《Journal of Cleaner Production》：Strategy for ecological mix-design of stabilised compressed earth blocks: balancing performances and environmental impact
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本研究通过生命周期评估量化了法国碎屑土压缩块（CEBs）的碳足迹，对比了低碳水泥（CEM III/A）和石灰（NHL 3.5）两种液压稳定剂的环保效益。结果表明：5%掺量水泥稳定块抗压强度提升7MPa，碳足迹增加3kgCO2eq；石灰稳定块强度提升3.5MPa，碳足迹增加6.5kgCO2eq。通过空心化设计（C系数优化）可有效平衡强度与碳足迹，低碳水泥方案更具环保优势，但需几何优化实现性能提升。
马蒂厄·奥德伦（Mathieu Audren）|西蒙·吉埃内夫（Simon Guihéneuf）|唐吉·勒博尔涅（Tangi Le Borgne）|路易丝·勒梅斯雷（Louise Lemesre）|达米安·兰格阿德（Damien Rangeard）|阿诺德·佩罗（Arnaud Perrot）
IRDL，法国国家科学研究中心（CNRS）第6027研究单元，南布列塔尼大学（Université de Bretagne Sud），洛里昂（Lorient），56100
摘要
基于地球的材料通常需要稳定处理，以满足与机械强度和耐水性相关的建筑标准。本文研究了水硬性稳定剂对使用采石场副产品制成的压缩土块（CEBs）机械性能的影响，以及这些稳定剂对碳足迹的影响。采用OpenLCA V2.5软件、Ecoinvent V3.10数据库和CML IA V4.7基准方法进行了从摇篮到坟墓的生命周期评估（LCA，A1-C4），以量化其中蕴含的碳量。为了比较各种配方，我们以1平方米、抗压强度为4兆帕（MPa）的土块为例。本研究在法国进行，数据由Pigeon Enterprises提供。研究了两种稳定剂：高炉矿渣水泥（CEM III/A）和天然水硬石灰（NHL 3.5），其添加量占土质量的1%至5%。所有稳定处理方法都提高了土块的机械强度，但高炉矿渣水泥的碳足迹较低。当添加量为5%时，该材料的强度分别提高了7兆帕和3.5兆帕，而碳足迹分别增加了3公斤二氧化碳当量（kgCO?eq）和6.5公斤二氧化碳当量。环境效益体现在通过中空设计优化土块几何形状上（通过C系数进行建模），这种设计将中空能力与抗压强度联系起来。在所研究的条件下，使用低碳水泥稳定的土块具有比传统解决方案更低的全球变暖影响的潜力。然而，这需要优化其几何形状以充分利用这一改进特性。
引言
为了履行国际气候协议（IPCC，2022年），必须大幅减少建筑行业的环境影响。在法国，建筑行业是第二大温室气体排放源（CEREMA，2024年数据显示，2019年建筑行业占总排放量的21%）。这种影响不仅来自建筑物的使用，还来自材料的制造过程。事实上，水泥生产占温室气体排放量的9%至10%（Taylor等人，2006年）。这凸显了迫切需要通过新型建筑材料来加强减缓措施。
在这种情况下，使用土作为建筑材料为传统混凝土提供了一种有前景的替代方案，因其具有许多优势（Hamard等人，2018年；Soudani等人，2016年；Carrobé等人，2024年）。尽管最近人们对土建筑的兴趣有所回升，但仍存在一些阻碍其广泛应用的障碍。土资源本身的变异性及其对水的敏感性（Marcom，2011年）仍然是这些传统技术广泛应用的主要障碍。因此，通常使用纤维进行稳定处理，以提高土壤的机械性能（Malkanthi等人，2020年）、增强颗粒间的粘结力（De Filippis，2021年）和耐水性（Rengifo-López等人，2024年；Paul等人，2023a、2023b、2024年；Real等人，2024年；Paula Junior等人，2024年）。在化学稳定剂中，石灰和水泥常用于生产压缩土块（CEBs）（Deboucha和Hashim，2011年；Barbero-Barrera等人，2020年），这有助于保持其良好的湿热性能（Barbero-Barrera等人，2020年；Ciancio等人，2014年）。然而，加入水硬性粘结剂会部分抵消土建筑的生态效益，增加其碳足迹（Alhumayani等人，2020年；Arrigoni等人，2017年）。为了限制这种影响，有时会使用低碳水泥。法国水泥的碳足迹范围为每吨694公斤二氧化碳当量至471公斤二氧化碳当量（France Ciment，2023年；ciment，2023年）。
尽管经过稳定处理，土材料的环境影响仍可能低于传统解决方案。Narayanaswamy等人（2020年）展示了一种使用碱激活粘结剂稳定的土块配方，其环境影响比黏土砖低30%，同时机械强度更高。Fernandes等人（2019年）也表明，稳定处理的土材料的环境影响比传统技术低50%。Van Damme和Houben（Van Damme和Houben，2017年）发现，含有稳定剂的配方对全球变暖的影响有所增加，但他们没有考虑土块几何形状可能发生的变化。
其中一个主要优势是这种资源的本地可用性。土材料可以来自挖掘作业，也可以由工业副产品制成。在本研究中，使用的土是一种创新配方，由洗砂过程中产生的黏土泥（CM）和来自挖掘土壤的花岗岩砂（GS）组成。这些副产品在采石场开采中可能占很大比例。为了说明规模，Pigeon Enterprises报告称，在岩石采石场中，黏土泥仅占开采材料的少数百分比，而在砂矿中则可占30%。因此，储存在采石场的这些废弃物是一个需要回收的重要材料来源，特别是为了优化采石场的工作区域（Galetakis和Soultana，2016年；Algin和Turgut，2008年）。先前的研究表明，这种配方具有优化潜力，适合生产压缩土块（CEBs）（Audren等人，2023年）。CEBs是通过在模具中压实土制成的土块。然而，关于使用采石场副产品配方的碳影响尚未进行量化，这仍然是全面评估这类产品相关性的一个空白。此外，法国的一些公司如Pigeon Enterprises、Terrio和Brique Technique Concept正在将其工业化生产。不过，目前缺乏关于这类产品影响的可用数据（Brique Technique Concept和Cycle Terre，2021年）。
评估建筑材料的环境影响对于控制大气中的人为碳排放至关重要（Fernandes等人，2013年）。已经开发了许多方法用于此目的（Buyle等人，2013年），但生命周期评估（LCA）仍然是最广泛使用和最全面的方法（Marcelino-Sadaba等人，2017年）。对于传统建筑材料，LCA尤其具有挑战性，因为资源的本地性质和施工技术的多样性使得建模变得复杂（Fernandes等人，2019年；Ben-Alon等人，2019年）。此外，创新材料和工艺往往缺乏反馈和足够的数据库支持（Chen等人，2010年）。
本研究调查了这种创新土配方在原始状态以及使用水硬性粘结剂（低碳CEM III/A水泥或NHL 3.5水硬石灰）稳定处理后的气候变化影响。选择低碳水泥是因为土制品通常旨在保持较低的碳足迹，而使用高熟料水泥的稳定处理在文献中已有充分记录（Arrigoni等人，2017年；Van Damme和Houben，2017年）。主要目的是将土块的气候变化影响与传统解决方案（即混凝土块和烧制黏土砖）进行比较。为此，采用了一种创新方法进行了生命周期评估。该方法基于材料的抗压强度、安全系数的应用以及土块中空设计的潜力。次要目标包括评估结果对关键参数和假设的敏感性，从而突出这类研究的固有限制。还需要评估耐水性，以便正确理解干态强度的结果。
材料
本研究调查的材料包括来自同一采石场的两种类型的副产品。通过粒径分布（PSD）、小于400微米材料的阿特伯格极限（Atterberg limits）和亚甲蓝值（MBV）来评估每种颗粒材料的特性。PSD通过筛分确定，对于小于80微米的颗粒，则采用激光衍射分析（符合当前标准AFNOR，2018a）。阿特伯格极限也进行了测量。
样品制备
功能单位基于材料的干抗压强度，以确保CEB配方与传统建筑技术之间的等效性。因此进行了干抗压强度测试以提供参考机械数据，而湿测试仅用于评估耐久性和稳定效果。环境比较仅使用干抗压强度，因为湿强度仅作为耐久性的指标。
干抗压强度
未经稳定处理的GS材料的干抗压强度为7.4兆帕，而添加20%的CM后，这一数值增加到9.1兆帕，即提高了1.7兆帕。这一显著改进证实了使用CM在保持黏土活性和粒径分布之间的最佳平衡方面的重要性，从而提高了机械性能（Audren等人，2023年）。这些强度超过了承重砌体单元的最低要求（混凝土块为4兆帕）。
稳定处理
结论
土建筑越来越被认为是应对当前建筑行业环境挑战的有希望的方法之一。然而，原始土材料通常需要稳定处理以增强其机械性能和耐水性。将抗压强度的提升与CEBs的环境影响联系起来可能具有挑战性。本研究提出了一种创新方法，结合了机械性能和环境影响，并对土块的中空设计进行了建模。
CRediT作者贡献声明
马蒂厄·奥德伦（Mathieu Audren）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，研究，概念化。西蒙·吉埃内夫（Simon Guihéneuf）：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念化。唐吉·勒博尔涅（Tangi Le Borgne）：撰写 – 审稿与编辑，概念化。路易丝·勒梅斯雷（Louise Lemesre）：撰写 – 审稿与编辑，概念化。达米安·兰格阿德（Damien Rangeard）：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，概念化。阿诺德·佩罗（Arnaud Perrot）：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了法国国家研究署（ANR）在Labcom CoLoRe“使用本地资源进行建筑”（Labcom CoLoRe “Construction with Local Resources”）项目框架内的支持（项目编号：ANR-21-LCV3-0008）。
