高性能混凝土綠色度評價的研究進(jìn)展

李化建，謝永江，易忠來，譚鹽賓，馮仲偉

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京100081;2.中國鐵道科學(xué)研究院 科研處，北京100081)

《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》［1］(GB/T 50378—2006)和《環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品技術(shù)要求預(yù)拌混凝土》［2］(HJ/T 412—2007)頒布實施，標(biāo)志著我國已經(jīng)進(jìn)入綠色建筑時代?；炷辆G色度的高低在一定程度上決定了建筑的綠色等級。在綠色奧運建筑評估體系中將建筑材料作為一個獨立的和重要的單元，引入全壽命周期分析理論與方法對其綠色度進(jìn)行評價［3-4］。針對高速鐵路綠色混凝土進(jìn)行專門立項研究，相關(guān)的研究成果如尾砂灰渣CFG樁樁體材料［5-6］、灰渣混凝土、脫硫石膏基秸稈保溫墻體材料［7］等已被應(yīng)用到工程實踐中。但對于混凝土或建筑材料綠色度的評價還處于定性或半定性的研究階段，缺少混凝土綠色度評價標(biāo)準(zhǔn)以及綠色度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是制約混凝土綠色度評價的主要瓶頸。本文對混凝土綠色度研究進(jìn)展的總結(jié)旨在起到拋磚引玉之效。

1 混凝土綠色度的內(nèi)涵

作為大宗材料，混凝土在我國基礎(chǔ)建設(shè)得到大量應(yīng)用的同時，也成為我國能源浪費、資源消耗與環(huán)境污染的主要來源。吳中偉院士最早提出綠色高性能混凝土概念，他認(rèn)為綠色混凝土應(yīng)節(jié)約資源、能源，不破壞環(huán)境以及可持續(xù)發(fā)展，具體來說綠色混凝土的特征為更多地節(jié)約水泥熟料，減少環(huán)境污染;更多地?fù)郊右怨I(yè)廢渣為主的活性細(xì)摻料;更大地發(fā)揮高性能優(yōu)勢，減少水泥和混凝土的用量［8］。孫振平等也闡述了綠色混凝土應(yīng)具備的條件，包括原材料選擇(綠色水泥、利用工礦農(nóng)業(yè)固體廢棄物、盡量采用工業(yè)廢液制備外加劑)、制備技術(shù)優(yōu)化(減少水泥用量、集中攪拌、高工作性、高耐久性)以及廢棄混凝土再利用等［9］。實質(zhì)上綠色混凝土是指采用綠色原材料，經(jīng)過綠色設(shè)計與綠色制造工藝，所制備出的滿足綠色使用要求的混凝土。

綠色度則是反映產(chǎn)品在滿足功能性的前提下，與環(huán)境相容程度的指標(biāo)?；炷辆G色度是用來表征混凝土綠色化程度的指標(biāo)，即混凝土在其整個生命周期中對資源和能源的消耗及利用率、對環(huán)境危害程度大小(亦即產(chǎn)品對環(huán)境的友好程度)的綜合評價指標(biāo)。綠色度的內(nèi)涵很豐富，它并不是一個單純的量化指標(biāo)，而是集產(chǎn)品的功能性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境性以及可再利用性等特性，且考慮各特性權(quán)重的綜合性指標(biāo)?；炷劣昧康拇笞谛约捌湫阅艿膹?fù)雜性，決定了混凝土綠色度特殊性，具體表現(xiàn)如下:

1)綜合性:綠色度是表征產(chǎn)品多個性能的綜合性指標(biāo)，是產(chǎn)品滿足功能性、經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境性的統(tǒng)一。對于不同產(chǎn)品，其內(nèi)涵并不一致，有的產(chǎn)品功能性權(quán)重較大，有的產(chǎn)品環(huán)境性權(quán)重較大，還有的產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性所占權(quán)重大。與人民生命安全息息相關(guān)的結(jié)構(gòu)工程，其主體材料——混凝土的功能性是其綠色度的前提和基礎(chǔ)。

2)科技性:綠色度是一個賦予豐富科技內(nèi)涵的概念，不同科學(xué)技術(shù)水平下，所選參照物就不同，基準(zhǔn)不同，其綠色度就會隨之變化。例如水泥綠色度的確認(rèn)，在20世紀(jì)80年代所選的工藝水平、設(shè)備狀況與現(xiàn)在會有很大差別，這就決定了綠色度量值的不同。就混凝土綠色度而言，不同行業(yè)所偏重的評價指標(biāo)也不相同，房建行業(yè)所考慮的混凝土綠色度要更多考慮其放射性、外加劑中甲醛含量。而對于鐵路行業(yè)所考慮混凝土綠色度則側(cè)重混凝土中重金屬溶出率等。混凝土綠色度的科技性也可稱之為其相對性，實質(zhì)上綠色度是一個相對比值，即被評價目標(biāo)與基準(zhǔn)目標(biāo)之間的比值，基準(zhǔn)目標(biāo)的選擇、評價指標(biāo)的量化以及評價指標(biāo)的權(quán)重與技術(shù)水平有很大關(guān)系。

3)模糊性:綠色度量化一直困擾著科技界，其原因是綠色度本身的模糊性，其模糊性主要體現(xiàn)在邊界的確定及其各因素權(quán)重的確定。例如評價混凝土的綠色度，是考慮水泥原材料的選用，還是直接將水泥當(dāng)作混凝土的原材料。各因素之間權(quán)重的確定是綠色度量化又一關(guān)鍵難題，對于混凝土這一大宗材料而言，功能性、經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境性之間的權(quán)重究竟是孰重孰輕很難界定，必須根據(jù)具體工程的實際情況來確認(rèn)。

2 混凝土綠色度評價指標(biāo)體系

混凝土綠色度評價指標(biāo)體系建立主要取決于綠色度評價的邊界。從過程控制而言，混凝土綠色度評價指標(biāo)應(yīng)包括從綠色設(shè)計、綠色原料、綠色制造、綠色施工、綠色使用到綠色回收的全過程因素。從性能控制而言，混凝土綠色度評價指標(biāo)體系應(yīng)包括功能性、經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境性三個方面。

預(yù)拌混凝土環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品提出的技術(shù)要求包括基本要求與技術(shù)內(nèi)容兩方面［2］，基本要求中規(guī)定混凝土產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)符合《預(yù)拌混凝土》GB/T 14902標(biāo)準(zhǔn)的要求;企業(yè)污染物排放必須符合國家或地方規(guī)定的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求;產(chǎn)品生產(chǎn)應(yīng)采用計算機自動控制的生產(chǎn)工藝，具有計量自動補償、數(shù)據(jù)儲存、統(tǒng)計和查詢功能;產(chǎn)品生產(chǎn)過程產(chǎn)生的固體廢棄物回收利用率達(dá)95%以上;產(chǎn)品生產(chǎn)過程產(chǎn)生的工業(yè)廢水回收利用率達(dá)100%，產(chǎn)品生產(chǎn)中所使用水泥的散裝率達(dá)到100%。技術(shù)內(nèi)容包括混凝土的內(nèi)射指數(shù)不大于0.9，外射指數(shù)不大于0.9;混凝土中水溶性六價鉻不大于0.2×10-6(質(zhì)量分?jǐn)?shù));礦物摻合料占膠凝材料總量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于30%，當(dāng)利用尾礦砂、尾礦石作骨料時，尾礦與礦物摻合料體積之和占混凝土總體積分?jǐn)?shù)不小于30%;混凝土釋放到空氣中的污染物(游離甲醛、苯、氨、總揮發(fā)性有機化合物TVOC)應(yīng)滿足相應(yīng)要求。有學(xué)者將混凝土綠色度綜合評價指標(biāo)確定為①單方混凝土不可再生能源的消耗(包括水泥生產(chǎn)時消耗的能量)EDP;②單方混凝土不可再生原料的消耗ADP;③單方混凝土的環(huán)境污染綜合指數(shù) EII［10］。也有學(xué)者基于輕集料混凝土提出了包括五因素的混凝土綠色度評價指標(biāo)體系，即包括生產(chǎn)效率、質(zhì)量、成本、產(chǎn)品的資源消耗和產(chǎn)品生產(chǎn)中對環(huán)境的污染等［11］;還有學(xué)者基于工業(yè)與民用建筑提出的混凝土綠色度評價指標(biāo)體系包括組成混凝土原材料的放射性(滿足GB6566)、室內(nèi)空氣質(zhì)量(滿足GB50325)、水泥減少的比例以及混凝土耐久性變化幅度等，其中水泥減少的比例包括能源消耗減少的比例、資源消耗減少的比例、CO2排放減少的比例;混凝土耐久性變化幅度包括碳化值變化幅度、耐久性指數(shù)變化幅度與電通量變化幅度等［12］。

作者基于鐵路作用環(huán)境(碳化環(huán)境、氯鹽環(huán)境、凍融環(huán)境、化學(xué)腐蝕環(huán)境以及磨蝕環(huán)境)建立鐵路混凝土綠色度評價指標(biāo)體系，如圖1所示。其中抗壓強度T為碳化作用下綠色度評價指標(biāo)，抗壓強度M為磨蝕環(huán)境綠色度評價指標(biāo)［7］，氯離子擴(kuò)散系數(shù)、耐久性指數(shù)以及硫酸鹽干濕循環(huán)次數(shù)分別為氯鹽環(huán)境、凍融環(huán)境與化學(xué)腐蝕環(huán)境下的功能性指標(biāo)。

圖1 混凝土綠色度評價指標(biāo)體系

3 混凝土綠色度評價方法

張云升、孫偉等利用反饋匿名函詢法(Delphe)和物元分析方法對混凝土的綠色度進(jìn)行綜合評價，將混凝土綠色度指標(biāo)的物元確定為單方混凝土不可再生能源的消耗EDP、單方混凝土不可再生原料的消耗ADP與單方混凝土的環(huán)境污染綜合指數(shù)EII，通過關(guān)聯(lián)分析確定綠色度單個指標(biāo)與混凝土綠色度等級的關(guān)聯(lián)度，以EDP物元為例，a為EDP物元實際值，a1與a2為單個指標(biāo)混凝土綠色度分類標(biāo)準(zhǔn)中的區(qū)域數(shù)值，最后通過權(quán)重計算混凝土綠色度綜合評價指標(biāo)，判定混凝土綠色度的歸屬［10］。該方法必須要有混凝土綠色度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計算比較產(chǎn)品與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)度。

胡曙光等以輕集料產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、綜合成本、資源消耗以及對環(huán)境的影響等五個因素為評價指標(biāo)，利用模糊數(shù)學(xué)方法，提出了綠色度評價模型，如公式1所示，利用層次分析法，根據(jù)判定尺度定義(如表1)，進(jìn)行各評價指標(biāo)相對重要程度的判斷矩陣，從而對輕集料混凝土的綠色度進(jìn)行評價，得出利用淤泥、污泥和劣質(zhì)粉煤灰等工農(nóng)業(yè)和生活廢棄物為原料制備的輕集料是高綠色度的產(chǎn)品［11］。基于模糊數(shù)學(xué)與權(quán)重的方法，目前應(yīng)用較多。

式中 G——為混凝土綠色度的模糊評判集，即量化矩陣;

ω——為權(quán)重集;

R——為綠色度評價矩陣;

ωi——為第i影響綠色度的權(quán)重值rij——為第 j個綠色度值。

表1 兩指標(biāo)(i和j)判定尺度定義

王安嶺、路來軍等針對工業(yè)與民用建筑基于組成混凝土原材料的放射性(滿足GB6566)、室內(nèi)空氣質(zhì)量(滿足GB50325)、綠色度指標(biāo)(水泥減少的比例、混凝土耐久性變化幅度)等，耐久性指標(biāo)包括碳化值、耐久性指數(shù)與電通量等，提出了綠色混凝土的評價公式，如式(2)。該方法對于工業(yè)與民用建筑較為合適，因為其前提是要滿足原材料的放射性與室內(nèi)空氣質(zhì)量［12］。

式中 Δn——摻入摻合料后能耗減少的比例;

Δm——摻入摻合料后資源消耗減少的比例;

Δl——摻入摻合料后CO2排放減少的比例;

ΔC——摻入摻合料后碳化值變化幅度;

ΔDF——摻入摻合料后耐久性指數(shù)變化幅度;

ΔQ——摻入摻合料后電通量變化幅度。

隋同波、王玲等提出了水泥、混凝土及其制品綠色度評價的基本框架，即包括產(chǎn)品質(zhì)量、資源消耗、能源消耗、環(huán)境污染、清潔生產(chǎn)以及本地化等六個方面，文中給出了水泥綠色度相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如可比熟料燒成煤耗風(fēng)級定級、可比水泥綜合電耗分級定額、生產(chǎn)設(shè)備粉塵或粉塵排放量限值、水泥廠粉塵無組織排放限值、生產(chǎn)設(shè)備煙塵或粉塵排放限值、生產(chǎn)設(shè)備大氣污染物排放限值等［11］。

4 混凝土綠色度的評價等級

混凝土綠色度評定等級與評價指標(biāo)體系關(guān)系較大，文獻(xiàn)［10］根據(jù)單個綠色度指標(biāo)將C60混凝土分為高綠色、中綠色、綠色和非綠色四類，如表2所示［13］。文獻(xiàn)［11］等按照綠色度綜合指標(biāo)將混凝土綠色度分為非綠色、低綠色、中綠色和高綠色四類，如表3所示。

表2 單個指標(biāo)對C60混凝土綠色度等級的分類標(biāo)準(zhǔn)

表3 混凝土綠色度分級指標(biāo)

林宗壽等研究了環(huán)境材料的功能性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境協(xié)調(diào)性評價方法及其評價指標(biāo)。結(jié)合環(huán)境材料的定義提出了評價環(huán)境材料的綜合判據(jù)表達(dá)式，如式(3)所示。當(dāng)某一材料C≥1，F(xiàn)≥1時，表明它已滿足環(huán)境材料經(jīng)濟(jì)性和功能性的基本要求，此時，當(dāng) P≥1時，即可稱之為環(huán)境材料［14］。

E=e/e′，e′、e 表示材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性指標(biāo)及對應(yīng)環(huán)境材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。

C=c/c′，c′、c 表示材料的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)及對應(yīng)環(huán)境材料的經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。

5 混凝土綠色度評價關(guān)鍵技術(shù)

混凝土綠色度評價的關(guān)鍵技術(shù)在于兩方面，一是混凝土綠色度評價指標(biāo)體系的建立;二是評價指標(biāo)體系中各指標(biāo)之間權(quán)重的確定。

混凝土綠色度評價指標(biāo)體系關(guān)系到能否全面體現(xiàn)混凝土綠色度的內(nèi)涵，在具體建立時主要是要考慮全面、量化來確定獨立指標(biāo)對混凝土綠色度的貢獻(xiàn)。目前我國缺少混凝土綠色度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可以參考，這是制約混凝土綠色度單個指標(biāo)量化的主要障礙。評價指標(biāo)體系取決于混凝土綠色度評價起始與終止邊界的確定，以及混凝土能量流過程控制分解。建議對于混凝土綠色度評價起始邊與終止界上要在綠色度評價原則中闡明，這樣，不同研究者的研究成果才有可比性;在混凝土能量流過程控制分解方面，主要涉及到是否考慮混凝土廢棄過程，目前工程結(jié)構(gòu)是以耐久性為前提的，如果結(jié)構(gòu)物能夠滿足在設(shè)計使用年限安全服役，這樣就可以不考慮廢棄階段，將綠色使用作綠色度能量流的終止邊界，當(dāng)然將廢棄混凝土用作新的建筑材料(再生骨料)可以看作是另一類混凝土綠色度評價的起始邊界。在單個評價指標(biāo)量化方面應(yīng)采用統(tǒng)計規(guī)律，所采用的數(shù)據(jù)能夠反映整個行業(yè)的平均水平。

綠色度評價指標(biāo)體系中各指標(biāo)權(quán)重的確定將對混凝土綠色度綜合指標(biāo)起到至關(guān)重要的作用。由于權(quán)重的確定人為因素較大，建議采用德爾菲法，該法本質(zhì)上是一種反饋匿名函詢法。其大致流程為:在對所要預(yù)測的問題征得專家的意見之后，進(jìn)行整理、歸納、統(tǒng)計，再匿名反饋給各專家，再次征求意見，再集中，再反饋，直至得到穩(wěn)定的意見。該方法有別于其他專家預(yù)測方法的三個明顯的特點分別是匿名性、多次反饋、小組的統(tǒng)計回答。匿名性是指從事預(yù)測的專家彼此互不知道其他有哪些人參加預(yù)測，他們是在完全匿名的情況下交流思想的;多次有控制的反饋是指小組成員的交流是通過回答組織者的問題來實現(xiàn)的，它一般要經(jīng)過若干輪反饋才能完成預(yù)測;統(tǒng)計回答是指報告一個中位數(shù)和兩個四分點，其中一半落在兩個四分點內(nèi)，一半落在兩個四分點之外。這樣，每種觀點都包括在這樣的統(tǒng)計中，避免了專家會議法只反映多數(shù)人觀點的缺點［15］。

6 結(jié)論

混凝土綠色度是評價高性能混凝土與環(huán)境相容性的關(guān)鍵指標(biāo)，開展混凝土綠色度的研究對于提高固體廢棄物綜合利用率、減少資源和能源消耗、緩解環(huán)境污染以及節(jié)約工程造價具有重要的意義?；炷辆G色度的研究還任重道遠(yuǎn)，為促進(jìn)混凝土綠色度盡快推廣應(yīng)用，應(yīng)盡快開展以下工作:

1)由國家立項開展混凝土綠色度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的研究，按照資源分布情況與混凝土技術(shù)水平分區(qū)域建立混凝土綠色度的數(shù)據(jù)庫。

2)制訂和完善混凝土綠色度相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，讓設(shè)計單位、施工單位和制造單位有據(jù)可依。

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