高性能再生混凝土环境协调性评价.pdf

第 8卷第 5期 2 0 1 1年 1 0月 铁道科学与工程学报 J OURNAL OF RAI L WAY SCl ENCE AND E NGl NE ERI NG VO 1 8 NO 5 Oc t 2 0 1 1 高性能再生混凝土环境协调性评价 尹健 ， 邹伟 。 池漪 ( 1 中南大学 土木工程学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ； 2 湖南中大设计院， 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ) 摘要： 采用生命周期评价 ( L C A) 方法对高性能再生混凝土( H P R A C) 的环境协调性进行评价， 并以普通再生混凝土 ( R A C ) 以及天然碎石骨料混凝土( N C ) 作为对比组， 研究结果表明： 混凝土中使用再生骨料以及活性工业废渣可以明显降 低混凝土的环境负荷， 特别是在能源以及石灰石的消耗方面； 同时通过分析计算 3种混凝土的环境综合指数 E， 得到 了 H P R A C的环境综合指数 E为 l 0 4 6 0 X 1 0 年， 其相比 R AC降低 了1 1 6 ， 相比 N C降低了3 6 6 。这说明， H P R A C是具 有良好环境协调性的绿色建材， 是可持续发展模式下混凝土发展的新方向。 关键词： 高性能再生混凝土； 再生混凝土； 生命周期评价； 环境评价； 环境综合指数 中图分类号： T U 5 2 8 文献标志码： A 文章编号： 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 l 1 ) 0 5 0 0 1 9 0 7 Th e e v a l u a t i o n o f h i g h p e r f o r ma n c e r e c y c l e d c o n c r e t e o n e n v i r o n me n t a l c o o r d i n a t i o n YI N J i a n ， Z O U We i ， C HI Yi ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 7 5， C h in a ； 2 H u n a n Z h o n g d a D e s i g n i n g I n s t it u t e ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5， C h i n a ) Ab s t r a c t ： L i f e c y c l e a s s e s s m e n t ( L C A)me t h o d f o r h i g h p e r f o r ma n c e r e c y c l e d c o n c r e t e( H P R A C )i s u s e d t o e v a l u a t e t h e e n v i r o n m e n t a l c o o r d i n a t i o n ， w i t h o r d i n a r y r e c y c l e d c o n c r e t e( R A C)a n d n a t u r a l n a t u r a l s t o n e a g ue - g a t e c o n c r e t e( N C )a s t h e c o mp a ri s o n g r o u p S t u d i e s s h o w t h a t ： t h e u s i n g o f r e c y c l e d a g g r e g a t e a n d a c t i v e i n - d us t r i al wa s t e c a n s i g ni f i c a n t l y r e d u c e t h e e n v i r o n me n t a l l o a d o f c o n c r e t e，p a r t i c u l a r l y i n t h e e n e r g y a n d l i me s t o n e c o n s u mp t i o n；t h e c o mp r e h e n s i v e e n v i r o n me n t i n d e x o f HP RAC i s 1 0 46 0 1 0 a，wi c h i s l 1 6l o we r c o mp a r e d t o R AC a n d 3 6 6 l o we r c o mp a r e d t o NCT h i s s h o ws t h a t HP RAC i s g r e e n b u i l d i n g ma t e ria l s wi t h g o o d e n v i r o n me n t c o r d i n a t i o n，a n d s h o w s a n e w d e v e l o p i n g d i r e c t i o n for c o n c r e t e u n d e r t h e mo d e l o f s u s t a i n a b l e de v e l o pme n t Ke y wo r d s ：h i g h p e rf o r ma n c e r e c y c l e d c o n c r e t e ；r e c y c l e d c o n c r e t e ； l i f e c y c l e a s s e s s me n t ； e n v i r o n me n t a l e v a l u a t i o n；e n v i r o n me n t a l i n d e x 混凝土材料 自从问世以来 ， 极大地推动 了社会 文明的进步， 然而也带了许多的环境问题， 例如： 大 量资源与能源的消耗以及三废的大量排放 。目前 ， 国内外对混凝土占用大量 自然资源及对环境的负 面影响已开展了大量研究 ， 并由此引发了可持续发 展的广泛讨论 I 2 J 。吴中伟于 1 9 9 7年 3月在“ 高 强 、 高性能混凝 土会议” 上提出了“ 绿色高性能混 凝土” ( G H P C) 的概念 ， 并提 出将其作为今后混凝 土的发展方向。其“ 绿色” 的三大含义为 ： ( 1 ) 节约 资源、 能源 ； ( 2 ) 不破坏环境 ， 更应有利于环境 ； ( 3 ) 可持续发展 ， 既可满足当代人 的需求， 又不危害后 代人满足其需要的能力。而高性能再生混凝土的 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 73 0 基金项目： 国家“ 十一五” 科技支撑计划项 目( 2 0 0 8 B A K 4 8 B 0 1 ) ； 湖南省科技计划项目( 2 0 0 8 S K 4 0 3 3 ) ； 中央直属高校前沿研究计划重点项 目( 2 0 1 0 D X P Y 0 1 0 ) 作者简介： y r 健( 1 9 7 0一) ， 湖南洞口人， 男， 教授， 博士生导师， 从事新型建筑材料研究 2 0 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 提出， 正是符合这一 目标的绿色建材 ， 其在改善混 凝土材料的性能同时 ， 着重注意废弃物的利用 以及 减少其环境负荷影响。 本文运用生命周期评价 ( L C A) 方法 J ， 按照 I S 0 1 4 0 4 0系列 标准 j ， 对所配 制 的 HP R A C， R A C 及 N C进行分析计算 ， 确立一种有效评价混凝土材 料环境协调性的量化模式 ， 可以为绿色混凝土材料 的发展与应用提高必要的理论依据 ， 同时为推动再 生混凝土在大规模 工程应用和在商品化再 生混凝 土水平上实现根本性的突破提供技术支持。 1 试验材料与混凝土配制 1 1 试验材料 水泥( C ) ： 湖南宁乡南方水泥有 限公 司生产的 P 0 4 2 5级水泥 ， 其密度为 3 1 3 g a m ； 水泥胶砂 的 3 ， 2 8 d抗折强度分别 为 5 3 0 ， 8 2 0 MP a ， 3 ， 2 8 d 抗压强度分别为 2 4 2 ， 4 5 8 MP a ； 粉煤灰 ( F A I) ： 湘潭电厂风选 I级粉煤灰 ， 密度为 2 3 5 g c m ， 4 5 m方孔筛筛余量 9 ； 硅灰( S F ) ： 贵州遵义硅铁 合金厂生产的微硅 灰， 密度为 2 1 1 g c m。 ， 比表面 积为 2 0 0 0 0 m k g ； 砂 ( S ) ： 湘 江河砂 ， 细 度模数 2 8 ， 符合 区级配要求 ； 减水剂( S P ) ： 东莞市伍山 建材实业有限公司生产的 WS N一 3 0型缓凝高效减 水剂； 天然骨料( N A) ： 碎石 ， 级配符合 5 2 6 5 m i l l 的连 续 级 配 要 求， 相 关 性 能 见 表 1 ； 再 生 骨 料 ( R A) ： 长益高速公路路 面养护废 弃的混凝土 ( 原 生混凝土的粗骨料为卵石) ， 先经人工破碎成中等 尺寸 ， 然后用颚式破碎机破碎成小颗粒 ， 并过筛 ， 其 级配符合 5 2 6 5 m m的连续级配要求 ， 相关性能 见表 1 ； 水( W) ： 自来水。 1 2 混凝土试验配合比及测试结果 优选后的天然碎石骨料混凝土( N C ) 、 普通再 生混凝土( R A C ) 以及高性能再生混凝土( H P R A C ) 的具体配合比参数及性能见表 2 。 2 商陛能再生混凝土环境协调性评价 2 1 确定边界条件 以 HP R A C， R A C以及 N C为研 究 对象 进 行 L C A分析 ， 假定其边界条件为： ( 1 ) 3种类型混凝土 2 8 d抗压强度基本一致 ， 即研究对象均具有卡 H 同 强度 ； ( 2 ) 评价功能单位以 1 IT I 混凝土计 ； ( 3 ) 评价周期从水泥生产开始至混凝土制成为止 ， 小考 虑能源生产环节对环境的影 响； ( 4 ) 与乍产 没备 、 建筑设施相关的环境污染不 考虑。 2 3 清单分析 2 3 1 水泥生产的环境 负荷 清单分析 ( 1 i f e c i r c l e i n v e n t o r y ， 简称 L C I ) 丰要 在于确定混凝土生产各有关子系统 的环境数据 ， 包 括该系统中各种物料及能源输入的量和向环境中所 排放废弃物的输出量。本章涉及到的公用系统的环 境数据 见表 3和表 4 。表中的电力生产的污染物 数据是根据我国的发电能耗( 以标准煤计) k w h的 平均值 0 4 2 4 k g计算。另外， C O 的生成量按原煤 固定碳含量的5 0 计算 ， 原煤按 2 0 计算。 表 1 粗骨料基 本性 能试验 结果 Tab l e 1 Pr o p e r t i e s o f c o a r s e a g g r e g a t e s NC 4 8 0 0 0 0 1 1 4 7 6 4 5 1 7 8 RAC 4 8 0 0 0 1 1 1 5 0 6 2 7 1 7 8 P RA 3 4 6 9 6 3 8 1 1 1 5 0 6 2 7 1 7 8 5 3 3 4 昭 6 4 5 5 1 1 加 阱 鲫 3 4 8 第 5期 尹健 ， 等： 高性能再生混凝土环境协调性评价 2 1 通过表 3 4数据 ， 可以计算出制造 1 t 水泥并 考虑运输到混凝土配制地点时的环境影响评价 的 基础数据 参照文献 ， 考 虑每 1 t 水泥 的资源 消 耗为 ： 石灰石 1 3 t ， 黏土 0 3 t ， 石膏 5 0 k g ， 其他不 予考虑， 并且不考虑工业废渣或工业废料的再生利 用 。其 中， 原料开采的运输距离为 5 k m， 而水泥成 品的运输距离为 3 0 k m， 其计算结果见表 5 。 2 3 2 混凝土配制过程的环境 负荷 混凝土配制过程中引起环境负荷因素包括粗 集料、细集料、拌制过程以及水泥等材料 ， 水和减 水剂在此不予考虑。天然粗骨料、细骨料统一采 用表 4中的原料开采的环境负荷数据，即 1 3 8 9 表 5生产 1 t 水泥所形成的环境 负荷数据 T a b l e 5 T h e e n v i r o n me n t a l l o a d d a t a o f p r o d u c t i o n o f 1 t o n o f c e me n t k g 注： 表中A为再生粗骨料的生产， B为废弃混凝土处理为 I 5 3 8 t ： 运输 2 0 k m回填。 2 2 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 k wht【 7 1 ，再 生粗骨料及混凝土生产分别耗 电约 1 3 7 5和 2 k w h m 。废弃 昆 凝土处理方式按将废 弃混凝土运送至 2 0 k m进行 回填 ， 并以此作为再生 粗集料的环境负荷 的减少量；可利用 的再生粗骨 料按废弃混凝土的6 5 计算 。基于现有 的研究 成果 ，高性能再生混凝土 I级粉煤灰 的掺 量按 2 0 计算 ，粉煤灰 的系统特征掺量 c 取为 1 0 7 ，硅粉的协 同特征掺量可按粉煤灰 的 1 2倍 计算 ，即为 1 2 8 4 。从而可以计算 出混凝土配制过 程中各种因素引起的环境负荷， 其具体结果如表6 所示。 2 3 3 高性能再生混凝土 L C A评价分析 根据表 2中3种类型混凝 土配合 比， 以及表 5 生产 1 t 水泥所得 的环境负荷数据和表 6混凝土在 制造过程 中的环境负荷数 据可 以对 N C， R A C及 H P R A C ( 按 1 m 混凝土) 进行环境影响清单 分析 ( L C I ) ， 其计算结果如表 7所示。 2 4 生命周期环境影响分析与评价 2 4 1 分类 环境影响评价 ( i mp a c t a s s e s s me n t ， 简称 I A) 是 生命周期评价的第 3步 ， 它在清单分析的基础 上， 把评价系统中的各种输入和输 出参数转化成定量 或半定量 的指标来 表征系统对环境造成 的影响。 影响评价主要针对生态平衡 、 人体健康 、 环境安全 、 资源或能源消耗等对象进行评 价分析。因此在进 行环境影响评价之前则应该根据 L C I 数据将上述 3种混凝土对环境的影响类型进行分类 ， 通常划分 为 7类 ， 见表 8 。 2 4 2 特征 化 特征化， 主要是要开发一种模型 ， 这种模型可 以将 L C I 提供 的数据和其他辅助数据 ， 转变成描述 环境影响的专用指标。目前 ， 国际上使用的特征化 模型主要有 3种 ： ( 1 ) 负荷模型 ； ( 2 ) 当量模型 ； ( 3 ) 固有化学特性模型 本文采用 当量模型 ， 这类模 型 使用 当量 系数来汇总 L C I 所提供的数据 ， 例如 ， 0 7 k g N O 相当于 1 k g S O ： 产生的环境酸化的潜力。 当量模型的前提是汇总的当量 系数可以用来度量 潜在的环境影响， 因此各环境指标都是以参照物的 总量表示 ， 可称为环境污染 当量数 ， 常见污染物对 应的环境影响当量见表 9 。 表 7 N C， R A C和 H P R A C的 L C I 数据 总汇 Ta b l e 7 T h e L C I d a t a o f NC， RA C a n d HP R AC 注： R A的运输考虑为生产当量 R A的废弃混凝土的运输， 更符合实际情况。 第5期 尹健， 等 ： 高性能再生混凝土环境协调性评价 2 3 表 8 混凝 土环境影响分类 Ta bl e 8 Co nc r e t e e n v i r o n me n t a l i mp a c t c a t e g o r i e s 环境影响类 别 环境负荷项 目 人体健康损害( H C A ) 资源消耗 ( A D P) 能源消耗 ( E D P ) 温室效应 ( G WP ) 富营养化( N P ) 光化学烟雾 ( P OC P ) 环境酸化( A P ) C O， S O 2 ， N O ， 烟尘 ， 粉尘 石灰石( 石灰石、 黏土、 石膏、 粗 细集料) 煤 、 电力 、 燃油 CO2， NO NO C H S O2， NO 并以此作为基础 ， 根据表 7的 L C I 数据可以计 算各混凝土的相关环境影响的当量数。其中， E D P 的计算可以参照表 3中的换算关系， 将电耗以及油 耗转换成相应的煤耗以后再进行当量数的计算。 由于表 9中没有固体废物的数据 ， 所以对于表 7中 的粉尘废物列中的固体废弃物考虑为0 ， 其他的则 按水泥生产产生的粉尘计算。 2 4 3标 准化 为实现最终结果的单一表示， 必须将各环境指 标的量纲统一化 ， 此时可以用某一种产品的环境污 染当量数与整个研究范围内相应环境污染总当量 的比值表示 ， 即为该产品的环境污染相对指数 ， 其计算公式如下： 环境污染相对指数 ： ( 1 ) 环境影响的世界当量总数见表 1 0 所示。 因此， 结合上述表 7 、 表9 表 1 0 ， 可以计算出 各组混凝土的相关环境影响和当量数， 并按式( 1 ) 可以计算出每种混凝土的污染相对指数， 计算结果 见表 1 1 。 表 9 常见 污染物对应 的环境影响 当量数 T a b l e 9 C o mmo n e n v i r o n me n t a l p o l l u t a n t s e q u i v ale n t n u mb e r o f c o r r e s p o n d i n g 环境影响 单位 世界污染 总当量 注： 世界污染总当量数是指全世界在 1 年内消耗的资源、 能源总量和污染物排放总量。 2 4 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 表 1 1 各混凝土相关环境影响 、 当量数及相对指数 Ta bl e 1 1 Co nc r e t e r e l e v a nt e n v i r o n me n t a l i mp a c t i n d i c a t o r s 2 4 4环境综合指数计算 在一种材料的生命周期里， 它不断地与环境发 生交流与联系， 从而对周围的环境产生各种影响， 除了资源、 能源的消耗以及三废的排放 以外 ， 还有 诸如酸雨气体效应 、 温室气体效应 、 电磁波污染 、 光 污染和有机挥发物等影响。然 而材料对环境 的每 一 种影响因素的计量单位以及重要程度都不尽相 同， 故为了实现量化， 使评价结果具有可比性 ， 通常 采用根据材料对环境影响的重要程度进行有关的 加权与分级。根据材料 L C A环境影响评估( I A) 方 法 ， 对混凝土 L C A评估 的环境综合指数 E可按下 式计算 ： 环境综合指数E= 环境污染相对指数 权重系数 i ( 2 ) 本文混凝土材料对环境影响的权重系数参考 文献 1 2 中的数据， 具体见表 1 2 。 按照式( 2 ) 以及表 1 1 表 1 2的数据可以计算 各组 昆 凝土 ( 1 m ) 的环境综合指数， 计算结果 如下 ： N C： E =1 4 2 9 31 0 年 ； R A C： E ：1 1 6 7 4 1 0 年 ； H P R A C： E = 1 0 4 6 0I O 。 年 。 从表 8混凝土的 L C I 数据可以看出， 混凝土中 使用再生骨料以及活性工业废渣可以明显降低混 凝土的环境负荷 ， 特别是在能源以及石灰石的消耗 方面。R A C 的 不 可 再 生 资源 消 耗 仅 为 N C 的 5 4 9 ， 而 H P R A C的不可再生资源消耗仅为 N C 的5 1 2 。从环境综合指数来看 ， 其大小依次为 ： H P R A CR A CN C 。H P R A C的综 合环境指数 为1 0 4 6 01 0 年， 其相 比 R A C降低 了1 1 6 ， 相比 N C降低了3 6 6 。这说明 ， 在 2 8 d龄期抗压 强度基本相同条件下 ， 再生混凝土环境负荷减小 ， 并且高性能再生混凝土减少更为明显。 3 结论 ( 1 ) 使用生命周期评价 ( L C A) 方法 可以很好 地对混凝土的制造过程中的环境影响进行评价； 环 境综合指标 E可 以作为定量评价不同材料对环境 影响的评价指标 ( 2 ) 环境综合指数 的研究结果表 明： 研究采 用的3种混凝土， 其环境综合指数 E的影响顺序 为 ： H P R A CR A CN C 。H P R A C的综合环境指数 E 为 1 0 4 6 01 0 年 ， 其 相 比 R A C 降 低 _r 1 1 6 ， 相比N C降低 了3 6 6 。这说明， 在 2 8 d 龄期抗压强度基本相同条件下， 再生混凝土环境负 荷降低明显 ， 而高性能再生混凝土则显著降低 _环 境负荷 。 第 5期 尹健， 等： 高性能再生混凝土环境协调性评价 参考文献 ： 1 L i m b a c h i y a M C， L e e l a w a t T， D h i r R K U s e o f r e c y c l e d c o n c r e t e a g g r e g a t e i n h i g hs t r e n g t h c o n c r e t e J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 0， 3 3： 5 7 4 5 8 0 2 Z u o T Y， N i e Z R P r o c e e d i n g o f t h e I n t e r n a t i o n al S y mp o s i u m o f En v i r o n me n t Co n s c i o u s Ma t e r i a l s E c o ma t e r i a l s C 3 9 t h A n n u a 1 C o n f e r e n c e o f Me t a l l u r g i s t s o f C I M， Ot t a wa， Ca na da， 2 00 0： 41 3 v a n d e n B e r g N W， D u t i l h C E B e g i n n i n g L C A： A d e t c h g u i d e t o e n v i r o n m e n t a l l i f e c i r c l e a s s e s s m e n t C Ma r y A n n C u r r a n En v i r o n me n t a l l i f e c i r c l e a s s e s s me n t C i n c i n n a t i ， Oh： T h e Mc Gr a wHi l l C o mp a n i e s ， 1 9 9 6 4 T e r r i e K B o g u s k i ， R o b e r t G H u n t ， J a me s M C h o l a k i s ， e t a1 L C A Me t h o d o l o g y C Ma ry A n n C u r r a n E n v i r o n - me n t a l l i f e c i r c l e a s s e s s me n t C i n c i n n a t i ， Oh： T h e Mc G r a w Hi l l Co mp a n i e s ， 1 9 9 6， 2 12 3 7 5 J 1 S 0 1 4 040 ，E n v i r o n m e n t al ma n a g e me n t l i f e c y c l e a s s e s s m e n t p r i n c i p l e s a n d f r a me w o r k s S 6 刘江龙 材料的环境影响评价 M 北京： 科学出版社， 2o o2 L I U J i a n g l o n g T h e e n v i r o n me n t a l i mp a c t a s s e s s me n t o f Ma t e r i a l M B e i j i n g ： S c i e n c e P r e s s ， 2 0 0 2 7 徐亦冬， 吴萍， 周士琼 粉煤灰再生混凝土生命周期 评价初探 J 混凝土， 2 0 0 4， ( 6 ) ： 2 93 2 XU Yi - d o n g，W U P i n g ，Z HOU S h i q i o n g P r e l i mi n a ry s t u d y o f l i f e c y c l e a s s e s s me n t o f r e c y c l e d c o n c r e t e c o n t a i n i n g f l y a s h J C o n c r e t e ， 2 0 0 4 ， ( 6 ) ： 2 9 3 2 8 万惠文 ， 水 中和， 林宗寿， 等 再生混凝土的环境评价 J 武汉理工大学学报， 2 0 0 3 ， 2 5 ( 4 ) ： 1 7 2 5 W AN Hu i we n ， S HUI Z h o n g h e ， L I N Z h o n g s h o u ， e t a 1 T h e e n v i r o n me n t al i mp a c t a s s e s s me n t o f ma t e r i alr e c y c l e d c o n c r e t e J J o u r n a l o f Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 2 0 0 3 ， 2 5 ( 4 ) ： 1 7 2 5 9 孔德玉 掺粉煤灰混凝上生命周期评价方法初探 J 浙江工业大学学报， 2 0 0 2 ， 3 0 ( 2 ) ： 1 7 21 7 7 KON G D e y u P r e l i mi n a ry s t u d y o f l i f e c y c l e a s s e s s me n t o f f l ya s h c o n c r e t e J J o u r n a l o f Z h e j i a n g U n i - v e r s i t y o f T e c h n o l o gy， 2 0 0 2 ， 3 0 ( 2 ) ： 1 7 21 7 7 1 0 沈旦申， 廖欣 粉煤灰混凝上的势能化 J 硅酸盐学 报 ， 1 9 9 9 ， 2 7 ( 2 ) ： 1 2 l 一1 2 6 S HEN Da n s h e n ， L I AO Xi n S t u d y o n t h e p o t e n t i a l o f fl y a s h c o n c r e t e J J o u r n a l o f t h e C h i n e s e C e r a mi c S o c i e t y ， 1 9 9 9 ， 2 7 ( 2 ) ： 1 2 11 2 6 1 1 王天民 生态环境材料 M 天津 ： 天津大学出版社， 2 0 00 WA N G T i a n m i n E c o ma t e r i a l s M T i a n j i n ： T i a n j i n Un i v e r s i t y P r e s s， 2 00 0 1 2 刘顺妮 水泥一混凝土体系环境影响评价及其应用研 究 D 武汉 ： 武汉理工大学， 2 0 0 2 L I U S h u n n i S t u d y o n t h e e n v i r o n me n t a l i mp a c t a s s e s s m e ri t a n d i m p r o v e me n t o f c e m e n t & c o n c r e t e s y s t e m D W u h a n：W u h a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy ，2 0 0 2