效益。

4.3 基于LCA-LCC对不同方案优化组合结果分析

将天然混凝土作为基准方案，再生混凝土和简易填埋作为对比方案，对上述计算结果集成得到的数据进行环境与经济评估。图5显示了不同方案下的成本碳排放比，可知简易填埋的成本碳排放比最高，高达8.875元/kg。当再生骨料取代率增加时，再生混凝土成本碳排放比呈现逐渐下降的趋势，但都低于天然混凝土，从满足环境和成本目标角度看，其值越低越好。显示了各方案下环境与经济指标距离理想解的接近度，可知水灰比为0.47再生骨料取代率为 100%的混凝土可以满足碳排放量最小，成本最低，环境和经济效益高的目标。对于简易填埋这一处理方式，其综合效果最差，不仅造成了资源的浪费和碳排放量增加，而且会使新制混凝土全部使用原材料，这无疑将增加整个系统的经济成本。

图5 不同方案下成本碳排放比比较

根据国内外学者对再生混凝土的研究，可知当再生粗骨料的掺量小于30%，对混凝土强度影响不大；取代率为50%的再生混凝土性能最好[12]。上述取代率为100%的再生混凝土是极端情况，在现实中是不可行的，因此结合其性能要求，最优选择是水灰比为0.39再生骨料取代为50%的再生混凝土。

5 结语

本文采用生命周期评估法构建了再生混凝土碳排放量和成本计算模型，并采用TOPSIS方法对再生混凝土环境和经济指标进行多目标优化，进而筛选出满足经济和环境目标的适配性方案，并得出以下结论：从全生命周期视角出发，原材料生产阶段占全生命周期比重大，其次为运输阶段；相比于天然混凝土，再生骨料替代率为 100%时，碳排放量减少了5.7%~7%，成本降低了36.8%~39.6%。不同水灰比下骨料取代率为 100%的再生混凝土满足碳排放量小，成本低，经济效益好的要求，且随着再生骨料取代率的增加，综合效果逐渐增加，且都优于天然混凝土。简易填埋这一处理方式，其综合效果最差。综上所述当水灰比为0.47，再生骨料替代率为 100%的混凝土可以作为最佳解决方案，若考虑再生混凝土性能，水灰比为0.39再生骨料替代率为50%的混凝土作为最佳方案。应尽快加大对资源化综合处置场的建设，一方面借鉴国外经验加大其处理能力；另一方面，尽量使资源化利用场可以辐射到更多的建筑工地。除此之外，为促进再生混凝土的生产与应用，需要政府在宏观和微观层面上从投资、补贴和管理上给予一定的支持。