重復再生混凝土性能和環境影響研究

汪振雙,蘇昊林

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重復再生混凝土性能和環境影響研究

汪振雙1*,蘇昊林2

(1.東北財經大學投資工程管理學院,遼寧 大連 116023；2.上海交通大學土木工程系,上海 200240)

基于生命周期評價方法,考慮混凝土重復再生利用的環境影響分配,對重復再生混凝土的性能和環境影響進行研究,并基于功效系數法優化出混凝土最佳重復再生次數.研究結果表明,再生混凝土的坍落度,強度和電通量隨著重復再生循環次數的增加而下降,經3次重復再生后,混凝土28d立方體抗壓強度為33.3MPa,滿足設計要求,而坍落度和電通量與普通混凝土相比,分別減小和增大了38.9%和85.7%;混凝土材料的生態效率隨著混凝土重復再生次數的增加而提高,混凝土材料的GWP、CED和CMR的值均隨著混凝土重復再生次數的增加而降低,降低幅度從高到低依次為:CMR>GWP>CED;綜合考慮混凝土的坍落度,混凝土抗壓強度、電通量、GWP、CED和CMR等6個指標,4種混凝土配合比情景中,混凝土總功效系數從高到低依次為: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；生命周期評價；性能；環境影響；功效系數

水泥混凝土材料是當今世界消耗量最大的建筑材料.據統計[1],全球每年消耗約28億m3混凝土,我國大規模的基礎設施建設,每年的混凝土消耗量約為13~14億m3.混凝土的大量使用,消耗了大量的砂石資源.我國是世界上砂石集料產品最大的生產國和消費國,集料消耗數量驚人,每年砂石集料消耗量約200億t.此外,混凝土生產過程中所需要的水泥,在生產過程中兩磨一燒消耗大量的石灰石,黏土和煤炭資源,給環境和社會帶來了沉重的負擔.另一方面,隨著土木工程建設的加快,巨量的建筑垃圾隨之產生,我國每年因建筑活動而產生的建筑垃圾約有4000萬t[2].廢棄混凝土的清理、運輸、堆放和填埋過程中將會產生遺撒和粉塵等一系列環境問題,威脅到人類的身體健康,制約著城市的可持續發展.再生混凝土由于其吃渣納廢量大,已成為混凝土材料研究的熱點[3-6].目前,對于再生混凝土在技術方面的研究已經比較成熟,為再生混凝土的工程應用積累了大量的經驗[7-9],然而再生混凝土在使用過程中又帶來新的挑戰.再生混凝土面臨二次處理,形成二次廢棄混凝土.近年來,重復再生混凝土的研究開始得到混凝土學者的關注.研究發現,混凝土經過3次再生循環使用后,雖粗集料的性能有一定的劣化,但是配制混凝土的強度能達到設計要求[10].對一次再生和二次再生粗集料堆積密度、表觀密度、壓碎值指標和吸水率進行研究發現,與普通粗碎石相比,其物理性能都在降低[11].混凝土工程消耗量巨大,混凝土技術細微的改進都會產生巨大的經濟,環境和社會效益.以往學者的研究都是從技術的角度去分析重復再生混凝土工程應用的可行性.廢棄混凝土重復再生不應局限于力學性能和耐久性能,更應該關注廢棄混凝土重復再生利用的環境影響,實現混凝土循環開發利用和生態環境保護協調發展.目前,關于重復再生混凝土性能評價尚未考慮混凝土循環使用的環境影響分配,本文基于混凝土材料全生命周期評價方法,研究混凝土重復再生后的性能和環境影響,為混凝土材料的循環使用和廢棄處理提供參考.

1 混凝土生命周期評價

1.1 研究方法

依據ISO 14040[12],采用全生命周期評價方法,對重復再生混凝土環境影響進行評價.由于生命周期評價方法涉及的范圍廣泛,時間和空間的跨度較大.因此,本研究中重復再生混凝土的環境影響評價采用從搖籃到大門全生命周期評價方法.

1.2 確定邊界條件

本文的研究對象為重復再生混凝土,研究的功能單位為1m3混凝土.研究中重復再生混凝土是由普通混凝土經過破碎、加工等工藝過程制備一次再生混凝土,一次再生混凝土經過破碎、加工等工藝過程制備二次再生混凝土,二次再生混凝土經過破碎、加工等工藝過程制備三次再生混凝土.因此,研究的系統邊界應該包括天然集料、再生粗集料、水泥等原料生產和運輸過程及混凝土制造過程,具體如圖1所示.

圖1 重復再生混凝土系統邊界

1.3 清單的數據來源

表1 原材料環境影響清單

混凝土組成原材料的能耗只考慮混凝土材料的生產,包括原材料的生產、運輸和混凝土材料的生產.已有的研究表明,制備再生粗集料消耗的能耗和環境影響均要大于天然粗集料的生產過程,然而再生混凝土具有雙重屬性,它既是混凝土拆除后的廢棄物,又屬于混凝土生產過程中所需要的原材料.為了鼓勵和推廣再生混凝土的循環使用,在分析再生混凝土環境影響時,應對再生粗集料的環境影響進行分配[13].研究中參照章玉容計算結果[14],混凝土重復循環使用環境影響的分配系數為16.98%.研究假定1t水泥在生產過程中需要消耗1.3t石灰石,0.3t黏土和0.05t石膏[15].廢棄混凝土至建筑垃圾處理中心的距離為10km,建筑垃圾處理中心至填埋場的距離為10km,廢棄混凝土運輸至填埋場的平均距離為30km,重型柴油運輸汽車進行運輸,根據混凝土環境影響清單可計算出混凝土的環境影響,混凝土從混凝土攪拌站至施工現場的距離為20km[16].

1.4 影響評價

根據IPCC2007計算方法,用全球變暖潛能值(GWP)表示,將各種溫室氣體折算成相同效應的CO2的質量(tCO2-eq).此外,分別用累計能量消耗(CED)和基礎礦物材料的消耗(CMR)來表示混凝土材料在制備過程中能量消耗和基礎礦物材料的消耗.

1.5 原材料

水泥為P.O32.5普通硅酸鹽水泥,密度為3.15g/cm3;河砂,細度模數為2.56,級配合格;聚羧酸類高效減水劑,減水率為19.4%;普通自來水;玄武巖碎石,級配符合5~26.5mm連續級配要求.目前,國內外再生集料的制備工藝大同小異,利用破碎設備、傳送機械、篩分設備和清除雜質的設備完成破碎、篩分和去除雜質等工序.實驗室制備C30強度等級混凝土,180d后破碎和篩分,制備一次循環再生粗集料,符合5~26.5mm連續級配要求.利用其再配制C30強度等級混凝土,自然養護2個月后,進行破碎和篩分,制備二次循環再生粗集料,符合5~26.5mm連續級配要求.利用其再配制C30強度等級混凝土,自然養護2個月后,再進行破碎和篩分,制備3次循環再生粗集料,符合5~26.5mm連續級配要求,配制C30強度等級混凝土,實現混凝土多次循環使用.普通砂石和再生粗集料的表觀密度、壓碎指標和吸水率分別按照JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》[17]和 GB/T 25177-2010《混凝土用再生粗骨料》[18]的規定進行.砂石和再生粗集料的相關性能如表2所示.由表2可以看出,隨著再生粗集料循環使用次數的增加,與普通碎石粗集料相比,再生粗集料的表觀密度、壓碎指標和吸水率均隨著再生粗集料循環使用次數的增加而增大.

表2 集料的基本性質

1.6 混凝土的配合比

減水劑的摻量為水泥用量的1.75%,混凝土的設計強度等級為C30,混凝土的配合比如表3所示.研究中外加劑占水泥用量1.75%左右,考慮其用量對環境影響計算結果影響較小,研究中未將其納入混凝土環境影響的計算[19].

表3 混凝土的配合比

2 結果與分析

2.1 混凝土性能

本研究中混凝土的工作性,力學性能和耐久性分別按照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法》[20]、GB/T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法》[21]和ASTM C 1202[22]進行測試,測試混凝土拌合物的坍落度、28d立方體抗壓強度和混凝土電通量的試驗結果如表4所示.

表4 混凝土性能試驗結果

從表4的試驗結果中可以看出,在單位體積水泥用量和水用量不變的情況下,重復再生混凝土的性能與混凝土重復再生的次數有關,隨著混凝土重復再生循環使用次數的增加,混凝土的工作性,強度和耐久性都有一定幅度的劣化.可以看出,設計強度C30的3次再生混凝土其28d立方體抗壓強度為33.3MPa,達到了其設計要求.然而,其電通量與普通混凝土相比電通量增加的幅度達到了85.7%,重復再生混凝土其耐久性是影響其工程應用的瓶頸.與普通混凝土中粗集料碎石相比,再生粗集料的表觀密度、壓碎指標和吸水率均逐漸增大,再生粗集料在破碎加工過程中存在著微裂紋等原始缺陷,循環加工次數越多,缺陷就越多[4-5].再生粗集料裂紋等原始缺陷越多,再生粗集料表面砂漿附著量就越復雜,有的再生粗集料接近于獨立的砂漿塊,在混凝土中形成的多層砂漿界面過渡區會導致混凝土強度和耐久性的下降.

2.2 混凝土生態效率

生態效率指的是企業、行業或經濟體提供商品和服務的產出與其投入的資源、能源的比值,可以表示企業、行業或經濟體的資源、能源利用及所造成的壓力[23].參照生態效率的定義,混凝土材料的生態效率可表示為:

EE=/total(1)

式中:EE為混凝土材料的生態效率;為單位數量混凝土材料產品,m3;total為單位數量混凝土材料生產過程中的總能耗,MJ.

表5 混凝土材料的生態效率

混凝土材料的生態效率計算結果如表5所示.混凝土生態效率從高到低依次為: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.再生混凝土的生態效率高于普通混凝土,說明混凝土重復利用能夠有效提高混凝土材料的生態效率和較低的生產能耗.為了實現混凝土材料的可持續發展和提高混凝土材料的生態效率,應逐步擴大和推廣再生混凝土的使用,加大混凝土的重復利用次數.在混凝土單位體積水泥和水用量不變的情況下,與普通混凝土相比,重復再生混凝土具有較高的生態效率歸咎于再生粗集料的循環使用.混凝土的重復再生利用還間接減少了建筑垃圾堆積和填埋產生的其他環境危害.因此,混凝土材料的工程應用不僅要關注其生產過程中消耗的能耗,還更應關注其在服役過程中的性能和環境影響.因此,混凝土材料在重復再生推廣使用的過程中應進行科學合理的分析和規劃,在保障其在服役過程中安全性的前提下,提高混凝土生態效率.

2.3 混凝土環境影響評價

根據IPCC2007計算方法,1m3混凝土環境影響的GWP、CED和CMR計算結果如表6所示.可以看出,隨著再生混凝土重復再生循環使用次數的增加,混凝土的GWP、CED和CMR的值均有一定幅度的降低,降低幅度從高到低依次為:CMR>GWP> CED.需要指出的是,混凝土的重復再生在GWP和CED兩方面的環境收益有限.在混凝土的組成原材料當中,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,應降低水泥用量.與GWP和CED相比,CMR的消耗量節省的更明顯,這是由于再生粗集料替代了天然碎石,大大降低了天然碎石資源的消耗量.因此,為了降低混凝土材料在工程應用過程中環境影響,應通過技術創新,降低水泥生產過程中的環境負荷,加大混凝土重復再生利用.

表6 混凝土的環境影響

2.4 混凝土重復再生次數的優化

混凝土材料的重復再生可以降低其環境影響,然而再生粗集料的性能會隨著重復再生使用次數的增加而有所下降,進而影響再生混凝土的性能.從混凝土的性能和環境影響中無法直接找出混凝土最佳重復再生次數.因此,利用混凝土的坍落度、混凝土抗壓強度、電通量、GWP、CED和CMR,構建重復再生混凝土性能評價指標體系,利用功效系數法優化混凝土重復再生使用次數.功效系數法是依據多目標規劃原理而建立的一種評價方法[24].

2.4.1 指標標準化處理 考慮到各評價指標單位差異導致不可比,按照公式(2)對指標數據進行標準化處理[25]:

2.4.2 確定指標權重 采用客觀賦權法中的變異系數法確定權重[24],計算結果如表7所示.

表7 指標權重系數

2.4.3 混凝土重復再生循環使用次數的優化 混凝土材料的功效系數如圖2所示.以1、2、3、4、5和6分別表示混凝土的坍落度、混凝土抗壓強度、電通量、GWP、CED和CMR6個指標的功效函數,為混凝土材料的總功效系數.

從圖2的計算結果中可以看出,4種混凝土配合比情景中,混凝土總功效系數從高到低依次為: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.混凝土重復再生使用一次其功效系數最大,混凝土的性能和環境影響達到最優.混凝土重復再生雖然提高了混凝土的生態效率,但卻影響了混凝土的性能.水泥在生產過程中消耗大量的資源和能源,并排放較多的污染物[26].因此,降低混凝土的環境影響應降低單位體積中水泥的用量,加大摻合料和外加劑的使用[4].此外,混凝土重復再生循環使用過程中再生粗集料因其表面附著的砂漿和加工過程中存在的微裂紋,降低再生粗集料的性能.工程應用中,可以采用顆粒整形方法,加大對再生粗集料性能的改進,滿足混凝土重復再生使用的性能要求[27-28].

從圖2的計算結果中可以看出,4種混凝土配合比情景中,混凝土總功效系數從高到低依次為: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.混凝土重復再生使用一次其功效系數最大,混凝土的性能和環境影響達到最優.混凝土重復再生雖然提高了混凝土的生態效率,但卻影響了混凝土的性能.水泥在生產過程中消耗大量的資源和能源,并排放較多的污染物[26].因此,降低混凝土的環境影響應降低單位體積中水泥的用量,加大摻合料和外加劑的使用[4].此外,混凝土重復再生循環使用過程中再生粗集料因其表面附著的砂漿和加工過程中存在的微裂紋,降低再生粗集料的性能.工程應用中,可以采用顆粒整形方法,加大對再生粗集料性能的改進,滿足混凝土重復再生使用的性能要求[27-28].

圖2 功效函數計算結果

2.4.4 敏感性分析 敏感性分析是找出因素發生增減變化時,對評價結果的沖擊程度[29].本文僅研究4種混凝土配合比情境中功效系數最大的一次再生混凝土功效系數相關的影響因素.

在功效系數法計算過程中,指標權重的確定對計算結果影響較大.因此,選定6個評價指標的權重坍落度(1)、抗壓強度(2)、電通量(3)、GWP(4)、CED(5)和CMR(6),考察其變化對一次再生混凝土功效系數計算結果的影響,結果如圖3所示.

由圖3可知,影響一次再生混凝土功效系數的各敏感因素排序是2>1>5>4>3>6.其中,抗壓強度(2)的敏感程度最高,坍落度(1)次之, CMR(6)的取值對功效系數的影響最小.降低評價指標的權重,可以提高一次再生混凝土的功效系數.權重的確定是功效函數法評價的關鍵.本研究中,權重指標的取值采用客觀賦權法中的變異系數方法,然而綠色高性能混凝土在工程應用過程中對混凝土性能的要求因工程而異,專家學者的經驗尤為重要[30].因此,后續研究中應采用組合賦權法確定評價指標的權重,更能科學合理的評價混凝土的性能和環境影響.

圖3 功效函數敏感性分析

3 結論

3.1 混凝土的坍落度,方體抗壓強度和電通量隨著混凝土重復再生循環次數的增加而有所下降,經3次重復再生后,混凝土其28d立方體抗壓強度為33.3MPa,滿足設計要求,而新拌混凝土的坍落度和硬化混凝土的電通量與普通混凝土相比減小和增大的幅度分別達到了38.9%和85.7%.

3.2 混凝土材料生態效率從高到低依次為: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.與普通混凝土相比,混凝土重復再生能夠有效提高混凝土材料的生態效率,混凝土材料的生態效率隨著混凝土重復再生次數的增加而提高.

3.3 普通混凝土的GWP、CED和CMR分別為348.1kg、1547.21MJ和2694.35kg;一次再生混凝土的GWP、CED和CMR分別為338.2kg、1524.525MJ和1561.35kg;二次再生混凝土的GWP、CED和CMR分別為335.6kg、1519.134MJ和1551.35kg;三次再生混凝土的GWP、CED和CMR分別為334.8kg、1516.292MJ和1536.35kg.混凝土材料的GWP、CED和CMR的值均隨著混凝土重復再生次數的增加而降低,降低幅度從高到低依次為:CMR> GWP>CED.

3.4 綜合考慮混凝土的坍落度、混凝土抗壓強度、電通量、GWP、CED和CMR等6個指標,4種混凝土配合比情景中,混凝土總功效系數從高到低依次為: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

汪振雙(1982-),男,遼寧岫巖人,講師,博士,主要從事工程可持續發展研究.發表論文60余篇.

2018-06-20

遼寧省社科基金資助項目(L17BGL045)

* 責任作者, 講師, zswang@dufe.edu.cn