Καθορισμός παραμέτρων για την εκτίμηση του κύκλου ζωής και του κόστους εφαρμογών άοπλου σκυροδέματος

Abstract

The research for the present thesis focuses on the development of a model that assesses the environmental impacts from concrete production and unreinforced concrete construction (usually for infrastructures), according to the parameters met in the Greek construction industry. The development of the model implements the methodology of Life Cycle Assessment (LCA), as it is described in the international standards ISO 14040 and 14044. The first part of the model consists a database of the environmental flows from the production of 11 of the most common cement types that are being produced by the Greek cement industry, as well as the flows from all intermediate products that are part of cement production (raw materials, fuels, machinery operation). The database also includes the environmental flows from the production of 5 common types of concrete (C12/15, C16/20, C20/25, C25/30, C30/37) which fulfill the design requirements for common environmental conditions, but also the flows of alternative concrete mixtures that come from actual projects of infrastructures in Greece and they incorporate industrial byproducts. The model is completed by the assessment of the environmental impacts from the production of all the above-mentioned products and the construction of a rigid road pavement, according to the framework of LCA. The environmental impact categories that are being considered are those proposed by EN 15804 (climate change, abiotic depletion and fossil potential, acidification, photochemical ozone creation and eutrophication) along with the category of human toxicity, which was added due to the nature of the recorded environmental flows. For the category of abiotic depletion, since the implemented method does not consider the potential depletion of limestone, a research is conducted in order to calculate characterization factors based on local data of deposits and extraction on a national, district and prefecture level. For 3 of the studied concrete types, a sensitivity analysis was also conducted, comparing the results of the proposed model, to corresponding results of an LCA software, that utilizes data from industries of Central Europe. For the construction stages included in this research (manufacturing of building materials/construction products, construction), except from the main course of the research, there is a parallel investigation of the economical assessment of a project, as an inextricable aspect of the sustainable design of construction. The created database in this thesis can be used either on its own as a complete tool for the calculation of the environmental footprint of a wide range of construction products in Greece, or it can be incorporated into existing LCA software, that use foreign databases, in order to adopt them to the Greek reality. The developed model gives the potential to the engineer/user to have a direct knowledge for the environmental profile of the assessed building products and constructions, with quantitative results coming from transparent and comprehensive databases. Moreover, it gives the potential of its further expansion, with additional building materials and construction means, in order to be up to date with the trends of the Greek construction industry.

Το αντικείμενο της έρευνας αφορά την ανάπτυξη μοντέλου για την εκτίμηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων από την παραγωγή σκυροδέματος και την κατασκευή έργων από άοπλο σκυρόδεμα (συνήθως έργων υποδομής), σύμφωνα με παραμέτρους της Ελληνικής κατασκευαστικής βιομηχανίας. Για τη ανάπτυξη του μοντέλου, χρησιμοποιείται η μεθοδολογία της Εκτίμησης Κύκλου Ζωής (ΕΚΖ) όπως περιγράφεται στα διεθνή πρότυπα ISO 14040 και 14044. Το μοντέλο αποτελείται αρχικά από βάση δεδομένων περιβαλλοντικών ροών για την παραγωγή 11 βασικών τύπων τσιμέντου της ελληνικής τσιμεντοβιομηχανίας, καθώς και όλων των επιμέρους προϊόντων που συμμετέχουν στην παραγωγή του (πρώτες ύλες, καύσιμα, δομικές μηχανές). Η βάση δεδομένων περιέχει επίσης τις ροές για 5 συνήθεις κατηγορίες σκυροδέματος που συναντώνται στις κατασκευές (C12/15, C16/20, C20/25, C25/30, C30/37) και καλύπτουν τις απαιτήσεις σχεδιασμού για τις κατηγορίες έκθεσης σε συνήθη περιβάλλοντα, αλλά και αντίστοιχες ροές ειδικών συνθέσεων σκυροδέματος, οι οποίες έχουν εφαρμοστεί σε έργα υποδομής, με κοινό χαρακτηριστικό την αξιοποίηση βιομηχανικών παραπροϊόντων. Το μοντέλο ολοκληρώνεται με την εκτίμηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων, σε επίπεδο προϊόντος για όλα τα προαναφερθέντα τσιμέντα και σκυροδέματα και σε επίπεδο κατασκευής για δύσκαμπτο οδόστρωμα, σύμφωνα με το μεθοδολογικό πλαίσιο της ΕΚΖ. Οι κατηγορίες επιπτώσεων που αξιολογούνται είναι αυτές που προτείνονται από το EN 15804, σε ότι αφορά τα δομικά προϊόντα (κλιματική αλλαγή, εξάντληση αβιοτικών πόρων και ορυκτών καυσίμων, οξίνιση, σχηματισμός φωτοχημικού όζοντος και ευτροφισμός) ενώ αξιολογείται επιπλέον και η κατηγορία της τοξικότητας στον ανθρώπινο οργανισμό, λόγω της φύσης των καταγεγραμμένων ροών. Για την κατηγορία της εξάντλησης αβιοτικών πόρων, καθώς η χρησιμοποιούμενη μέθοδος χαρακτηρισμού δεν αξιολογεί την πιθανή εξάντληση ορυκτών όπως ο ασβεστόλιθος, πραγματoποιείται διερεύνηση υπολογισμού παραγόντων χαρακτηρισμού για τα διαθέσιμα κοιτάσματα και την ετήσια παραγωγή στην Ελλάδα, σε επίπεδο εθνικό, Περιφέρειας και Νομού. Σε ότι αφορά τις συνήθεις κατηγορίες σκυροδέματος, για τις 3 από αυτές πραγματοποιείται ανάλυση ευαισθησίας, με τον υπολογισμό των ίδιων κατηγοριών επιπτώσεων με δεδομένα από βιομηχανίες της Κεντρικής Ευρώπης. Για τα στάδια που περιλαμβάνονται στην έρευνα (παραγωγή δομικών υλικών/προϊόντων, κατασκευή) γίνεται παράλληλα με την κύρια κατεύθυνση της έρευνας, αναφορά στην θεώρηση του κόστους ενός έργου, ως αναπόσπαστο τμήμα του αειφόρου σχεδιασμού των κατασκευών. Η βάση δεδομένων που δημιουργείται στη διατριβή μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τον μελετητή είτε αυτόνομα για τον υπολογισμό του περιβαλλοντικού ίχνους μιας ευρείας γκάμας των πλέον συχνά χρησιμοποιούμενων δομικών προϊόντων στην Ελλάδα, είτε και συνδυαστικά με αντίστοιχα λογισμικά ΕΚΖ τα οποία χρησιμοποιούν δεδομένα άλλων χωρών, με σκοπό να τα προσαρμόσουν στην ελληνική πραγματικότητα. Το μοντέλο που αναπτύσσεται, παρέχει τη δυνατότητα στον μελετητή/χρήστη να έχει άμεση εικόνα για το περιβαλλοντικό προφίλ των δομικών προϊόντων και κατασκευών που αξιολογούνται, με ποσοτικά στοιχεία βάσει αξιόπιστων δεδομένων. Επιπλέον παρέχει τη δυνατότητα περαιτέρω επέκτασής του και με άλλα υλικά και μέσα κατασκευής, έτσι ώστε να είναι ενημερωμένο και σύγχρονο με τις εκάστοτε τάσεις της ελληνικής κατασκευαστικής βιομηχανίας.