混凝土CO2排放計算和評價的研究進展

岑曉倩,張亞慶

(凱里學院，貴州 凱里 556011)

1 引言

由于碳排放是引起溫室效應的主要原因，建筑業的碳排放在全球總碳排放中接近50%，低碳建筑已成為時代發展的趨勢。混凝土是建筑業最常用的建筑材料之一[1]，混凝土生產過程從生產水泥、骨料、外加劑等材料階段到制造階段，均會排放大量的CO2，尤其是水泥生產過程中的二氧化碳排放對環境的影響是最大，這些二氧化碳排放主要由于煤礦生產和運輸、 化石燃料燃燒的間接排放以及碳酸鈣(CaCO3)煅燒到氧化鈣(CaO)的直接排放造成的，混凝土排放量占建筑總排放量的82%。隨著中國城市化建設的發展，混凝土產量也在逐年增加，其碳排放占全國CO2排放總量的18%～22%。因此，減少混凝土二氧化碳排放量是非常有必要的。

對于混凝土生產過程中CO2的排放量進行評估國內外學者做了大量研究，但側重點各有不同[2]。主要分為一種混凝土碳排放研究和不同類型的混凝土碳排放的研究，主要強調混凝土生產過程的碳排放研究和如何減少混凝土的碳排放。混凝土的環境負擔并不局限于某一特定生命周期階段的二氧化碳排放，在評估混凝土生產過程的環境影響時，重要的是要關注材料的整個生命周期。為了減少與典型混凝土生產有關的負面影響，水泥和混凝土行業在過去幾十年里一直致力于增加替代水泥的膠凝材料[3]，主要是工業副產品，從而使一種混凝土具有相同的性能，但對環境的影響更低[4]。 本研究圍繞混凝土碳排放計算和混凝土碳排放評價進行了分析，以期為減少混凝土碳排放進一步研究和應用提供參考。

2 混凝土碳排放計算的研究進展

2.1 從生產過程的角度來計算

在地理信息系統的研究基礎上，Hughes[5]提出了可以篩選不同的材料運輸路線來優化因為運輸而產生的不必要的碳排放。在此基礎上，Radlinski[6]提出了更加系統的全環節碳排放足跡，包括混凝土原材料加工，成品生產、運輸，混凝土結構設計、施工、使用及維護等，只不過在碳排放計算環節并未給出具體的計算方案。在國內，高育新等[7]也進行了相關研究，在沒有計算原材料運輸環節，只計算了原材料的添加以及混凝土加工和運輸的碳排放，得出了C30砼碳排放量平均值為187.9 kg/m3。Flower and Sanjayan[8]對混凝土生產過程的碳排放進行了計算。García-Segura 等[9]從“搖籃到墳墓”對混凝土CO2進行計算，考慮了碳化和耐久性的因素，將拆除的混凝土碾碎并填充材料回收，碳化可以減少一半的二氧化碳排放量。一些學者從混凝土的生產環節來研究，如孫楠楠[10]從運輸及碳化對生命周期碳排放的影響研究(表1)。

表1 文獻給出的混凝土不同階段碳排放的研究

通過表1可以得出，研究目的不同，各研究學者對混凝土碳排放的研究階段也是不同的，主要包括混凝土原材料生產階段、混凝土原材料運輸階段、混凝土生產階段、混凝土使用階段和混凝土維護拆除階段。研究范圍差異取決于混凝土是作為建筑材料還是作為建筑物的構件。

2.2 不同類型混凝土碳排放的計算

為了減少與典型混凝土生產有關的負面影響，水泥和混凝土行業在過去幾十年里一直致力于增加替代水泥的膠凝材料，主要是工業副產品，從而使一種混凝土具有相同的性能，但對環境的影響更低。例如粉煤灰(Fly Ash,FA)和高爐礦渣(Ground-Granulated Blast Furnace Slag，GGBFS)。工業副產品在混凝土中的使用被認為是“混凝土工業綠化”的一個重要因素。近年來，隨著粉煤灰的加入，混凝土對環境影響的研究越來越多。而之前的研究已經證實，用粉煤灰和高爐礦渣代替水泥可以減少混凝土中二氧化碳的排放。

圖1 不同類型混凝土碳排放的計算(數據來源于文獻[23～28])

2.3 摻和物混凝土的碳排放

混凝土的主要環境影響來自于水泥生產過程中煅燒和碾磨過程排放的二氧化碳，降低水泥熟料摻量可能對混凝土環境生命周期評價產生積極影響。一些學者從混凝土水泥替代摻和料來分析對碳排放的影響，如輔助膠凝材料(粉煤灰、礦渣和硅粉)對混凝土碳排放的影響(Yang[17]，García -Segura[9])，詳見圖2。粉煤灰作為水泥的替代品，雖然會降低混凝土的強度發展速度，但可以提高混凝土的強度和耐久性，以及減少溫室氣體的影響。在預制混凝土中使用粉煤灰替代18%的硅酸鹽水泥，從而減少25%的溫室氣體排放[18]。另外一種常用的輔助膠凝材料是高爐生鐵的副產品—高爐礦渣，它是在生鐵的生產過程中，通過與爐渣、爐渣和雜質的反應而從生鐵中分離出來的。Crossin[19]指出在不限制磨粒高爐礦渣(Ground-Granulated Blast Furnace Slag，GGBFS)供應的情況下，給定的GGBFS混凝土混合料的溫室效應減排量約為47.5%。Purnell 和 Black[20]研究水泥替代物和骨料形狀對碳排放的影響。

通過圖2，可以得出，輔助膠凝材料代替水泥都能減少混凝土的碳排放，因為混凝土的水泥量減少。但是不同摻和料對混凝土碳排放的影響是不同的，這與摻和料本身的特性及生產過程有關；同一種摻和料對混凝土碳排放的影響也是不同，這是因為不同研究者選擇研究對象不同，如選擇混凝土的強度來比較，同一摻和料的摻量不一樣，還有計算碳排放的生命周期范圍不一樣。

圖2 不同輔助膠凝材料對混凝土碳排放的影響(數據來源于文獻[10～20])

3 混凝土碳排放評價的研究進展

3.1 混凝土碳排放評價模型

總的來說，混凝土生產過程的二氧化碳排放分為兩類：一類是簡單地從原材料中提取的碳化合物，在制造過程中轉化為二氧化碳，被稱為“原材料CO2”，而另一類是由燃燒化石燃料產生的二氧化碳則是驅動制造過程所必需的，通常被稱為“燃料衍生二氧化碳”。前者比后者更容易預測，因為人們通常非常精確地知道原材料和產品的成分。適當了解和認識建筑材料的內含能源含量，不僅可以鼓勵使用低內嵌能源材料的生產和開發，而且可以鼓勵建筑設計和工業優先使用這些材料，以限制能源的使用和二氧化碳的排放。

通過表 2，可以得出，完全針對混凝土建立碳排放評價模型的研究還是比較少的，較多的學者是以建筑物作為研究對象，并且評價模型往往把碳排放和成本共同進行研究。這些模型的機理一般分為四類：第一類是生命周期評價法；第二類是基于生命評價法開發的軟件，如BEE, BEES等；第三類是數學模型，如遺傳算法、灰色系統等；第四類就是前面三類的相互結合，如遺傳算法和生命周期評價法的結合。

表2 文獻給出的混凝土碳排放評價模型的研究

3.2 基于LCA的碳排放評價方法

我國常用的建筑材料CO2排放計算方法有實測法、質量平衡法、碳排放因子法和生命周期評價法(Life Cycle Assessment，LCA)。實際測量法和質量平衡法雖然科學、準確，但對設備或技術要求較高；政府間氣候變化專門委員會(IPCC)推薦的碳排放因子法雖然方便，但也有其局限性，如不同排放因子來源的數據差異較大[31,32]。現有研究成果表明，基于生命周期評價法對建筑材料CO2排放進行計算是一種更合適的方法。這4種CO2排放計算方法的優缺點具體見表3。

表3 建筑材料碳排放計算不同方法的比較

LCA方法已被發現是一種極好的工具，用于比較不同混凝土混合物的情況，以尋找最佳摻量的替代礦物摻合料，尋求最低的環境影響。20世紀90年代，生命周期評價的概念首次由國際環境毒理學和化學學會(SETAC)提出，它是一種產品、工藝過程或活動對環境產生的影響進行量化計算和評價的過程，是評價產品、工藝過程或活動消耗的能量、物質對環境影響的過程，也是如何有效改善或減少環境影響的過程。LCA的使用是根據ISO 14040標準進行的，該標準提供了一個一致同意的框架、術語和方法階段。

一種產品、工藝過程或活動在其生命周期的全活動都屬于生命周期的評價范疇，往前可以追溯到原材料采購、粗加工、細加工，往后可以追溯到產品或過程的使用全過程以及循環再利用研究。在國際環境毒理學和化學學會研究中，分成了四步來評價產品或過程的全生命周期，具體包括確定目標范圍確定、清單分析、影響評價以及改善評價。目標和范圍確定了研究的目的、目標、產品系統、邊界和功能單元，在清單分析中，收集了分析產品生命周期所需的數據，在影響評估中，使用生命周期影響評估(LCIA)方法對生命周期庫存(LCI)進行分類、表征和規范化，以評估潛在的環境影響，最后的改善評價階段的作用有兩個：①識別、量化和評估最后兩個階段的結果；②對分析的系統提出改進建議。

清單分析是最重要的一個環節，是對生命全周期過程中物質和能量流動的抽象和概括，是對產品、工藝過程或活動在其整個生命周期中的資源、能量和環境排放(廢水、廢氣以及固體廢物)的定量分析。該分析方法的關鍵是根據產品功能單元建立產品系統投入產出。該分析方法可分為基于過程清單分析、基于經濟投入產出分析的清單分析以及混合式清單分析[33]。這些方法在收集材料生產和過程中能量輸入的數據方面各有不同，各有優缺點。Cabeza等[34]認為不完整和不準確是兩個相關的關鍵問題。

過程分析法是一種自下而上的LCA 方法，主要用于建筑物單體的生命周期評價，強調從微觀的角度對建筑物生命周期進行分析。Gustavsson 等[35]基于過程分析法分析了八層木結構公寓大樓的生命周期初級能源消耗和二氧化碳的排放，其生命周期主要分為原材料生產階段、施工階段、拆除和處理階段，研究結果表明，木結構建筑生命周期能量消耗和碳排放最大的階段是使用階段。Yan等[4]對香港一幢大樓建筑施工期間的碳排放進行研究，碳排放主要包括建筑材料的制造和運輸，能源消耗建筑設備、處理資源的能源消耗和建筑垃圾處理。

基于LCA的碳排放評價法逐漸成為建筑項目環境評價的基本方法，也是建筑材料選擇、施工設備選擇、構件類型選擇等普遍認可的標準[36]。在生命周期評價大框架下，項目評價范圍是第一步需要明確的，并且需要結合項目的特性和現有的數據適當的取舍。如 Ochoa[37]僅從原材料獲取、生產制造和運輸階段對居住建筑的碳排放進行了評價，而不考慮建設過程。谷立靜[38]認為在建筑全生命周期階段中都會消耗能源，能源的計算可以按照建筑材料生產、建筑建造、后期維護以及拆除處置4個階段關聯起來研究。Napolano等[39]基于生命周期評價法對建筑物生命周期的碳排放進行了研究，將建筑物評價范圍分為設計階段、材料生產階段、運輸階段、施工階段、使用階段和維修、拆除和廢棄物處理等階段。Hong等[40]認為建筑物生命周期階段評價范圍應包括原材料的開采，建設材料和設備生產，施工安裝、運行維護和拆除的過程。

此外，有的學者在將LCA理論與其他理論相結合上提出了新的評價系統，如張智慧等[41]將生命周期評價(LCA)和支付意愿理論(WTP)相結合，構建了建筑工程環境影響評價系統，其優點是明確各類環境影響的權重。張智慧教授的團隊還將該系統應用于防水材料、水泥和預拌混凝土的生命周期環境影響的比較。除了以上基于LCA方法的碳排放計算，有的學者還從工程量清單來計算混凝土的碳排放[42]。

4 結語及建議

(1)結合上述分析，國內外學者更傾向于對建筑物的碳排放進行研究，而針對混凝土的碳排放研究較少。部分學者已對混凝土配合比設計進行了研究，討論了混凝土配合比設計方法和程序開發的方法，如遺傳算法，以滿足混凝土的性能和盡量減少材料的使用，但以往的優化方法，需要大量的實驗數據，將浪費大量的人力物力，因此需要引入一種新的優化方法節省時間、節約資源。

(2)利用粉煤灰和磷礦渣等工業廢渣替代水泥成為減少混凝土碳排放的主要手段，但替代率為何值時才能保證混凝土生命周期碳排放最少，目前研究甚少。因此尋找碳排放最少的最優配合比可以作為一個今后重要的研究方向。