利用建筑与拆除废弃物的地质聚合物材料的生命周期评估

《Environmental Research》：Life Cycle Assessment of Geopolymer Materials Utilizing Construction and Demolition Waste

本研究通过生命周期评估比较了CDW基地聚物与水泥基材料的环保性能，发现80% CDW+20%掺合料的地聚物在运输环节环境影响较大，但整体仍显著降低全球变暖（48.1%）、水酸化（22.1%）及土地占用（45.2%），唯水华营养化和臭氧层消耗更高。

　　随着全球城市化进程的加快，建筑和拆除废弃物（CDW）的产生量也在迅速上升。这一现象主要由建筑拆除、重建以及维护活动驱动，预计到2050年，全球城市化率将达到68%。城市化带来的CDW增长问题已经引起各国的广泛关注，成为建筑行业亟需解决的环境挑战之一。在欧洲，2022年CDW的产量约为8.5亿吨，而美国在2018年的CDW产量约为6亿吨。尽管土耳其的CDW年产量尚无官方数据，但基于欧洲的数据，可以合理推测其CDW占总废弃物的比例约为40%。全球范围内的CDW产量预计将从2000年的127亿吨增长到2050年的270亿吨，这进一步凸显了CDW管理的重要性。

目前，全球范围内CDW的处理方式多种多样，其中约有35%的CDW被填埋，其余则通过回收、再利用以及回填等方式进行管理。然而，这些处理方式的效率在不同地区存在显著差异。例如，在欧洲和美国，CDW的平均回收率约为70%，而在发展中国家如中国，这一比例仅为5%。这种差异不仅反映了各国在基础设施建设和废弃物管理方面的不同水平，也意味着CDW的处理仍是一个严峻的环境问题。尤其是在填埋过程中，含有有害物质的CDW（如石棉和汞）可能导致土壤和水体污染，进而对生态系统和人类健康造成威胁。

面对CDW带来的环境压力，寻找可持续的替代方案成为建筑行业的重要课题。其中，地质聚合物（geopolymer）作为一种新型材料，因其较低的碳排放和良好的性能表现，被认为是替代传统波特兰水泥（OPC）的有效途径。地质聚合物是通过铝硅酸盐源材料与碱性活化剂之间的化学反应形成的无机聚合物。其制备过程通常涉及将碱性溶液与含有硅和铝的活性固体源材料反应，形成三维结构，从而实现材料的固化和增强。相比传统水泥，地质聚合物的生产过程更加环保，能够有效减少温室气体排放和能源消耗。

然而，CDW作为地质聚合物的原料，其来源和组成往往较为复杂。这使得在实际应用中，需要对CDW进行适当的筛选和处理，以确保其作为建筑材料的可行性。此外，CDW中可能含有不同类型的废弃物，如空心砖、红陶砖、屋面瓦、玻璃废料和混凝土废料等，这些材料在不同的活化剂和固化条件下，可能表现出不同的性能特征。因此，如何优化CDW的使用比例以及如何选择合适的补充材料（SCMs）成为研究的关键点。

本研究通过对两种不同的地质聚合物混合物进行环境影响评估，探索CDW在建筑行业中的潜在应用价值。第一种混合物完全由CDW为基础材料（CDW100），第二种混合物则将SCMs作为CDW基础材料的20%替代（CDW80SCM20）。在评估过程中，研究者采用了钠氢氧化物（NaOH）和氢氧化钙（Ca(OH)?）作为活化剂，并将其与CDW材料进行反应。为了更全面地比较地质聚合物与传统水泥在环境性能方面的差异，研究还引入了一个与地质聚合物性能相当的传统水泥混合物作为基准。

研究结果表明，CDW80SCM20混合物在多个环境影响类别中表现出比CDW100更高的环境负担。这主要是由于SCMs的引入增加了运输相关的环境影响。相比之下，CDW100混合物在土地占用和全球变暖等方面的影响较低，分别减少了30.8%和16.9%。此外，研究还发现，基于CDW的砂浆在环境影响方面显著低于传统水泥系统，但例外的是在水体富营养化和臭氧层破坏方面，CDW砂浆的影响更高。这一现象主要归因于钠氢氧化物的生产过程，尤其是通过氯碱工艺制造的NaOH，会释放影响平流层臭氧的气体。

本研究的发现为建筑行业提供了重要的参考价值。地质聚合物在减少全球变暖、水体酸化、土地占用以及不可再生能源消耗方面具有显著优势，分别减少了48.1%、22.1%、45.2%和1.83%。然而，水体富营养化和臭氧层破坏的影响仍然高于传统水泥砂浆。这表明，尽管地质聚合物在许多方面优于传统材料，但在某些特定的环境影响类别中仍需进一步优化。

为了更全面地评估CDW为基础的地质聚合物在建筑行业中的应用潜力，研究者采用生命周期评估（LCA）方法，对CDW材料的来源、处理、运输以及最终应用阶段进行了系统分析。LCA方法不仅能够评估不同材料在环境影响方面的差异，还能够为可持续材料设计提供科学依据。在本研究中，CDW材料的来源具有多样性，包括不同类型的建筑和拆除废弃物，而SCMs的选择则基于常见的工业副产品，如粉煤灰、高炉矿渣和硅灰。

通过LCA分析，研究者发现CDW80SCM20混合物的环境影响主要集中在运输环节，这与SCMs的来源和运输距离密切相关。相比之下，CDW100混合物由于完全由本地CDW材料组成，运输相关的环境负担较低。此外，研究还发现，CDW材料的使用比例对最终的环境影响具有显著影响。当CDW材料的比例增加时，其对环境的负面影响也随之降低，但在某些特定的环境影响类别中，如水体富营养化和臭氧层破坏，这种影响反而增加。

本研究的发现表明，CDW为基础的地质聚合物在建筑行业中具有重要的应用潜力，尤其是在减少碳排放和资源消耗方面。然而，其在某些环境影响类别中的表现仍需进一步优化，以实现更全面的可持续性。因此，未来的研究应更加关注CDW材料的来源、组成以及运输方式，以减少其对环境的负面影响。此外，研究还应考虑不同地区的能源结构、运输物流以及CDW材料的特性，以更好地评估其在不同环境下的适用性。

在实际应用中，CDW材料的使用不仅需要考虑其环境影响，还应关注其经济和社会效益。例如，CDW材料的使用可以显著降低建筑成本，减少对天然资源的依赖，同时提高建筑材料的可持续性。因此，如何在保证材料性能的前提下，优化CDW材料的使用比例和处理方式，成为建筑行业亟需解决的问题。此外，CDW材料的使用还应结合当地政策和法规，以确保其在建筑行业的合法性和可行性。

本研究的成果为建筑行业提供了新的视角和解决方案。通过将CDW材料与SCMs相结合，研究者发现可以有效提升地质聚合物的性能，同时降低其对环境的负面影响。然而，这一过程仍然面临一些挑战，如干燥收缩和吸水性等问题，需要进一步优化。因此，未来的研究应更加关注CDW材料的性能优化，以提高其在建筑行业中的适用性。

在政策层面，各国政府应加强对CDW材料的管理，制定更加完善的法规和政策，以促进其在建筑行业中的合理利用。例如，一些发达国家已经出台了相关法规，鼓励CDW的再利用和回收，但发展中国家在这一方面仍存在较大差距。因此，未来的研究应更加关注不同国家在CDW管理方面的差异，以提供更具针对性的解决方案。

在技术层面，研究者应继续探索CDW材料的优化方法，以提高其在建筑行业中的应用价值。例如，通过调整活化剂的比例和固化条件，可以有效提升CDW材料的性能，同时降低其对环境的负面影响。此外，研究还应关注CDW材料的多样性，以适应不同类型的建筑需求。例如，CDW材料可能包括不同类型的废弃物，如空心砖、红陶砖、屋面瓦、玻璃废料和混凝土废料等，这些材料在不同的应用条件下可能表现出不同的性能特征。

在社会层面，CDW材料的利用不仅有助于减少环境负担，还能够创造新的就业机会，促进循环经济的发展。因此，未来的研究应更加关注CDW材料的社会效益，以提供更加全面的解决方案。此外，研究还应考虑CDW材料的公众接受度，以确保其在建筑行业中的广泛应用。

综上所述，CDW为基础的地质聚合物在建筑行业中具有重要的应用潜力，能够有效减少碳排放和资源消耗，同时提高建筑材料的可持续性。然而，其在某些环境影响类别中的表现仍需进一步优化，以实现更全面的可持续性。因此，未来的研究应更加关注CDW材料的来源、组成、运输方式以及性能优化，以提供更加科学和可行的解决方案。同时，各国政府应加强对CDW材料的管理，制定更加完善的法规和政策，以促进其在建筑行业中的合理利用。通过多方面的努力，CDW材料有望成为建筑行业实现可持续发展的关键因素之一。