再生混凝土碳排放評價

邱崗

（信陽職業技術學院，河南 信陽 464000）

0 引言

隨著國家經濟的高速發展， 基礎設施養護維修不斷增加，產生大量的廢棄混凝土。 將廢舊混凝土二次利用，即可有效解決建筑垃圾存放問題，又可節約天然砂石等建筑材料的應用[1]，有助于降低建筑行業的碳排放及能源消耗，助推國家實現“雙碳”戰略目標，對建設資源節約環境友好型社會具有十分重要的意義。

全生命周期分析方法是一種評價產品從出生到死亡整個過程消耗能源及產生溫室氣體的研究方法， 其技術框架包括目標和邊界范圍、 數據清單、評價模型和結果分析[2-3]。 文章基于全生命周期方法對實際工程中的再生混凝土生產及運輸階段的碳排放進行了詳細的分析， 并且分析了再生骨料摻量、 天然骨料運輸距離及混凝土運輸距離對該階段當量碳排放效益的影響， 以期為再生混凝土的節能減排措施和工程決策提供一定參考，有助于推進我國“雙碳”戰略進程。

1 邊界范圍及功能單位

計算邊界以原材料生產產生的碳排放為起點，將混凝土運輸至施工現場產生的碳排放為終點，主要包括原材料生產階段、原材料運輸階段、混凝土生產階段以及混凝土運輸階段。

為了量化混凝土生產及運輸過程中產生的碳排放以及分析不同因素對該過程混凝土碳排放的影響， 文章基于生命周期分析方法研究了1 t 再生混凝土生產及運輸過程的當量碳排放總量。

2 數據清單

清單數據收集是分析產品碳排放的基礎，由于運輸階段和混凝土生產階段等工藝環節碳排放的生產依賴于消耗的能源， 因此結合《2006年IPCC國家氣體清單指南》以及《中國能源統計年鑒》整理了能源使用過程的當量碳排放系數， 如表1、2 所示。

表1 能源當量碳排放系數

3 計算模型

3.1 原材料生產階段

混凝土原材料生產階段主要包括天然骨料生產、再生骨料生產、外摻劑生產以及水泥生產，該階段碳排放計算公式見式（1）。

式中：mj為原材料用量；qj為單位材料系數。

以上海某工程為例，計算C30 強度等級的再生混凝土碳排放量，并與相同功能單位下的普通混凝土碳排放量進行對比。 普通混凝土的水灰比為0.7，水泥用量為231 kg/m3、粉煤灰用量為54 kg/m3、碎石用量為1 030 kg/m3、礦粉用量為71 kg/m3、細砂用量為793 kg/m3、水為178 kg/m3、減水劑為5.15 kg/m3。設定再生混凝土中粗骨料總量（天然骨料與再生骨料質量之和）保持恒定，摻入再生骨料后，為了保證再生混凝土的強度，水泥用量會逐漸增加。 若分析再生骨料摻量為40%、60%、80%、100%的再生混凝土碳排放量， 對應的水泥用量依次為239 kg/m3、243 kg/m3、247 kg/m3、251 kg/m3，其余材料用量保持不變。

3.2 原材料運輸階段

原材料運輸階段指原材料從廠家運輸至混凝土拌合站的階段，假定運輸車采用9.6 m 重型載貨貨車(滿載17 t)，所用的燃油為柴油，該車的單位運輸耗油量為1. 85 L/100 （km·t）。 原材料運輸距離受周邊環境、 工程地點及經濟水平等影響較大，運輸距離存在很大的波動性，案例中天然骨料、礦粉、細砂來自于同一廠家，距離拌合站300 km；水泥、粉煤灰和外摻劑生產廠家距離拌合站30 km；結合清單數據，運輸過程中，貨車總是滿載去空載回，空載能耗以滿載能耗的50%計。 該階段碳排放計算公式見式（2）。

式中：mj為材料用量；lj為運輸距離；vj單位量單位距離系數。

3.3 混凝土生產階段

混凝土生產階段的碳排放來源主要是生產混凝土消耗的能源。 基于現場調研數據， 每生產1 t混凝土需要消耗0. 519 kg 原煤、2.67×10-3kg 原油與4.31×10-3kg 天然氣。 結合上述能源清單，計算得出該階段功能單位下當量碳排放為1.05 kg/t 混凝土，計算公式見式（3）。

式中：nj為能源消耗量；cj為能源碳排放系數。

3.4 混凝土運輸階段

混凝土運輸階段指混凝土從混凝土拌合站運輸至施工現場的階段，預拌混凝土采用攪拌車運輸，主要燃油為柴油， 攪拌車平均運輸油耗為0.1 L/（t·km），案例中拌合站到施工現場距離7 km。 運輸過程中，攪拌車總是滿載去空載回，空載能耗以滿載能耗的50%計。 結合上述能源清單，計算得出該階段功能單位下當量碳排放為2.688 kg/t 混凝土，計算公式見式（4）。

式中：gj為能源消耗量單位距離系數；nj為能源消耗量；Lj為運輸距離。

總的碳排放量為上述四個階段碳排放之和。

4 再生混凝土建設期間碳排放評價

4.1 單位再生混凝土當量碳排放

根據內容2 中的能源清單和內容3 中的材料用量碳排放計算模型， 再生混凝土建設期間不同工藝活動的碳排放分布如圖1 所示。 根據上述計算結果可知，在邊界條件下，普通混凝土功能單位下當量碳排放總量為122.8 kg， 而摻量為40%再生骨料的再生混凝土功能單位下當量碳排放總量為120.2 kg，碳排放排放量下降幅度為2.3%。 從圖1 中可以看出，無論是普通混凝土還是再生混凝土，原材料生產階段和運輸階段的碳排放占比最高，占比之和分別為98%、97%。與普通混凝土相比，再生混凝土材料運輸階段碳排放比例下降，材料生產階段的碳排放比例上升。 這是由于再生骨料摻入混凝土中，降低了對天然骨料的使用量，減少了材料運輸階段的碳排放；由于再生骨料強度低于天然骨料，為了保證再生混凝土的強度，再生混凝土中的水泥用量不斷增加，原材料中水泥的碳排放因子較高，從而增加了材料生產階段的碳排放。

圖1 再生混凝土建設期間不同工藝活動的碳排放分布

圖2 詳細分析了材料生產階段各個原材料的碳排放分布比例。 從圖2 可以看出，水泥的碳排放比例占比最高，達到94%，其次是礦粉。 這主要是由于水泥的碳排放因子遠遠高于其他原材料的碳排放因子。因此降低水泥的碳排放系數是減低整個過程碳排放量的有效手段。

圖2 再生混凝土原材料生產階段不同工藝活動的碳排放分布

4.2 再生骨料摻量對碳排放結果的影響

圖3 為案例條件下不同再生骨料摻量下再生混凝土的碳排放演變規律。從圖3 可以看出隨著再生骨料摻量的增加，再生混凝土的碳排放總量逐漸降低。雖然再生骨料摻量增加必然導致水泥用量的增加，進而導致再生混凝土碳排放總量增加，但是再生骨料摻量增加必然降低天然骨料的用量，當運輸距離遠時，必然會降低較多的碳排放。

圖3 再生骨料摻量對再生混凝土建設期間碳排放總量影響規律

在案例的運輸距離條件下，顯然天然骨料用量減少降低的碳排放對總排放的貢獻度顯然高于水泥用量增加提高的碳排放，因此，再生骨料用量越多，再生混凝土的碳排放總量越低。

4.3 天然骨料運輸距離對碳排放結果的影響

從上述分析可以看出， 天然骨料的運輸距離對再生混凝土的碳排放影響很大， 圖4 為案例條件下天然骨料運輸距離與再生混凝土的碳排放的對應關系。

圖4 天然骨料運輸距離對再生混凝土建設期間碳排放總量影響規律

從圖4 中可以看出， 當運輸距離低于某一值時， 再生混凝土的碳排放總量高于普通混凝土，超過該值后，再生混凝土的碳排放總量低于普通混凝土。 從圖4 中數據可知，當天然骨料運輸距離大于272 km， 再生混凝土的碳排放總量高于普通混凝土，達到節能減排的效果。運輸距離越大，與普通混凝土相比，再生混凝土碳排放減低幅度越大。因此，當天然骨料運輸距離超過某一值時，提高再生骨料的摻量， 有助于降低再生混凝土的碳排放總量。

4.4 混凝土運輸距離對碳排放結果的影響

在實際施工過程中， 由于混凝土的離析性，施工單位多會考慮混凝土拌合站與施工現場的距離，圖5 呈現了混凝土運輸距離對再生混凝土建設期間碳排放總量的影響規律。 從圖5 可以看出，再生混凝土建設期間碳排放總量隨著混凝土運輸距離的增加而增加，且增加幅度與再生骨料摻量關系不大，這是由于再生骨料摻量的變化不影響混凝土從拌合站運輸至施工現場釋放的碳排放量。 因此，盡可能縮短拌合樓與施工現場的距離有助于降低再生混凝土建設過程的碳排放量。

圖5 混凝土運輸距離對再生混凝土建設期間碳排放總量影響規律

5 結論

（1）普通混凝土功能單位下當量碳排放總量為122.8 kg，而摻量為40%再生骨料的再生混凝土功能單位下當量碳排放總量為120.2 kg，碳排放排放量下降幅度為2.3%。

（2）案例邊界范圍內，原材料生產階段碳排放占比最高，其中水泥產生的碳排放量最大。

（3）隨著再生骨料摻量的增加，再生混凝土的碳排放總量逐漸降低。

（4）當天然骨料運輸距離大于272 km，再生混凝土的碳排放總量高于普通混凝土； 運輸距離越大，與普通混凝土相比，再生混凝土碳排放減低幅度越大。

（5）再生混凝土建設期間碳排放總量隨著混凝土運輸距離的增加而增加。