高性能混凝土绿色度评价的研究进展

李化建，谢永江，易忠来，谭盐宾，冯仲伟

(1.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京100081;2.中国铁道科学研究院 科研处，北京100081)

《绿色建筑评价标准》［1］(GB/T 50378—2006)和《环境标志产品技术要求预拌混凝土》［2］(HJ/T 412—2007)颁布实施，标志着我国已经进入绿色建筑时代。混凝土绿色度的高低在一定程度上决定了建筑的绿色等级。在绿色奥运建筑评估体系中将建筑材料作为一个独立的和重要的单元，引入全寿命周期分析理论与方法对其绿色度进行评价［3-4］。针对高速铁路绿色混凝土进行专门立项研究，相关的研究成果如尾砂灰渣CFG桩桩体材料［5-6］、灰渣混凝土、脱硫石膏基秸秆保温墙体材料［7］等已被应用到工程实践中。但对于混凝土或建筑材料绿色度的评价还处于定性或半定性的研究阶段，缺少混凝土绿色度评价标准以及绿色度基础数据是制约混凝土绿色度评价的主要瓶颈。本文对混凝土绿色度研究进展的总结旨在起到抛砖引玉之效。

1 混凝土绿色度的内涵

作为大宗材料，混凝土在我国基础建设得到大量应用的同时，也成为我国能源浪费、资源消耗与环境污染的主要来源。吴中伟院士最早提出绿色高性能混凝土概念，他认为绿色混凝土应节约资源、能源，不破坏环境以及可持续发展，具体来说绿色混凝土的特征为更多地节约水泥熟料，减少环境污染;更多地掺加以工业废渣为主的活性细掺料;更大地发挥高性能优势，减少水泥和混凝土的用量［8］。孙振平等也阐述了绿色混凝土应具备的条件，包括原材料选择(绿色水泥、利用工矿农业固体废弃物、尽量采用工业废液制备外加剂)、制备技术优化(减少水泥用量、集中搅拌、高工作性、高耐久性)以及废弃混凝土再利用等［9］。实质上绿色混凝土是指采用绿色原材料，经过绿色设计与绿色制造工艺，所制备出的满足绿色使用要求的混凝土。

绿色度则是反映产品在满足功能性的前提下，与环境相容程度的指标。混凝土绿色度是用来表征混凝土绿色化程度的指标，即混凝土在其整个生命周期中对资源和能源的消耗及利用率、对环境危害程度大小(亦即产品对环境的友好程度)的综合评价指标。绿色度的内涵很丰富，它并不是一个单纯的量化指标，而是集产品的功能性、经济性、环境性以及可再利用性等特性，且考虑各特性权重的综合性指标。混凝土用量的大宗性及其性能的复杂性，决定了混凝土绿色度特殊性，具体表现如下:

1)综合性:绿色度是表征产品多个性能的综合性指标，是产品满足功能性、经济性与环境性的统一。对于不同产品，其内涵并不一致，有的产品功能性权重较大，有的产品环境性权重较大，还有的产品经济性所占权重大。与人民生命安全息息相关的结构工程，其主体材料——混凝土的功能性是其绿色度的前提和基础。

2)科技性:绿色度是一个赋予丰富科技内涵的概念，不同科学技术水平下，所选参照物就不同，基准不同，其绿色度就会随之变化。例如水泥绿色度的确认，在20世纪80年代所选的工艺水平、设备状况与现在会有很大差别，这就决定了绿色度量值的不同。就混凝土绿色度而言，不同行业所偏重的评价指标也不相同，房建行业所考虑的混凝土绿色度要更多考虑其放射性、外加剂中甲醛含量。而对于铁路行业所考虑混凝土绿色度则侧重混凝土中重金属溶出率等。混凝土绿色度的科技性也可称之为其相对性，实质上绿色度是一个相对比值，即被评价目标与基准目标之间的比值，基准目标的选择、评价指标的量化以及评价指标的权重与技术水平有很大关系。

3)模糊性:绿色度量化一直困扰着科技界，其原因是绿色度本身的模糊性，其模糊性主要体现在边界的确定及其各因素权重的确定。例如评价混凝土的绿色度，是考虑水泥原材料的选用，还是直接将水泥当作混凝土的原材料。各因素之间权重的确定是绿色度量化又一关键难题，对于混凝土这一大宗材料而言，功能性、经济性与环境性之间的权重究竟是孰重孰轻很难界定，必须根据具体工程的实际情况来确认。

2 混凝土绿色度评价指标体系

混凝土绿色度评价指标体系建立主要取决于绿色度评价的边界。从过程控制而言，混凝土绿色度评价指标应包括从绿色设计、绿色原料、绿色制造、绿色施工、绿色使用到绿色回收的全过程因素。从性能控制而言，混凝土绿色度评价指标体系应包括功能性、经济性与环境性三个方面。

预拌混凝土环境标准产品提出的技术要求包括基本要求与技术内容两方面［2］，基本要求中规定混凝土产品质量应符合《预拌混凝土》GB/T 14902标准的要求;企业污染物排放必须符合国家或地方规定的污染物排放标准要求;产品生产应采用计算机自动控制的生产工艺，具有计量自动补偿、数据储存、统计和查询功能;产品生产过程产生的固体废弃物回收利用率达95%以上;产品生产过程产生的工业废水回收利用率达100%，产品生产中所使用水泥的散装率达到100%。技术内容包括混凝土的内射指数不大于0.9，外射指数不大于0.9;混凝土中水溶性六价铬不大于0.2×10-6(质量分数);矿物掺合料占胶凝材料总量的质量分数不小于30%，当利用尾矿砂、尾矿石作骨料时，尾矿与矿物掺合料体积之和占混凝土总体积分数不小于30%;混凝土释放到空气中的污染物(游离甲醛、苯、氨、总挥发性有机化合物TVOC)应满足相应要求。有学者将混凝土绿色度综合评价指标确定为①单方混凝土不可再生能源的消耗(包括水泥生产时消耗的能量)EDP;②单方混凝土不可再生原料的消耗ADP;③单方混凝土的环境污染综合指数 EII［10］。也有学者基于轻集料混凝土提出了包括五因素的混凝土绿色度评价指标体系，即包括生产效率、质量、成本、产品的资源消耗和产品生产中对环境的污染等［11］;还有学者基于工业与民用建筑提出的混凝土绿色度评价指标体系包括组成混凝土原材料的放射性(满足GB6566)、室内空气质量(满足GB50325)、水泥减少的比例以及混凝土耐久性变化幅度等，其中水泥减少的比例包括能源消耗减少的比例、资源消耗减少的比例、CO2排放减少的比例;混凝土耐久性变化幅度包括碳化值变化幅度、耐久性指数变化幅度与电通量变化幅度等［12］。

作者基于铁路作用环境(碳化环境、氯盐环境、冻融环境、化学腐蚀环境以及磨蚀环境)建立铁路混凝土绿色度评价指标体系，如图1所示。其中抗压强度T为碳化作用下绿色度评价指标，抗压强度M为磨蚀环境绿色度评价指标［7］，氯离子扩散系数、耐久性指数以及硫酸盐干湿循环次数分别为氯盐环境、冻融环境与化学腐蚀环境下的功能性指标。

图1 混凝土绿色度评价指标体系

3 混凝土绿色度评价方法

张云升、孙伟等利用反馈匿名函询法(Delphe)和物元分析方法对混凝土的绿色度进行综合评价，将混凝土绿色度指标的物元确定为单方混凝土不可再生能源的消耗EDP、单方混凝土不可再生原料的消耗ADP与单方混凝土的环境污染综合指数EII，通过关联分析确定绿色度单个指标与混凝土绿色度等级的关联度，以EDP物元为例，a为EDP物元实际值，a1与a2为单个指标混凝土绿色度分类标准中的区域数值，最后通过权重计算混凝土绿色度综合评价指标，判定混凝土绿色度的归属［10］。该方法必须要有混凝土绿色度的基础数据，根据基础数据，计算比较产品与基准数据的关联度。

胡曙光等以轻集料产品的生产效率、产品质量、综合成本、资源消耗以及对环境的影响等五个因素为评价指标，利用模糊数学方法，提出了绿色度评价模型，如公式1所示，利用层次分析法，根据判定尺度定义(如表1)，进行各评价指标相对重要程度的判断矩阵，从而对轻集料混凝土的绿色度进行评价，得出利用淤泥、污泥和劣质粉煤灰等工农业和生活废弃物为原料制备的轻集料是高绿色度的产品［11］。基于模糊数学与权重的方法，目前应用较多。

式中 G——为混凝土绿色度的模糊评判集，即量化矩阵;

ω——为权重集;

R——为绿色度评价矩阵;

ωi——为第i影响绿色度的权重值rij——为第 j个绿色度值。

表1 两指标(i和j)判定尺度定义

王安岭、路来军等针对工业与民用建筑基于组成混凝土原材料的放射性(满足GB6566)、室内空气质量(满足GB50325)、绿色度指标(水泥减少的比例、混凝土耐久性变化幅度)等，耐久性指标包括碳化值、耐久性指数与电通量等，提出了绿色混凝土的评价公式，如式(2)。该方法对于工业与民用建筑较为合适，因为其前提是要满足原材料的放射性与室内空气质量［12］。

式中 Δn——掺入掺合料后能耗减少的比例;

Δm——掺入掺合料后资源消耗减少的比例;

Δl——掺入掺合料后CO2排放减少的比例;

ΔC——掺入掺合料后碳化值变化幅度;

ΔDF——掺入掺合料后耐久性指数变化幅度;

ΔQ——掺入掺合料后电通量变化幅度。

隋同波、王玲等提出了水泥、混凝土及其制品绿色度评价的基本框架，即包括产品质量、资源消耗、能源消耗、环境污染、清洁生产以及本地化等六个方面，文中给出了水泥绿色度相关的基础数据，如可比熟料烧成煤耗风级定级、可比水泥综合电耗分级定额、生产设备粉尘或粉尘排放量限值、水泥厂粉尘无组织排放限值、生产设备烟尘或粉尘排放限值、生产设备大气污染物排放限值等［11］。

4 混凝土绿色度的评价等级

混凝土绿色度评定等级与评价指标体系关系较大，文献［10］根据单个绿色度指标将C60混凝土分为高绿色、中绿色、绿色和非绿色四类，如表2所示［13］。文献［11］等按照绿色度综合指标将混凝土绿色度分为非绿色、低绿色、中绿色和高绿色四类，如表3所示。

表2 单个指标对C60混凝土绿色度等级的分类标准

表3 混凝土绿色度分级指标

林宗寿等研究了环境材料的功能性、经济性和环境协调性评价方法及其评价指标。结合环境材料的定义提出了评价环境材料的综合判据表达式，如式(3)所示。当某一材料C≥1，F≥1时，表明它已满足环境材料经济性和功能性的基本要求，此时，当 P≥1时，即可称之为环境材料［14］。

E=e/e′，e′、e 表示材料的环境协调性指标及对应环境材料的环境协调性标准指标。

C=c/c′，c′、c 表示材料的经济性指标及对应环境材料的经济性标准指标。

5 混凝土绿色度评价关键技术

混凝土绿色度评价的关键技术在于两方面，一是混凝土绿色度评价指标体系的建立;二是评价指标体系中各指标之间权重的确定。

混凝土绿色度评价指标体系关系到能否全面体现混凝土绿色度的内涵，在具体建立时主要是要考虑全面、量化来确定独立指标对混凝土绿色度的贡献。目前我国缺少混凝土绿色度的基础数据，也没有相关标准规范可以参考，这是制约混凝土绿色度单个指标量化的主要障碍。评价指标体系取决于混凝土绿色度评价起始与终止边界的确定，以及混凝土能量流过程控制分解。建议对于混凝土绿色度评价起始边与终止界上要在绿色度评价原则中阐明，这样，不同研究者的研究成果才有可比性;在混凝土能量流过程控制分解方面，主要涉及到是否考虑混凝土废弃过程，目前工程结构是以耐久性为前提的，如果结构物能够满足在设计使用年限安全服役，这样就可以不考虑废弃阶段，将绿色使用作绿色度能量流的终止边界，当然将废弃混凝土用作新的建筑材料(再生骨料)可以看作是另一类混凝土绿色度评价的起始边界。在单个评价指标量化方面应采用统计规律，所采用的数据能够反映整个行业的平均水平。

绿色度评价指标体系中各指标权重的确定将对混凝土绿色度综合指标起到至关重要的作用。由于权重的确定人为因素较大，建议采用德尔菲法，该法本质上是一种反馈匿名函询法。其大致流程为:在对所要预测的问题征得专家的意见之后，进行整理、归纳、统计，再匿名反馈给各专家，再次征求意见，再集中，再反馈，直至得到稳定的意见。该方法有别于其他专家预测方法的三个明显的特点分别是匿名性、多次反馈、小组的统计回答。匿名性是指从事预测的专家彼此互不知道其他有哪些人参加预测，他们是在完全匿名的情况下交流思想的;多次有控制的反馈是指小组成员的交流是通过回答组织者的问题来实现的，它一般要经过若干轮反馈才能完成预测;统计回答是指报告一个中位数和两个四分点，其中一半落在两个四分点内，一半落在两个四分点之外。这样，每种观点都包括在这样的统计中，避免了专家会议法只反映多数人观点的缺点［15］。

6 结论

混凝土绿色度是评价高性能混凝土与环境相容性的关键指标，开展混凝土绿色度的研究对于提高固体废弃物综合利用率、减少资源和能源消耗、缓解环境污染以及节约工程造价具有重要的意义。混凝土绿色度的研究还任重道远，为促进混凝土绿色度尽快推广应用，应尽快开展以下工作:

1)由国家立项开展混凝土绿色度基础数据的研究，按照资源分布情况与混凝土技术水平分区域建立混凝土绿色度的数据库。

2)制订和完善混凝土绿色度相应的技术规范，让设计单位、施工单位和制造单位有据可依。

［1］中华人民共和国建设部.GB/T 50378—2006绿色建筑评价标准［S］.北京:中国建筑工业出版社，2006.

［2］国家环境保护总局.HJ/T 412—2007环境标志产品技术要求预拌混凝土［S］.北京:中国环境科学出版社，2006.

［3］绿色建筑奥运建筑研究课题组.绿色奥运建筑评估体系［M］.北京:中国建筑工业出版社，2003.

［4］朱颖心.绿色奥运建筑评估与绿色建材评价［J］.中国建材，2005(7):95-96.

［5］赵国堂，李化建.高速铁路高性能混凝土应用管理技术［M］.北京:中国铁道出版社，2009.

［6］李化建，赵国堂.高速铁路尾砂灰渣CFG桩体材料试验研究［R］.北京:中国铁道科学研究院，2008.

［7］李化建，谢永江.京沪高速铁路灰渣秸秆混凝土材料试验研究［R］.北京:中国铁道科学研究院，2008.

［8］吴中伟.绿色高性能混凝土与科技创新［J］.建筑材料学报，1998(1):1-7.

［9］孙振平，王新友，张冠伦.绿色高性能混凝土与建筑工程材料的可持续发展［J］.建筑材料学报，1998，1(3):278-283.

［10］张云升，孙伟，刘思凤.绿色混凝土量化指标体系的研究［J］.工业建筑，2002，32(5):57-59，49.

［11］胡曙光，黄劲，王发洲.轻集料绿色度评价方法的建立及应用［J］.硅酸盐通报，2006，25(5):64-69.

［12］王安岭，路来军，韩素芳，等.绿色高性能混凝土评价方法的建立［C］∥高性能混凝土和矿物掺合料的研究与工程应用技术交流会，杭州:2007.

［13］隋同波，王玲.水泥、混凝土及其制品的绿色度评价［J］.中国建材科技，2003(5):1-7.

［14］WU Zhongwei，TAO Yousheng.Cement and Concrete Industry in China-Present State and Problems［C］∥ The 4th Beijing International Symposiumon Cement and Concrete，1998:1-6.

［15］刘顺妮.水泥—混凝土体系环境影响及评价研究［D］.武汉:武汉理工大学，2002.