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行業新聞
如何利用生命周期評價(LCA)量化混凝土耐久性背后的環境效應
時間:2023-04-10    來源:同濟可持續混凝土 作者:李晨    分享:
本文將為您分享同濟大學蔣正武教授可持續混凝土研究團隊近日于Cement & Concrete Composites雜志(2021-2022最新IF=9.930,JCR一區,Top期刊)發表的最新研究成果Durability of concrete coupled with life cycle assessment: Review and perspective。

本文將為您分享同濟大學蔣正武教授可持續混凝土研究團隊近日于Cement & Concrete Composites雜志(2021-2022最新IF=9.930,JCR一區,Top期刊)發表的最新研究成果Durability of concrete coupled with life cycle assessment: Review and perspective。本文第一作者為同濟大學可持續混凝土研究團隊李晨助理教授,通訊作者為蔣正武教授。


提高混凝土耐久性有助于延長結構使用壽命,減輕維護與重建需求,是水泥、混凝土行業重要的碳減排途徑之一,對我國的雙碳戰略意義重大。混凝土生產、使用等過程產生的碳排放可通過生命周期評價(LCA)進行計算,而混凝土材料與結構的高耐久化既需要材料、結構層面的設計,也影響其使用壽命與維護頻次。提高混凝土耐久性能否產生環境收益、如何利用LCA準確量化這一效應,受到國內外學者的廣泛關注。


文章首先回顧了混凝土耐久性設計的基本方法、混凝土耐久性破壞基本原理及壽命計算模型,指出了與混凝土環境效應有關的耐久性問題,并提出三種量化混凝土耐久性的基本方法:實驗參數、原材料用量及使用壽命(圖1)。對比認為,實驗參數具有靈活便捷的特點,但其往往與混凝土制備、使用等過程產生的環境效應不具備直接關聯;原材料用量受材料、結構設計,維修方式等多因素影響,計算較為復雜。相比來說,使用壽命是量化耐久性最直接的方式,但其依賴于可靠的壽命預測模型,比較適合碳化、氯離子等環境。

圖1 影響混凝土環境效應的耐久性問題及其量化方法


進一步研究發現,在混凝土(結構)設計階段引入壽命預測模型,優化結構設計方法,可以有效降低混凝土(結構)生命周期內的環境影響總量(圖2)。這一設計方法被稱為基于性能的耐久性設計方法(Performance-based design method),與傳統的條文型設計方法(Perspective design method)形成對應。通過計算基于性能的耐久性設計所需的材料總量,能夠量化混凝土(結構)耐久性,并減少結構使用壽命不足、維修頻次過高產生的負面作用,是準確評價混凝土耐久性相關環境效應的關鍵(圖3)。

圖2 通過基于性能的設計方法優化混凝土(結構)的環境影響總量

圖3 基于性能的耐久性設計方法與基于條文的設計方法對比


通過梳理各方法,文章提出了基于耐久性的LCA方法框架(圖4)。這一方法框架整合了上述兩種耐久性設計方式,利用基于性能的設計方法實現碳化、氯離子等環境下的耐久性優化,并通用于其他環境類別。在此基礎上,文章論述了該領域的發展趨勢:開發適用于不同環境的壽命預測模型,探索更加便捷的耐久性量化方法,開展新材料、新技術的耐久性與環境效應研究,制訂基于環境效應的混凝土設計規范等。

圖4 基于耐久性的LCA框架簡圖


本項研究成果受到國家自然科學基金、科技部十四五重點研發計劃、工信部“2021產業技術基礎公共服務平臺項目等支持。蔣正武教授可持續混凝土團隊多年來一直致力低碳先進土木工程材料可持續化理論與方法的研究主線,近5年累計在Advanced Materials, CCR, CCC, CBM等期刊發表SCI論文70余篇。



目前論文已經在線發表在Elsevier出版集團Cement & Concrete Composites雜志,歡迎大家在以下鏈接下載瀏覽:



https://authors.elsevier.com/a/1goYs3Q2WYtB52





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