重复再生混凝土性能和环境影响研究

汪振双,苏昊林



重复再生混凝土性能和环境影响研究

汪振双1*,苏昊林2

(1.东北财经大学投资工程管理学院,辽宁 大连 116023；2.上海交通大学土木工程系,上海 200240)

基于生命周期评价方法,考虑混凝土重复再生利用的环境影响分配,对重复再生混凝土的性能和环境影响进行研究,并基于功效系数法优化出混凝土最佳重复再生次数.研究结果表明,再生混凝土的坍落度,强度和电通量随着重复再生循环次数的增加而下降,经3次重复再生后,混凝土28d立方体抗压强度为33.3MPa,满足设计要求,而坍落度和电通量与普通混凝土相比,分别减小和增大了38.9%和85.7%;混凝土材料的生态效率随着混凝土重复再生次数的增加而提高,混凝土材料的GWP、CED和CMR的值均随着混凝土重复再生次数的增加而降低,降低幅度从高到低依次为:CMR>GWP>CED;综合考虑混凝土的坍落度,混凝土抗压强度、电通量、GWP、CED和CMR等6个指标,4种混凝土配合比情景中,混凝土总功效系数从高到低依次为:一次再生混凝土>二次再生混凝土>三次再生混凝土>普通混凝土.

再生混凝土；生命周期评价；性能；环境影响；功效系数

水泥混凝土材料是当今世界消耗量最大的建筑材料.据统计[1],全球每年消耗约28亿m3混凝土,我国大规模的基础设施建设,每年的混凝土消耗量约为13~14亿m3.混凝土的大量使用,消耗了大量的砂石资源.我国是世界上砂石集料产品最大的生产国和消费国,集料消耗数量惊人,每年砂石集料消耗量约200亿t.此外,混凝土生产过程中所需要的水泥,在生产过程中两磨一烧消耗大量的石灰石,黏土和煤炭资源,给环境和社会带来了沉重的负担.另一方面,随着土木工程建设的加快,巨量的建筑垃圾随之产生,我国每年因建筑活动而产生的建筑垃圾约有4000万t[2].废弃混凝土的清理、运输、堆放和填埋过程中将会产生遗撒和粉尘等一系列环境问题,威胁到人类的身体健康,制约着城市的可持续发展.再生混凝土由于其吃渣纳废量大,已成为混凝土材料研究的热点[3-6].目前,对于再生混凝土在技术方面的研究已经比较成熟,为再生混凝土的工程应用积累了大量的经验[7-9],然而再生混凝土在使用过程中又带来新的挑战.再生混凝土面临二次处理,形成二次废弃混凝土.近年来,重复再生混凝土的研究开始得到混凝土学者的关注.研究发现,混凝土经过3次再生循环使用后,虽粗集料的性能有一定的劣化,但是配制混凝土的强度能达到设计要求[10].对一次再生和二次再生粗集料堆积密度、表观密度、压碎值指标和吸水率进行研究发现,与普通粗碎石相比,其物理性能都在降低[11].混凝土工程消耗量巨大,混凝土技术细微的改进都会产生巨大的经济,环境和社会效益.以往学者的研究都是从技术的角度去分析重复再生混凝土工程应用的可行性.废弃混凝土重复再生不应局限于力学性能和耐久性能,更应该关注废弃混凝土重复再生利用的环境影响,实现混凝土循环开发利用和生态环境保护协调发展.目前,关于重复再生混凝土性能评价尚未考虑混凝土循环使用的环境影响分配,本文基于混凝土材料全生命周期评价方法,研究混凝土重复再生后的性能和环境影响,为混凝土材料的循环使用和废弃处理提供参考.

1 混凝土生命周期评价

1.1 研究方法

依据ISO 14040[12],采用全生命周期评价方法,对重复再生混凝土环境影响进行评价.由于生命周期评价方法涉及的范围广泛,时间和空间的跨度较大.因此,本研究中重复再生混凝土的环境影响评价采用从摇篮到大门全生命周期评价方法.

1.2 确定边界条件

本文的研究对象为重复再生混凝土,研究的功能单位为1m3混凝土.研究中重复再生混凝土是由普通混凝土经过破碎、加工等工艺过程制备一次再生混凝土,一次再生混凝土经过破碎、加工等工艺过程制备二次再生混凝土,二次再生混凝土经过破碎、加工等工艺过程制备三次再生混凝土.因此,研究的系统边界应该包括天然集料、再生粗集料、水泥等原料生产和运输过程及混凝土制造过程,具体如图1所示.

图1 重复再生混凝土系统边界

1.3 清单的数据来源

表1 原材料环境影响清单

混凝土组成原材料的能耗只考虑混凝土材料的生产,包括原材料的生产、运输和混凝土材料的生产.已有的研究表明,制备再生粗集料消耗的能耗和环境影响均要大于天然粗集料的生产过程,然而再生混凝土具有双重属性,它既是混凝土拆除后的废弃物,又属于混凝土生产过程中所需要的原材料.为了鼓励和推广再生混凝土的循环使用,在分析再生混凝土环境影响时,应对再生粗集料的环境影响进行分配[13].研究中参照章玉容计算结果[14],混凝土重复循环使用环境影响的分配系数为16.98%.研究假定1t水泥在生产过程中需要消耗1.3t石灰石,0.3t黏土和0.05t石膏[15].废弃混凝土至建筑垃圾处理中心的距离为10km,建筑垃圾处理中心至填埋场的距离为10km,废弃混凝土运输至填埋场的平均距离为30km,重型柴油运输汽车进行运输,根据混凝土环境影响清单可计算出混凝土的环境影响,混凝土从混凝土搅拌站至施工现场的距离为20km[16].

1.4 影响评价

根据IPCC2007计算方法,用全球变暖潜能值(GWP)表示,将各种温室气体折算成相同效应的CO2的质量(tCO2-eq).此外,分别用累计能量消耗(CED)和基础矿物材料的消耗(CMR)来表示混凝土材料在制备过程中能量消耗和基础矿物材料的消耗.

1.5 原材料

水泥为P.O32.5普通硅酸盐水泥,密度为3.15g/cm3;河砂,细度模数为2.56,级配合格;聚羧酸类高效减水剂,减水率为19.4%;普通自来水;玄武岩碎石,级配符合5~26.5mm连续级配要求.目前,国内外再生集料的制备工艺大同小异,利用破碎设备、传送机械、筛分设备和清除杂质的设备完成破碎、筛分和去除杂质等工序.实验室制备C30强度等级混凝土,180d后破碎和筛分,制备一次循环再生粗集料,符合5~26.5mm连续级配要求.利用其再配制C30强度等级混凝土,自然养护2个月后,进行破碎和筛分,制备二次循环再生粗集料,符合5~26.5mm连续级配要求.利用其再配制C30强度等级混凝土,自然养护2个月后,再进行破碎和筛分,制备3次循环再生粗集料,符合5~26.5mm连续级配要求,配制C30强度等级混凝土,实现混凝土多次循环使用.普通砂石和再生粗集料的表观密度、压碎指标和吸水率分别按照JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》[17]和 GB/T 25177-2010《混凝土用再生粗骨料》[18]的规定进行.砂石和再生粗集料的相关性能如表2所示.由表2可以看出,随着再生粗集料循环使用次数的增加,与普通碎石粗集料相比,再生粗集料的表观密度、压碎指标和吸水率均随着再生粗集料循环使用次数的增加而增大.

表2 集料的基本性质

1.6 混凝土的配合比

减水剂的掺量为水泥用量的1.75%,混凝土的设计强度等级为C30,混凝土的配合比如表3所示.研究中外加剂占水泥用量1.75%左右,考虑其用量对环境影响计算结果影响较小,研究中未将其纳入混凝土环境影响的计算[19].

表3 混凝土的配合比

2 结果与分析

2.1 混凝土性能

本研究中混凝土的工作性,力学性能和耐久性分别按照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法》[20]、GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法》[21]和ASTM C 1202[22]进行测试,测试混凝土拌合物的坍落度、28d立方体抗压强度和混凝土电通量的试验结果如表4所示.

表4 混凝土性能试验结果

从表4的试验结果中可以看出,在单位体积水泥用量和水用量不变的情况下,重复再生混凝土的性能与混凝土重复再生的次数有关,随着混凝土重复再生循环使用次数的增加,混凝土的工作性,强度和耐久性都有一定幅度的劣化.可以看出,设计强度C30的3次再生混凝土其28d立方体抗压强度为33.3MPa,达到了其设计要求.然而,其电通量与普通混凝土相比电通量增加的幅度达到了85.7%,重复再生混凝土其耐久性是影响其工程应用的瓶颈.与普通混凝土中粗集料碎石相比,再生粗集料的表观密度、压碎指标和吸水率均逐渐增大,再生粗集料在破碎加工过程中存在着微裂纹等原始缺陷,循环加工次数越多,缺陷就越多[4-5].再生粗集料裂纹等原始缺陷越多,再生粗集料表面砂浆附着量就越复杂,有的再生粗集料接近于独立的砂浆块,在混凝土中形成的多层砂浆界面过渡区会导致混凝土强度和耐久性的下降.

2.2 混凝土生态效率

生态效率指的是企业、行业或经济体提供商品和服务的产出与其投入的资源、能源的比值,可以表示企业、行业或经济体的资源、能源利用及所造成的压力[23].参照生态效率的定义,混凝土材料的生态效率可表示为:

EE=/total(1)

式中:EE为混凝土材料的生态效率;为单位数量混凝土材料产品,m3;total为单位数量混凝土材料生产过程中的总能耗,MJ.

表5 混凝土材料的生态效率

混凝土材料的生态效率计算结果如表5所示.混凝土生态效率从高到低依次为:三次再生混凝土煤>二次再生混凝土>一次再生混凝土>普通混凝土.再生混凝土的生态效率高于普通混凝土,说明混凝土重复利用能够有效提高混凝土材料的生态效率和较低的生产能耗.为了实现混凝土材料的可持续发展和提高混凝土材料的生态效率,应逐步扩大和推广再生混凝土的使用,加大混凝土的重复利用次数.在混凝土单位体积水泥和水用量不变的情况下,与普通混凝土相比,重复再生混凝土具有较高的生态效率归咎于再生粗集料的循环使用.混凝土的重复再生利用还间接减少了建筑垃圾堆积和填埋产生的其他环境危害.因此,混凝土材料的工程应用不仅要关注其生产过程中消耗的能耗,还更应关注其在服役过程中的性能和环境影响.因此,混凝土材料在重复再生推广使用的过程中应进行科学合理的分析和规划,在保障其在服役过程中安全性的前提下,提高混凝土生态效率.

2.3 混凝土环境影响评价

根据IPCC2007计算方法,1m3混凝土环境影响的GWP、CED和CMR计算结果如表6所示.可以看出,随着再生混凝土重复再生循环使用次数的增加,混凝土的GWP、CED和CMR的值均有一定幅度的降低,降低幅度从高到低依次为:CMR>GWP> CED.需要指出的是,混凝土的重复再生在GWP和CED两方面的环境收益有限.在混凝土的组成原材料当中,水泥GWP的排放量和CED消耗量是最大的.因此,要降低混凝土的GWP和CED,应降低水泥用量.与GWP和CED相比,CMR的消耗量节省的更明显,这是由于再生粗集料替代了天然碎石,大大降低了天然碎石资源的消耗量.因此,为了降低混凝土材料在工程应用过程中环境影响,应通过技术创新,降低水泥生产过程中的环境负荷,加大混凝土重复再生利用.

表6 混凝土的环境影响

2.4 混凝土重复再生次数的优化

混凝土材料的重复再生可以降低其环境影响,然而再生粗集料的性能会随着重复再生使用次数的增加而有所下降,进而影响再生混凝土的性能.从混凝土的性能和环境影响中无法直接找出混凝土最佳重复再生次数.因此,利用混凝土的坍落度、混凝土抗压强度、电通量、GWP、CED和CMR,构建重复再生混凝土性能评价指标体系,利用功效系数法优化混凝土重复再生使用次数.功效系数法是依据多目标规划原理而建立的一种评价方法[24].

2.4.1 指标标准化处理 考虑到各评价指标单位差异导致不可比,按照公式(2)对指标数据进行标准化处理[25]:

2.4.2 确定指标权重 采用客观赋权法中的变异系数法确定权重[24],计算结果如表7所示.

表7 指标权重系数

2.4.3 混凝土重复再生循环使用次数的优化 混凝土材料的功效系数如图2所示.以1、2、3、4、5和6分别表示混凝土的坍落度、混凝土抗压强度、电通量、GWP、CED和CMR6个指标的功效函数,为混凝土材料的总功效系数.

从图2的计算结果中可以看出,4种混凝土配合比情景中,混凝土总功效系数从高到低依次为:一次再生混凝土>二次再生混凝土>三次再生混凝土>普通混凝土.混凝土重复再生使用一次其功效系数最大,混凝土的性能和环境影响达到最优.混凝土重复再生虽然提高了混凝土的生态效率,但却影响了混凝土的性能.水泥在生产过程中消耗大量的资源和能源,并排放较多的污染物[26].因此,降低混凝土的环境影响应降低单位体积中水泥的用量,加大掺合料和外加剂的使用[4].此外,混凝土重复再生循环使用过程中再生粗集料因其表面附着的砂浆和加工过程中存在的微裂纹,降低再生粗集料的性能.工程应用中,可以采用颗粒整形方法,加大对再生粗集料性能的改进,满足混凝土重复再生使用的性能要求[27-28].

从图2的计算结果中可以看出,4种混凝土配合比情景中,混凝土总功效系数从高到低依次为:一次再生混凝土>二次再生混凝土>三次再生混凝土>普通混凝土.混凝土重复再生使用一次其功效系数最大,混凝土的性能和环境影响达到最优.混凝土重复再生虽然提高了混凝土的生态效率,但却影响了混凝土的性能.水泥在生产过程中消耗大量的资源和能源,并排放较多的污染物[26].因此,降低混凝土的环境影响应降低单位体积中水泥的用量,加大掺合料和外加剂的使用[4].此外,混凝土重复再生循环使用过程中再生粗集料因其表面附着的砂浆和加工过程中存在的微裂纹,降低再生粗集料的性能.工程应用中,可以采用颗粒整形方法,加大对再生粗集料性能的改进,满足混凝土重复再生使用的性能要求[27-28].

图2 功效函数计算结果

2.4.4 敏感性分析 敏感性分析是找出因素发生增减变化时,对评价结果的冲击程度[29].本文仅研究4种混凝土配合比情境中功效系数最大的一次再生混凝土功效系数相关的影响因素.

在功效系数法计算过程中,指标权重的确定对计算结果影响较大.因此,选定6个评价指标的权重坍落度(1)、抗压强度(2)、电通量(3)、GWP(4)、CED(5)和CMR(6),考察其变化对一次再生混凝土功效系数计算结果的影响,结果如图3所示.

由图3可知,影响一次再生混凝土功效系数的各敏感因素排序是2>1>5>4>3>6.其中,抗压强度(2)的敏感程度最高,坍落度(1)次之, CMR(6)的取值对功效系数的影响最小.降低评价指标的权重,可以提高一次再生混凝土的功效系数.权重的确定是功效函数法评价的关键.本研究中,权重指标的取值采用客观赋权法中的变异系数方法,然而绿色高性能混凝土在工程应用过程中对混凝土性能的要求因工程而异,专家学者的经验尤为重要[30].因此,后续研究中应采用组合赋权法确定评价指标的权重,更能科学合理的评价混凝土的性能和环境影响.

图3 功效函数敏感性分析

3 结论

3.1 混凝土的坍落度,方体抗压强度和电通量随着混凝土重复再生循环次数的增加而有所下降,经3次重复再生后,混凝土其28d立方体抗压强度为33.3MPa,满足设计要求,而新拌混凝土的坍落度和硬化混凝土的电通量与普通混凝土相比减小和增大的幅度分别达到了38.9%和85.7%.

3.2 混凝土材料生态效率从高到低依次为:三次再生混凝土煤>二次再生混凝土>一次再生混凝土>普通混凝土.与普通混凝土相比,混凝土重复再生能够有效提高混凝土材料的生态效率,混凝土材料的生态效率随着混凝土重复再生次数的增加而提高.

3.3 普通混凝土的GWP、CED和CMR分别为348.1kg、1547.21MJ和2694.35kg;一次再生混凝土的GWP、CED和CMR分别为338.2kg、1524.525MJ和1561.35kg;二次再生混凝土的GWP、CED和CMR分别为335.6kg、1519.134MJ和1551.35kg;三次再生混凝土的GWP、CED和CMR分别为334.8kg、1516.292MJ和1536.35kg.混凝土材料的GWP、CED和CMR的值均随着混凝土重复再生次数的增加而降低,降低幅度从高到低依次为:CMR> GWP>CED.

3.4 综合考虑混凝土的坍落度、混凝土抗压强度、电通量、GWP、CED和CMR等6个指标,4种混凝土配合比情景中,混凝土总功效系数从高到低依次为:一次再生混凝土>二次再生混凝土>三次再生混凝土>普通混凝土.

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Properties and environmental impacts on repeated recycled aggregate concrete.

WANG Zhen-shuang1*, SU Hao-lin2

(1.School of Investment & Construction Management, Dongbei University of Finance and Economics, Dalian 116023, China；2.School of Naval Architecture, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)., 2018, 38(10)：3801~3807

According to the cradle-to-gate life cycle evaluation method and taking into account the environmental impact distribution of concrete recycling, this research studies on properties and environmental impacts of repeated recycled aggregate concrete, and the optimum number of repeated regeneration of concrete is optimized on efficiency function method. The results concluded that, the slump, strength and electric flux decreased with cycles of repeated regeneration of concrete increasing, the 28d compressive strength 33.3MPa after 3repeated cycles, which arrived the design strength requirements. Compared with ordinary concrete, the slump decreased by 38.9% and electric flux increased by 85.7%, respectively; The ecological efficiency of concrete material increases with the repeated cycles increasing, the values of GWP, CED, and CMR of concrete materials are reduced with the increase of the repeated cycles increasing, The reduction variation from high to low is: CMR > GWP > CED; Taking into account the slump, the compressive strength, the electrical flux, the GWP, the CED, and the CMR in four concrete mix scenarios, the total efficiency coefficient of concrete from high to low is: the first generation recycled concrete > the second generation recycled concrete > the third generation recycled concrete > ordinary concrete.

recycled aggregate concrete；life cycle assessment；property；environmental impacts；efficacy coefficient

X32

A

1000-6923(2018)10-3801-07

汪振双(1982-),男,辽宁岫岩人,讲师,博士,主要从事工程可持续发展研究.发表论文60余篇.

2018-06-20

辽宁省社科基金资助项目(L17BGL045)

* 责任作者, 讲师, zswang@dufe.edu.cn