摘要
在“双碳”战略背景下，本文系统研究了利用多源工业固废（粉煤灰、钢渣、煤矸石、建筑垃圾）与石灰协同制备道路材料的全生命周期环境影响。基于生命周期评价（LCA）方法，量化比较了传统石灰土、单一固废协同及多源固废协同三种技术路线的资源消耗、能源消耗和碳排放。通过多目标优化模型，提出了环境影响最小化的材料配比与工艺参数，为道路工程低碳化转型提供了数据支撑与决策依据。
一、多源固废的特性分析与兼容性评估
- 典型固废的物化特性
粉煤灰（FA）：富含SiO₂、Al₂O₃的玻璃微珠，火山灰活性高，需碱性激发。
钢渣（SS）：含硅酸钙矿物，具有一定自硬性，但安定性差，需陈化处理。
煤矸石（CG）：碳质页岩，活性低，需煅烧活化（700-800℃）或机械激发（超细磨）。
再生建筑骨料（RCA）：成分复杂，附有老砂浆，吸水率高，需预处理增强界面。
- 固废-石灰协同机理
活性激发互补：石灰提供Ca(OH)₂与高碱环境（pH>12.5），激发粉煤灰、钢渣的潜在活性，生成C-S-H与C-A-H凝胶。
级配与骨架优化：钢渣与建筑垃圾再生粗骨料构成坚实骨架，粉煤灰与细磨煤矸石填充孔隙，石灰胶结料包裹粘接。
体积稳定性调控：利用钢渣中游离氧化钙的微膨胀特性，补偿体系干燥收缩。
- 关键兼容性问题与解决方案
安定性风险：钢渣中f-CaO和f-MgO遇水延迟膨胀。解决方案：强制陈化（洒水闷料≥14天）或掺加粉煤灰、矿渣粉抑制。
活性抑制：建筑垃圾再生骨料附着的旧水泥浆体会竞争性消耗Ca(OH)₂。解决方案：增加石灰掺量或对RCA进行酸洗预处理。
重金属浸出：部分固废含微量重金属。解决方案：通过石灰的高pH环境固化封存，确保浸出浓度低于标准限值。
二、全生命周期评价模型构建与情景设定
- 评价范围与系统边界
功能单位：1立方米道路基层材料，设计使用年限15年。
系统边界：从“摇篮到坟墓”，包括原材料获取与预处理、材料生产与运输、施工铺设、运营维护、拆除与废弃处置/再生。
- 清单数据来源与质量
背景数据：采用中国生命周期数据库（CLCD）和Ecoinvent数据库，并进行区域化修正。
现场数据：从合作钢铁厂、电厂、建材再生企业及施工现场实测获取。
分配原则：对于固废，采用“零负担”原则，仅计算从产废点到利用点的收集、运输与预处理能耗。
- 环境影响评价指标
资源消耗：不可再生资源消耗（ADP），单位：kg Sb eq。
能源消耗：一次能源需求（PED），单位：MJ。
碳排放：全球变暖潜势（GWP100），单位：kg CO₂ eq。
其他：酸化潜势（AP）、富营养化潜势（EP）。
三、不同技术路线的LCA结果对比分析
- 情景设定
情景A（基准）：传统石灰稳定土（石灰:天然土=6:94）。
情景B（单废利用）：石灰-粉煤灰稳定碎石（石灰:粉煤灰:碎石=6:24:70）。
情景C（多废协同）：石灰-粉煤灰-钢渣-再生骨料稳定材料（石灰:粉煤灰:陈化钢渣:再生骨料=5:15:30:50）。
- 各阶段影响贡献分析
原材料阶段：
情景A：石灰生产（煅烧）的能耗与碳排放占该阶段的85%以上。
情景B：石灰生产仍是主要贡献者，但粉煤灰利用带来了显著的碳抵消效益。
情景C：石灰用量进一步减少，且大宗利用钢渣与建筑垃圾，该阶段GWP较情景A降低62%。
运输阶段：
情景C因需从多处运输固废，运输距离总和增加，但其单位质量环境负荷低，综合影响仍低于开采运输天然土石的情景A。
施工与维护阶段：
多废协同材料强度高、水稳定性好，预估维护频率降低30%，全生命周期维护阶段的环境影响降低25%-40%。
废弃阶段：
情景C材料经破碎后可作为再生骨料再次利用，具有闭环潜力。
- 综合对比结果
GWP：情景C < 情景B < 情景A。情景C的GWP仅为情景A的45%。
PED：情景C因固废预处理（破碎、磨细）能耗增加，但与节省的石灰煅烧和天然骨料开采能耗相抵后，仍低于情景A。
ADP：情景C优势最显著，大幅减少了对天然砂石资源的消耗。
