含有陶瓷废粉和石粉的混凝土生命周期评估：以印度中部为例

《Environmental Research》：Life Cycle Assessment of Concrete with Ceramic Waste Powder and Stone Dust: A Central India Case Study

本研究通过生命周期评估（LCA）分析了M60混凝土中添加15%陶瓷废渣和45%石粉作为替代材料的环保效益，使用OpenLCA v2.5和ecoinvent 3.11数据库在18个类别中验证了循环经济模式下的减排效果，其中生态毒性、土地占用和气候变化的降幅达12.5%-16.3%。

　　

Amit Mandal | Sarvesh P.S. Rajput | Hemant Choudhary

印度中央邦博帕尔毛拉纳·阿扎德国立技术学院土木工程系，462003

摘要：

本研究对含有15%和45%陶瓷废粉（来自建筑和拆除废弃物）以及石粉（石材破碎行业的副产品）的M60混凝土进行了从摇篮到坟墓的生命周期评估，这些材料分别部分替代了水泥和砂。研究展示了在印度中部条件下采用循环经济方法进行可持续混凝土生产的可能性。使用OpenLCA v2.5、ecoinvent 3.11数据库和ReCiPe 2016 Midpoint (H)方法，从18个类别分析了环境影响。结果显示，在所有类别中，环境影响均有所降低，其中陆地生态毒性（降低16.3%）、土地使用（降低16.1%）、光化学氧化剂生成（降低13.2%）和气候变化（降低12.5%）的降幅最大。水泥生产仍然是主要的环境影响来源（占85.4%），而使用本地废弃物可减少18.1%的运输影响。敏感性分析表明，改性混凝土对运输参数的敏感性比传统混凝土低112倍，这表明其在操作上更具灵活性。生态系统质量提高了12.5%，人类健康影响降低了10.3%（以DALYs计），化石和矿物资源的消耗也减少了约14.5%。这种双重废弃物替代策略没有导致环境负担转移，进一步证明了其环境韧性。该策略提供了一种适合本地条件、可复制的可持续混凝土生产系统，有助于实现印度的低碳和循环经济目标。

引言

建筑业面临重大环境挑战，全球每年生产44亿吨水泥，产生24-29亿吨二氧化碳（占人为排放量的7-8%）[2]，[3]。鉴于混凝土消费量仍在以前所未有的速度增长（目前年产量为140亿立方米，预计到2050年将达到200亿立方米）[4]，这一环境负担尤为严重。水泥行业的碳足迹由多种因素造成：约50%来自石灰石的煅烧（CaCO₃ → CaO + CO₂），40%来自熟料生产过程中的化石燃料燃烧，10%来自电力消耗和运输。此外，混凝土生产本身消耗了全球工业用水量的约9%，而在水资源短缺地区，这一比例预计到2050年将上升至75%[5]，[6]，[7]。随着全球气候目标的提出，解决这些环境问题的需求更加迫切。现有分析预测，如果不采取实质性措施，到本世纪中叶水泥行业的排放量将增至每年38亿吨，这与《巴黎协定》的目标不符[8]。然而，最新研究表明，通过使用替代材料和生产技术，到2050年排放量可减少65%[9]。生命周期评估（LCA）已成为量化并优化这些环境影响的重要工具，为评估混凝土价值链中的可持续替代方案提供了系统框架[10]，[11]。

印度的快速城市化和基础设施发展带来了巨大的废物管理挑战，特别是在中央邦等地区[12]。该国每年产生的建筑和拆除废弃物量达1.5亿至7.5亿吨，但官方估计往往偏低[13]，[14]。尽管如此，印度仅能通过正规渠道回收和再利用1.3%的废弃物，而发达国家的回收率超过90%[15]。这是一个巨大的机会损失，因为大约90%的混凝土废弃物和95%的金属部件可以通过适当的基础设施和政策得到有效回收[16]。仅陶瓷行业每年产生的废弃物就超过220亿吨，处理成本约为每吨145美元[17]。同样，该地区的采石作业会产生约20-25%的废石粉，既造成环境危害，也浪费了资源利用的机会[18]，[19]。在像印度这样的发展中国家，基础设施需求与有限的废物管理能力之间的矛盾尤为突出。

尽管关于可持续混凝土材料的研究不断增多，但在区域优化和综合废物利用策略方面仍存在具体知识空白。以往的研究大多集中在单一材料的替代上，很少探讨多种废弃物整合的协同效应[20]，[21]。虽然陶瓷废粉在替代20%和40%水泥时表现出火山灰活性，90天时的抗压强度比对照组降低了10-18%[22]，但相关LCA研究很少。同样，关于石粉利用的研究确定了25-40%的最佳替代比例，可提高15-38%的强度[23]，但这些研究未针对印度实际情况进行系统的环境影响评估。现有研究未能充分探讨同时使用陶瓷废粉和石粉的从摇篮到坟墓的影响，尤其是考虑到中央邦的当地材料可用性和加工要求。

为解决这些关键问题，本研究首次对含有陶瓷废粉（部分替代水泥）和石粉（替代细骨料）的混凝土进行了全面的从摇篮到坟墓的LCA评估，具体针对中央邦博帕尔地区进行了研究。该研究的创新之处有三点：（i）建立了印度中部地区陶瓷和石粉的LCI数据，这是当地环境影响数据中的主要缺失部分；（ii）通过系统优化双重废弃物流，实现了环境效益的最大化，同时满足了性能要求；（iii）采用了适应印度条件的OpenLCA和ecoinvent 3.11数据库，为区域可持续性评估提供了可复制的方法。该研究通过量化陶瓷粉和石粉替代之间的相互作用效应，揭示了文献中未报道的非线性环境影响关系[24]。

功能单位

本生命周期评估的功能单位定义为“1立方米M60级混凝土”。M60级混凝土的配比及与传统混凝土的性能对比已通过我们的先前实验确定[25]，验证了其抗压强度、工作性和耐久性的可比性。选择这一功能单位是为了确保传统混凝土和改性混凝土之间的结构行为一致。

上游过程的影响

各ReCiPe midpoint (H)类别中具体过程对环境影响的贡献在补充材料中有所说明，并在图4中进行了可视化展示。分析表明，在所有类别中，水泥生产是最大的环境影响来源。对于气候变化而言，传统混凝土生产过程中产生的二氧化碳为445.71千克/立方米，占总上游影响的87.9%（总上游影响为507.20千克/立方米）

结论

对含有15%和45%陶瓷废粉及石粉的M60级混凝土进行的从摇篮到坟墓的生命周期评估结果表明，使用工业废弃物可以在不损害结构性能的前提下显著改善环境。通过对18个ReCiPe 2016中期指标类别及多种敏感性情景的全面评估，充分证明了改性混凝土的环境优越性。

未来研究方向

基于当前的LCA结果和发现的局限性，以下研究方向将提高废物改性混凝土环境评估的可靠性和适用性：

• •
  从从摇篮到坟墓的评估扩展到从摇篮到终点的全面评估。
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  考虑印度电网组成和运输效率变化的动态LCA建模。
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  使用相同的系统边界和区域假设，对新兴替代粘合剂进行比较评估。

CRediT作者贡献声明

Hemant Choudhary：撰写 – 审稿与编辑、可视化、软件开发、方法论设计、概念构建。 Sarvesh P. S. Rajput：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调、方法论设计、数据分析、概念构建。 Amit Mandal：撰写初稿、可视化结果制作、验证、软件应用、方法论研究、数据整理、概念构思

利益冲突

所有作者均声明不存在利益冲突。

数据可用性

本研究生成或分析的数据已完整收录在发表的文章中。

资金声明

作者声明本研究未获得任何特定资金支持。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。