平衡二氧化碳吸收与能耗：含碳化再生混凝土粉水泥砂浆的全生命周期评价

《Journal of Building Engineering》：Balancing CO 2 uptake and energy demand: Life cycle assessment of cement mortars with carbonated recycled concrete powder

　　

• 用30%干碳化砂浆粉替代水泥可将全球变暖潜势（GWP）降低21%，生态系统损害降低17%。• 20%的替代水平在环境效益与抗压强度（与CM相当）之间取得了平衡。• 湿碳化因能耗较低而优于干碳化，而浆体衍生粉的CO?吸收率更高但加工能耗也更大。• 干燥、研磨和碳化过程中的电力消耗是进一步降低环境影响的关键限制因素。

引言

建筑与拆除活动会产生大量废混凝土，废混凝土的填埋处置会通过土地占用、粉尘污染和浸出风险带来巨大的环境负担[1]、[2]。这对建筑行业的发展产生了不可避免的后果，并加剧了自然资源的消耗[3]。在中国，据报道建筑、维护和拆除每年产生的建筑固体废物约为17-18亿吨，占城市垃圾总量的30-40%，其中混凝土部分占比高达50-60%[4]、[5]、[6]。因此，回收利用废混凝土生产再生骨料（RCA）和再生混凝土产品被广泛认为是提高建筑业循环性的切实途径[7]。

在再生骨料生产过程中，破碎和筛分会产生一种细颗粒副产品，通常称为再生混凝土粉（RCP），粒径通常小于160 μm，约占加工质量的10-20%。RCP通常含有石英、水化产物（如C-S-H和Ca(OH)?）以及未水化的熟料相（如C?S和C?S）[8]、[9]。尽管RCP资源丰富，但由于其不规则的形态和多孔结构会增加需水量，从而降低工作性和强度，因此在胶凝系统中的直接再利用受到限制[10]、[11]、[12]、[13]。因此，确定RCP的可扩展高值化应用对于提高废混凝土的整体回收效率至关重要。

加速碳化已被用于通过将有活性的含钙相转化为碳酸盐来改善再生骨料和再生粉的固有缺陷，从而降低孔隙率和吸水率，同时实现额外的CO?封存[14]、[15]、[16]。先前的研究报告指出，碳化后的RCP表现出改善的性能[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]，其CO?吸收容量（10%-20%）高于碳化的再生骨料[23]、[24]。在碳化过程中，水化产物被转化为CaCO?和富硅凝胶，其中碳酸盐可在后续水化过程中起填充剂和成核位点作用[25]、[26]，而富硅凝胶可能通过二次C-S-H的形成贡献火山灰活性[8]、[22]。在中等替代水平（如10%-20%）下，水泥浆或混凝土的抗压强度与对照组相当，但更高的替代率可能由于普通水泥（PC）的稀释改变了水化物组成而导致强度降低[8]、[27]、[28]。这些研究结果提出了在选定替代水平下对环境影响和力学性能进行综合评估。

对于细粉，通常考虑两种碳化路线，包括干法（气-固）和湿法（气-液-固）。湿碳化工艺可以消除CO?扩散限制并增强离子传输，从而加速反应动力学并提高RCP的表观碳化效率[22]、[29]、[30]。然而，湿碳化的环境优势无法得到保证，因为额外的加工步骤（如搅拌、分离和干燥）将增加电力消耗[31]。此外，目前的大部分研究仅强调水泥浆体衍生的粉末，而来自实际混凝土或砂浆的再生粉末也含有大量的惰性相（即石英砂），这会导致碳化效率和环境建模中的偏差。

通过碳化活化再生混凝土粉可能导致能耗和资源开采的大幅增加，并可能产生额外的CO?排放，从而抵消其环境效益[32]。生命周期评估（LCA）被广泛用于量化与胶凝材料和CO?相关技术相关的环境影响[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]。先前的LCA分析研究了RCP作为水泥替代品的情况，通常报告了减少温室气体排放方面的环境优势。Wang等人[40]通过LCA分析评估了RCA和RCP的环境影响和碳减排效果，表明在胶凝材料中利用再生材料可以产生有效的环境效益[41]、[42]。Kravchenko等人[43]发现，用再生混凝土粉替代20%的水泥，根据LCA分析可使GWP降低16%。Xiao等人[44]表明，与传统混凝土相比，使用再生粉和骨料具有显著的碳吸收能力，即再生混凝土粉含量每增加1%，CO?排放减少0.83-1.27%。Guo等人[45]发现，掺入75% RCA的混凝土砌块在机械强度、干燥收缩和抗冻融性能方面仍能满足普通砌块的要求。Manan等人[46]采用基于能值分析的LCA方法，报告了与常规处置相比，RCP替代可减少环境和人体健康负担，而Mehmood等人[47]评估了掺入RCP的环保高性能胶凝复合材料，确认了气候变化潜力和化石资源消耗的减少。这些研究提供了宝贵的见解，但它们在功能单位和系统边界方面存在差异，且力学性能并未系统地纳入环境比较中。

RCP的碳化已被用于进一步改善其性能并封存CO?。Mao等人[48]对用于生产混凝土砌块的碳化再生混凝土细粉进行了从摇篮到大门的生命周期评估和经济评估，在产品层面比较了两种生产路线，并报告了CO?排放、能源使用和成本的显著降低。Wang等人[49]系统综述了碳化再生混凝土细粉的CO?封存，但所综述的研究在粉末来源、碳化路线和功能单位方面存在差异，这使得直接比较变得困难。

尽管取得了这些进展，但在单一LCA框架下、相同条件下对粉末来源（砂浆衍生的与浆体衍生的）和碳化路线（干法与湿法）进行综合比较仍然有限。此外，多个水泥替代水平下力学性能与环境效益之间的权衡问题也很少受到关注，特别是在使用基于性能的功能单位时。为了弥补这些不足，本研究对掺入碳化再生粉（来自砂浆衍生和浆体衍生部分，通过干法和湿法碳化）的水泥砂浆进行了从摇篮到大门的对比性生命周期评估。对于干碳化砂浆粉，评估了多个水泥替代水平（0-30%），以建立替代率与GWP贡献因子之间的定量关系。随后测量这些混合物的抗压强度以评估力学性能。在此基础上，进行强度-环境权衡分析以确定优选的替代水平。在选定的水平下，进行标准化的单参数敏感性分析以评估结果对关键输入参数的稳健性。随后对所有四种粉末-碳化路线组合进行比较。中点影响量化的指标包括GWP、臭氧形成、酸化、富营养化、土地使用和资源消耗（矿物、化石和水）；终点影响评估的指标包括人体健康、生态系统损害和资源稀缺性。

部分摘录

目标和范围定义

采用LCA框架评估再生粉替代水泥在砂浆生产过程中的系统能耗和环境足迹。这两种情景的LCA按照ISO 14040（ISO, 2006）进行，包括四个分析阶段：目标和范围定义、生命周期清单（LCI）分析、生命周期影响评估（LCIA）和解释，如图1所示。

功能单位：以1 kg新鲜砂浆为基于质量的功能单位是……

中点结果

图3显示了含DCM（干碳化砂浆粉）替代水平为0-30%的砂浆的归一化中点影响。在所有中点类别中，对照砂浆（CM）表现出最高的影响。增加DCM替代降低了影响，其中GWP和矿物资源消耗（RDM）的降低幅度最大。随着碳化再生砂浆粉替代率的增加，这些类别的环境影响逐渐降低。就GWP而言，与CM相比，5%……

结论

本研究量化了掺入碳化再生粉作为部分水泥替代品的水泥砂浆的从摇篮到大门的环境影响，将LCA的中点和终点分析与强度约束相结合。可得出以下结论：

1. 用干碳化砂浆粉替代水泥（0-30%）减少了环境影响，但各指标的敏感性不同。矿物资源消耗（RDM）和GWP是最具响应性的……

局限与展望

本研究聚焦于通过干法和湿法路线生产的碳化再生粉的从摇篮到大门比较，使用实验室制备的模型粉末在受控条件下检验粉末成分的影响。这种设计可以系统地检验粉末成分的影响，然而，建筑与拆除废弃物来源粉末的完全变异性并未被涵盖。此外，碳化特有的效益应在更多方面予以考虑……

CRediT作者贡献声明

Baojian Zhan：写作—审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。Mingjun Xie：写作—审稿与编辑、形式分析。Gongxing Wan：写作—初稿撰写、可视化、验证、调查、数据整理。Yuanyuan Mo：写作—初稿撰写、软件、方法论、调查、数据整理。Haobin Liang：写作—初稿撰写、可视化、验证、调查、形式分析。Yaocheng Wang：写作—初稿撰写……

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文所述工作的报告。

致谢

作者感谢中国国家重点研发计划（2023YFC3807304）、深圳市可持续发展项目（双碳专项，KCXST20221021111205012）、国家自然科学基金（NSFC-FDCT 52361165660、U25A20345、52478269、52178235）、深圳市科技研发基金（20220815102613001）。特别感谢广东省耐久性重点实验室提供的技术支持。

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