混凝土循环利用及对环境影响的初探

康明 上海宝山钢铁公司

邓鹏翔 林宗寿 刘顺妮 武汉工业大学材料学院(430070)

摘要：本文利用混凝土循环设计思想并通过一系列实验探索废混凝土实现完全闭路循环再利用的可

能性，运用生命周期评价方法对混凝土进行了环境性能评估。结果表明采取合适的混凝土配合比设计和适当工艺，实现生态环境混凝土和水泥的无限循环利用，所得生态环境混凝土的环境性能明显优于一般混凝土。

关键词：生态环境水泥，生态混凝土，水泥

一、前言

传统水泥工业的环境保护，主要局限在水泥生产阶段中的控制，如控制生产能耗及二氧化碳，硫、氮氧化物的排放等，这种控制即使达到理想的状态，对整体的影响也是有限的。因水泥生产是由原料运输，水泥制造，产品使用，废物回收等阶段组成，而每一阶段对环境都会产生影响。故而选择LCA评估法，对整个过程进行综合评价。LCA方法即寿命周期评估法 [1]。它是按系统（既所谓“从摇篮到坟墓”的过程）评价产品或工业行为的一种系统的方法。这个路径暗示了产品整个寿命周期中影响环境污染物排放、资源能耗的确定及其定量[2]。通过LCA评估法对水泥全过程进行环境协调性设计和评估，找到在水泥生产及应用的全过程中各因素对环境的影响程度，并依其对环境影响程度的大小控制各因素，才能达到水泥工业最理想的环境性能。比如，仅仅依靠在水泥生产过程中控制二氧化碳的排放，就不如选择不产生或少含二氧化碳的原料，如，废混凝土。本文将通过实验探讨如下问题：可否实现利用废弃混凝土生产水泥；使用这种水泥配制的混凝土是否具有令人满意的性能；利用LCA评估这种循环过程的环境意义。

二、实验设计思想

在叙述实验设计思想之前，首先介绍本文使用的两个概念：1、生态环境混凝土：通过集料或掺料的选择使混凝土具有与水泥基本相同化学组分的混凝土，这种混凝土不需或只需很少外掺料既可作为水泥生料来使用。2、生态环境水泥：利用生态环境混凝土（或掺加少于7%的校正原料）煅烧的水泥。

设计生态环境混凝土，不仅要考虑水灰比、级配、工作性等对混凝土性能的影响，还要考虑原料的化学组分。对于一些不适合加入混凝土的原料可作为校正原料和矿化剂在煅烧时加入。

在配制第一期的生态环境混凝土时使用石灰石作为粗细集料，在其后的循环过程中 。废混凝土经过破碎之后分为粗料和细料，由于每一循环都要取上一次部分废混凝土作为粗集料和细集料，另一部分细料则作为钙质原料经过粉磨，煅烧成水泥，所以每一循环的煅烧过程几乎都要消耗第一次作为混凝土粗细集料的石灰石中的碳酸钙，当混凝土不断地循环使用时，混凝土中碳酸钙成分逐渐转化为CSH凝胶，循环混凝土的粗集料中石灰石成分越来越少，从理论上讲，无限次循环后，混凝土中的碳酸钙的含量趋近于零，由于在循环时碳酸钙的烧失量使混凝土的总量减少，因此最初的几次循环不是等量的物质循环。只有当混凝土中的碳酸钙组分大都转化为CSH凝胶，再循环的烧失量很小时，才能形成等量的物质循环。我们将选取这种无碳酸钙混凝土的一次回收周期，用LCA法进行环境意义评估。生态环境混凝土的循环过程如图1所示。

三、生态环境混凝土及水泥的制备

1。原料

配制第一循环的生态环境混凝土，采用石灰石作为第一期的钙质原料和混凝土粗集料。考虑到回收循环煅烧的易烧性，采用矿渣及部分石灰石、钢渣、萤石作为细集料。煤灰作为铝质校正原料，石膏作为矿化剂在混凝土煅烧时加入。原料化学成分见表1。

混凝土设计标号C25，塌落度5.0mm，振动成型，采用15cm15

cm15cm试模，集料最大粒径15mm。由此，采用体积法配料，确定水灰比W/C=0.68，单位用水量w=208.3kg，由表2原料配制并煅烧而成的水泥用量C=306.3kg，砂率0.4。水泥全黑生料配比如表2。

图1 生态混凝土水泥循环流程示意图

Chart 1 the cycle sketch map of eco-environment concrete and cement

表1 实验用原料化学成分（%）

Table 1 the component of the raw material used in the experime

nt

raw material loss SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 CaF2 else

lime ston 39.27 4.61 2.00 0.27 51.90 1.40 0.00 0.00 0.55

blast furnace slag 0.66 33.02 15.22 0.66 36.99 10.99 0.00 0.00 2.46

fly ash 0.00 55.93 27.53 4.52 6.45 0.37 0.00 0.00 5.02

gypsum 19.8 0.26 0.25 0.06 32.56 0.18 45.88 0.00 1.01

fluorite 5.41 25.22 1.08 0.09 1.71 0.50 0.00 65.73 0.26

steel slag 6.38 13.98 2.72 23.31 45.31 8.30 0.00 0.00 0.00

quartz sand 0.00 100.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

表2 混凝土回收煅烧水泥全黑生料配比

Table 2 the full-black raw material proportion of cement made of

reused concrete

coal Gypsumfluorite steel slag

blast furnace slag

9.97

lime stone 59.28

quartz sand 2.50

13.62 2.84 0.79 10.99

由此生料烧制的熟料的率值为KH=0.97、n=1.85、IM=1.17。熟料外加5%的石膏配制的水泥3天及28天的抗压强度分别为28.10MPa；62.48MPa。

具有生料组分的混凝土配合比为：石灰石粗集料∶细集料∶上述水泥∶水=3.653∶2.4333∶1∶0.68，其中细集料采用石灰石矿渣、钢渣、萤石、及石英砂混合配制而成，其配比为石灰石∶矿渣∶钢渣∶萤石∶石英砂=23.71∶3.99∶4.40∶0.32∶1。采用该配比拌制的混凝土3天及28天的强度见表3。

表3 第一期混凝土的强度

Table 3 the concrete strength of the first period

number the compressive strength of the compressive strength of 28

3 days

1 2 3 average

9.2

strength

2.生态环境水泥的制备

28.4

9.3 8.2 9.6

8.9 8.9 10.5

9.4 8.6 9.5

30.2 26.4 27.9

days 28.4 28.5 29.5

28.5 27.6 28.3

上述混凝土掺加校正原料煤灰和矿化剂石膏并粉磨后，在1400℃的温度下保温1小时，得到的料加5%石膏磨细至80μm筛筛余6%后得到的水泥性能实验结果见表4。

表4 生态环境水泥性能

Table 4 the properties of eco-environment cement

standard (h∶consistence

initial setting time min)

(h∶min)

final stabilisetting time

ty

compressive strength

flexible strength

3days

7da28day3days

7da28da

ys s ys ys

25.5

1∶55

3∶10

5.36.4

7.72 5

41.49

49.23

53.35

regular2

3.生态环境混凝土的制备

将上述混凝土破碎成的粗集料（可以通过机械方法制得符合级配要求的粗细集料）对这种集料 进行压碎及吸水性实验，结果如下：

表5 混凝土集料部分性能实验

Table 5 the partial properties experimental of concrete aggregate

Name ground index water-absorbing rate of

aggregate

ground concrete ordinary lime stone

8.3%

aggregate

可见，碎混凝土的抗压强度较小而吸水性较大，由此集料配制的混凝土需要较大的水灰比，最终可能影响到混凝土的强度。

15% 13.3% 1.68%

将上述实验制得的生态环境水泥和碎混凝土集料配制生态环境混凝土，1m3混凝土组成为：碎混凝土粗∶碎混凝土细∶生态环境水泥∶水=1121.8∶750.2∶328.6∶209kg，塌落度测得为5.2cm。用此生态混凝土与相同塌落度普通混凝土进行对比实验，结果见表6：

可以看到，虽然这种混凝土强度小于相同塌落度的普通混凝土，但仍然具有较好的强度。因为使用碎混凝土作为集料，增大了需水量，最终影响到混凝土的强度。然而碎混凝土颗粒较好的界面性能又增加了和水泥凝胶的结合力[2]，另外碎混凝土颗粒中包含了一部分未水化的水泥颗粒，其继续水化也会对强度产生贡献，都在一定程度上抵消了水灰比对混凝土的影响。

四、生态混凝土的LCA评价

LCA既生命周期的评价方法，是以评价对象的全程寿命为评价周期进行综合评价的方法。我们选取生态环境混凝土的第三循环进行评价，以配制第三循环的生态环境混凝土作为寿命周期的开始，以混凝土的废弃作为寿命周期的结束，生态混凝土经过第二循环过程，第一期混凝土中作粗细集料中的石灰石

表6 第二期生态环境混凝土的强度（MPa） Table 6 the concrete strength of the second period

name the strength of 3 days the strength of 28 days

ordinary concrete 10.7 28.5

eco-environment concrete 8.5 26.5

经过煅烧，又分解为CaO和CO2，有较大的烧失量；而第三次循环时，石灰石的量已大大减少，循环时不会因烧失量而对物质的等量循环有较大影响。

将LCA环境数据归入不同的环境影响，通常，可作以下划分：

ADP…不可再生资源消耗 EDP…不可再生能源消耗 HT…人类健康损害

GWP…温室效应 ODP…臭氧层的破坏 NP…氮化作用

ECA…生物体损害 AP…环境的酸化 POCP…光化学作用

[4]

可求出各环境指标的采用层次分析法(AHP)并确定不同指标的重要性标度，

权重系数见表7。

根据LCA的有关环境污染数据将水泥对环境的影响进行分类，并按有关参照物、相对当量数据、世界总当量数据分别求得水泥的环境当量数和环境污染相对

指数。结果见表9。由于缺少其他相关数据，表中未考虑固体废物及粉尘。环境污染只涉及七个方面。

表7 水泥寿命周期各影响指标的相对权重[3]

Table 7 the relative coefficient of the affecting factors of cement life-c

ycle

environmental index EDP GWP POCP HT NP AP ADP

coefficient 0.268 0.1770 0.2053 0.044 0.02 0.0171 0.2638

表8 生态环境混凝土LCA数据汇总（1m3混凝土）[3]

Table 8 data gathering of eco-environment concrete LCA (1mconcret

e)

3

(kwh)

production and consume

(kg) (L)

CO2

CO CxHy

NOx

SO2

(kg)

electricity

coal consu

diese

(kg) l oil

(kg)

(kg) (kg) (kg)

dirt

consume me

and waste

concrete

3.92

328kg 13.5kg

raw material mining

gypsum km

0.2

8.9E

4.9E

-4

2.1E

-3

6.1E

-5

343.9kg

0.88

0.296

-4

transporting

328kg

35.6

cement production

1871kg

29.3

51.17

3.1E7.4E

-3

0.414

0.096

10.80

93.8

-3

aggregation

concrete production

1871kg 30km

2.88 9.87

0.026

0.011

0.068

5.5E

-3

transporting

production 2.00

sum of production

71.02

103.9

0.027

0.019

0.476

0.10

10.8

51.17 2.968

7

1

energy

coal63.2kg 0.88

producti-on

electricity

2.7E4.9E

-3

0.350

0.07

6.966

67.9

34.77

63.8

-3

167.7

sum of the life-cycle

71.92

85.94 2.968

7

0.030

0.024

0.826

0.177

17.76

注：表中未考虑运输燃油的生产及铁粉的有关污染。原煤开采用电及发电用煤之间的重复计算只计入了原煤开采用电。运输距离按30公里计。

根据求得的环境影响权重系数及水泥寿命周期各影响因素的相对指数，求得生态环境混凝土凝土的环境综合指标为：

E0=

同样，可求得普通混凝土的环境综合指标为：

-12

年-1

E1=

普通混凝土和生态环境混凝土的环境性能对比见表10：

-12

年-

表9 生态环境混凝土相关环境影响、当量数及相对指数[5]

table 9 the correlation environment effect ,equivalent number and rel

ative

ex

ponent of eco- environment concrete

classfication of correlation frame of equivalent sum of the world relative

environment effect pollution reference number equivalent number exponent

EDP energy consume 1GJ 2.35GJ 2.35GJ109/年 10 GWP CO2 1kgCO 167.7kg 37.7kg1012/年 4.45 AP NOx、 SO2 1kgSO 0.6552kg 286kg109/年 2.29 HT CO、NOx、 SO2 1kgbody 0.28kg 576kg109/year 0.49 NP NOx 1kgPO4 0.107kg 74.8kg109/year 1.43 POCP CxHy 1kgethene 1.68E-4 3.74kg109/year 0.045 ADP Lime stone consuming lime stone 0kg 120kg1012/year 0

表10 两种混凝土的环境性能对比

Table 10 the environmental properties comparison of two kinds of con

crete

name Carbon Dioxide emission

energy lime stone the synthetic environmental index

consuming consuming

eco-environment

167.7

concrete ordinary

325.5

2.35

357.7

2.35

0

3.010-12 5.06610-12

concrete

五、结论

1．运用混凝土循环设计思想，采用合适的配合比和适当工艺，可基本实现生态环境混凝土和生态环境水泥的闭合循环。

2．对混凝土和水泥进行强度测定表明：生态环境混凝土和生态环境水泥的强度等性能可完全满足建筑要求。

3．生态环境混凝土的环境综合指数为3.010-12年-1，普通混凝土的环境综合指数为5.06610-12 年 - 表明生态混凝土的环境性能优于普通混凝土。

参考文献

[1]刘江龙等，“环境协调材料的现状及其发展”，材料导报No3， VOL25,1995，P6-11。

[2]蒲心诚等，《混凝土学》第三章，武汉工业大学出版社

[3]张小伟，“环境材料理论体系研究”，武汉工业大学硕士学位论文，1998.5.25

[4]甘应爱，田丰等，《运筹学》，北京，清华大学出版社，1990，P461-466 [5]N.W.van den Berg and C.E.Dutilh “A DETCH guide to environmental life cycle assessment”,Environmental Life cycle assessment:Copyright 1996 by The McGraw―Hill Companies,Inc.

A TRY TO

CLOSED LOOP RECYCLING OF CONCRETE & EVALUATING ITS EFFECT TO ENVIRONMENT

MATIERAL INSTITUTE OF WUHAN INDUSTRY UNIVERSITY Lin Zongshou Kang Ming Deng pengxiang Liu Shunni ABSTRACT

This article tries to find the way to realize the closed loop recycling of concrete with the thought of recyclable concrete dsign.we have proved that it is possible to realize the closed loop recycling of concrete inlimitedly by serial tests;we also evaluate the environment impact of the recyclable concrete;by camparing the two kinds of concrete, we conclude that the eco-concrete has the better envoronment property than the common concrete.

Keywords:eco-environment cement,eco-environment concrete,life cycle assessment(LCA)