比较生命周期评估纤维增强聚合物作为一种可持续的钢筋混凝土梁的选项
萨米Sbahieh
戈登·麦凯
萨米·g·阿尔哈姆迪- 1可持续发展部门,大学的科学和工程,哈马德•本•哈利法大学,多哈,卡塔尔
- 2环境科学与工程项目、生物学和环境科学与工程部门,阿卜杜拉国王科技大学(KAUST) Thuwal,沙特阿拉伯
- 3KAUST气候和宜居性倡议,阿卜杜拉国王科技大学(KAUST) Thuwal,沙特阿拉伯
环保意识和可持续建筑的启发研究者和实践者需要探索创新的替代,可能减少温室气体排放和能源使用过度的结构相关的工作。这样的一个替代方法是利用纤维增强聚合物(FRP)酒吧作为钢筋混凝土钢筋成员。玻璃钢棒具有良好的特征像抗拉强度高,重量轻,耐腐蚀性能与钢相比。这个特性使得纤维塑料筋一个潜在的解决方案利用海水代替淡水在混凝土混合物中,特别是在地区面临着严酷的气候和水资源短缺像阿拉伯半岛。本文旨在通过生命周期评估和评估环境影响评估的玻璃纤维增强聚合物酒吧、碳纤维增强塑料制成,钢比钢筋玻璃纤维增强聚合物的酒吧。此外,另一个LCA进行比较淡化的淡水钢筋梁用GFRP /碳纤维增强塑料筋梁与混凝土混合料的海水。结果表明GFRP杆表现得比钢筋在10 14个奖项,碳纤维增强塑料制成,而酒吧表演比10的14个奖项的钢筋。SGFRP栏有一个钢铁和GFRP杆之间的结果,超过10个类别的钢筋。此外,GFRP梁表现出更好的环保性能比9的钢梁14个奖项,而碳纤维增强塑料梁表现好于8个类别的钢梁,归因于配筋率的减少由于高强度的碳纤维增强塑料和GFRP酒吧相比,钢棒。总的来说,这项研究揭示了在建设和使用玻璃钢棒可能带来的环境优势突出可持续建筑实践的重要性环境影响最小化。
1介绍和背景
在过去的几十年中,纤维增强聚合物(FRP)复合材料有演变成经济竞争力和结构实用的建筑材料(银行,2006)。高分子基正逐渐被用于广泛的结构,特别是在严酷的环境下如海洋环境或化工、金属型材需要昂贵的定期维护(塔莉,2010;法兰et al ., 2013)。高分子基很容易制造,可以定制来满足性能标准(李和耆那教的,2009年)。他们设法吸引很多注意力在土木工程社区由于其良好的特点,如减少体重相比传统的钢铁、拉伸强度高、防腐特性,和高特定刚度(腾et al ., 2003;李和耆那教的,2009年;Brigante 2014;Mugahed Amran et al ., 2018)。玻璃钢复合材料主要是形成使用玻璃、芳纶、碳,或聚酯玄武岩纤维嵌入在一个矩阵,乙烯基酯或环氧树脂(Sbahieh et al ., 2022 a;2022 b)。纤维通常提供强度和高刚度,而树脂的作用是保持纤维,纤维之间转移部队,保护他们库雷希,2022)。FRP复合材料在土木工程中的应用从恢复现有的结构,其中包括加固、改造,修复结构,采用玻璃钢复合材料强化的新项目,完全或部分,类似于concrete-FRP结构(Einde et al ., 2003;Zaman et al ., 2013)。玻璃钢复合材料用于内部钢筋(酒吧、肌腱和棒)以及外部强化(表、包装和复合材料)(Gudonis et al ., 2014;Sbahieh et al ., 2022 a)。玻璃纤维增强聚合物(GFPP),玄武岩纤维增强聚合物(粘贴),碳纤维增强聚合物(碳纤维增强塑料),芳纶纤维增强聚合物(滞)是四个最常见的形式的FRP加固(Sbahieh et al ., 2022 a;西安et al ., 2022)。高分子基通常表现出线弹性拉伸应力-应变行为失败,直到被称为脆性行为,发生突然,没有足够的通知(哈里斯et al ., 1998)。GFRP增强纤维和碳纤维增强塑料是目前最常用的聚合物基体复合材料(Mugahed Amran et al ., 2018;库雷希,2022)。比其他形式的高分子基碳纤维增强塑料的主要好处是它的高拉伸强度和弹性模量,减少变形在CFRP-reinforced部分(Gudonis et al ., 2014;Maxineasa Taranu, 2018)。GFRP的主要好处是它的高强度,耐水,耐化学性和低成本。然而,GFRP的基本缺点是它的低弹性模量、抗碱性条件有限,抗疲劳强度低,和较低的长期强度由于应力破裂(Gudonis et al ., 2014;Maxineasa Taranu, 2018;李et al ., 2021)。碳纤维增强塑料具有高弹性模量、轻量级、低电导率,优秀的抗蠕变性,疲劳强度高,不会吸收水分。然而,一个主要的缺点是非常高的能量需要制造碳纤维,导致昂贵的成本。他们也有各向异性性质,抗压强度差,和电化学腐蚀的风险直接联系钢(Gudonis et al ., 2014;Mugahed Amran et al ., 2018;Abbood et al ., 2021;郭et al ., 2023)。
是经常利用钢筋混凝土梁,以提高他们的韧性行为和失败之前发出警告。通过添加钢钢筋混凝土梁,从而提高了结构的失败前的变形和吸收能量的能力。这种韧性行为是可取的,因为它允许结构弯曲和flex没有经历突然的或灾难性故障(El-Mogy et al ., 2010)。另一方面,低断裂伸长率的FFP酒吧是一个重要的问题时,在混凝土结构中的应用。玻璃钢材料的脆性行为失败可能导致抗震性能不足和提出问题的能力分配负载和时刻在梁(El-Mogy et al ., 2010)。GFRP-reinforced混凝土柱表示线性地震荷载作用下弹性行为和残余位移小于钢筋钢筋列(Tavassoli et al ., 2015)。这些发现表明,玻璃钢钢筋混凝土结构在地震能量耗散能力较低。因此,一种新型的混合钢筋,Steel-FRP复合酒吧(SFRP),推荐,这是由内在竹节钢筋与FRP皮肤钢芯为了利用FRP增强耐久性的同时避免纤维塑料筋的线弹性行为(吴et al ., 2012;董et al ., 2016)。
1.1 Steel-GFRP强化
混凝土结构趋于恶化的风险由于钢腐蚀(Sbahieh et al ., 2022 a)。一个可行的选择是用钢筋的不同类型的酒吧与高强度钢相比,玻璃钢棒(李et al ., 2015)。然而,至关重要的是要记住,纤维塑料筋比钢筋弹性模量较低。这表明,尽管玻璃钢酒吧有很长的弹性变形破裂之前,他们的破裂是脆弱的,这可能导致严重损害结构(刘et al ., 2019)。另一方面,钢铁塑料高断裂应变性质,但其弹性变形阶段通常不长,和屈服强度并不总是足够高(赫恩,1997)。此问题的解决方案是将钢和玻璃钢棒在一起的好处。混合FRP-steel复合杆系是一种有效的选择减少腐蚀的风险,提高承载力,抵制突如其来的灾难性故障(Mazaheripour et al ., 2016;刘et al ., 2019;Rimkus et al ., 2019)。混合杆,钢延性和强度,而GFRP提供耐蚀性和硬度。steel-FRP复合酒吧为钢筋混凝土柱进行了测试(太阳et al ., 2011),发现Steel-FRP酒吧钢筋列相比具有更好的抗震性能。Steel-GFRP复合酒吧(SGFRP)显示双线性曲线,随着弹性变形发生前钢组件产生在第一个拐点。GFRP这一点后仍然具有弹性,而钢经历塑性变形。SGFRP展品弹塑性变形和峰值负载的结果GFRP组件的破裂。一旦达到峰值负载,GFRP组件可以不再承担负载,力是由钢组件单独完成。最后高原等于钢组件时,钢的屈服强度发生塑性流动,和GFRP组件变得完全负载carrying-free当钢组件达到断裂应变(刘et al ., 2019)。
1.2强化材料的环境影响
可持续发展的建筑材料在建筑的环境性能是至关重要的因素,影响结构在整个生命周期中不同的阶段。结果,评估和选择可持续的建筑材料如玻璃钢已经决定根据生命周期评价(LCA)方法(丁,2013)。生命周期评价(LCA)是一种创建的方法来衡量和理解环境影响商品或服务。它考察了环境影响整个产品的整个生命周期,从原材料的采购(摇篮)制造、使用、回收和处置(坟墓)(Tahir et al ., 2022)。很少有研究调查在混凝土结构采用玻璃钢的环境影响。LCA进行比较粘贴纤维钢筋混凝土(RC)梁钢筋的钢筋混凝土梁(曼et al ., 2017)。研究结果表明,粘贴RC梁优于钢RC梁在十八环境影响类别。在另一项研究中,人们发现通过LCA GFRP /碳纤维增强塑料筋海水海砂比钢筋束光束的环境影响有显著降低(董et al ., 2021)。采用粘贴酒吧的环境影响的钢筋混凝土梁中钢筋调查使用生命周期评估(LCA) (Pavlovićet al ., 2022)。据报道,粘贴纤维束比钢梁在18中点类别。此外,玄武岩纤维生产的环境影响相比普通钢纤维的使用生命周期评估(Fořt et al ., 2021)。结果表明,主要用于抗压和抗弯强度,玄武岩加固提供了一个环境强度大幅减少每单位力量。此外,这是说粘贴纤维,碳纤维增强塑料,GFRP-reinforced梁使用更少能源和产生更少的二氧化碳排放比钢筋梁(加戈和Shrivastava 2019)。
1.3在混凝土中使用的海水
全球淡水的供应可能会严重影响全球人口的不断增长以及气候变化的影响(Nishida et al ., 2015)。世界气象组织(WMO)预测,到2050年,超过五十亿人没有获得足够的干净的饮用水(世界气象组织,2021年)。具体的制备需要16.6 * 109米3每年的淡水,相当于年度国内消费1.45亿的美国人在美国和大约18%的全球年度工业用水需求(米勒et al ., 2018)。因此,使用海水混凝土混合料预计将面临缺水最有利的地区,像阿拉伯半岛,中亚和北非(Ebead et al ., 2022)。海水混凝土混合物由替换使用的淡水与海水混合混凝土。混凝土的强度和耐久性受到海水可能会削弱了盐的存在在不同的比率。一些报告表明在海水中可溶性盐的平均浓度为3.5% (伊斯兰教et al ., 2010)。此外,盐对混凝土有三个不同的影响:机械强度(损失),化学腐蚀的水泥钢筋的矩阵和退化),和物理(潮汐和海浪)(Mangi et al ., 2021)。在早期抗压强度增加(14天)与海水样品准备和治愈,而衰减之间观察到年龄28和90天相比减少3.8%到14.5%不等的淡水混合物(Wegian 2010),而在另一项研究中,(大月et al ., 2011)报道,海水混凝土的长期抗压强度略高于普通混凝土。混凝土抗拉强度提高了10% -20%治愈与海水(Abdel-Magid et al ., 2016)。没有显著的变化在混凝土梁的抗弯强度和治愈使用海水梁相比,准备和治愈利用淡水(Mangi et al ., 2021)。然而,报道比例不超过自然分散在混凝土的力学性能,因为它的非均匀结构(Jakubovskis et al ., 2018)。
FRP-reinforced混凝土结构的耐久性可以被接触碱性或潮湿和热环境。因此了解纤维塑料筋的退化机理的关键,确保纤维塑料筋的优化设计和技术指导在实际条件下长期性能和可靠性。(冯et al ., 2022)。玻璃钢钢筋耐久性失效的主要原因是纤维的降解,树脂,fiber-resin接口(Zhang et al ., 2022)。当纤维塑料筋接触到水或一个碱性环境,初步降解树脂由于塑化和水解(周和卢卡斯,1999)。树脂降解导致减少纤维塑料筋的荷载传递能力,降低其抗拉强度(李et al ., 2021)。玻璃钢杆的树脂保护暴露的损失fiber-resin接口水和哦−伴随着树脂的大分子链,迅速恶化纤维(冯et al ., 2022)。纤维显著恶化的结果哦−蚀刻(用于玻璃和玄武岩纤维)和Cl−腐蚀(只对玄武岩纤维)(王et al ., 2017)。fiber-resin界面失去机械咬力和化学结合力(李et al ., 2022),最终导致失败的纤维和树脂,纤维塑料筋的恶化。因此,树脂水解玻璃钢杆退化的主要原因,其次是fiber-resin界面的剥离和纤维损伤,最终导致玻璃钢杆故障(Fergani et al ., 2018)。
1.4研究的目的
本研究的目的是评估和评估环境影响通过生命周期评估(LCA)的防腐材料像玻璃纤维增强聚合物(GFRP)酒吧、碳纤维增强聚合物(碳纤维增强塑料)酒吧,steel-glass纤维增强聚合物(SGFRP)酒吧相比,钢棒。此外,另一个生命周期评价是进行钢筋梁和GFRP /碳纤维布加固梁相比。为了减少环境影响的钢筋混凝土梁和减少在卡塔尔的使用淡水,海水代替淡水与海水淡化厂后的混凝土混合料中使用了碳纤维增强塑料/ GFRP酒吧RC梁。
这个工作的创新在于环境影响综合评价的几种类型的强化,如钢铁、GFRP SGFRP,碳纤维增强塑料,使用生命周期评估。的比较研究还包括RC梁钢筋与这些材料的环境影响,为决策者提供有价值的见解和工程师选择合适的材料为可持续建筑。海水代替淡水的使用后的混凝土混合物的GFRP /碳纤维增强塑料棒也是一个创新的方法对钢筋混凝土梁和淡水的使用对环境的影响最小化。本研究有助于可持续发展的建设实践和为未来的研究提供了一个框架结构的环境影响评估。
2方法和材料
在本节中三梁设计;第一种是根据ACI 318 r-14(混凝土梁设计ACI 318 - 14, 2014年),铸出使用海水淡化淡水和钢筋与钢筋和箍筋;第二个是混凝土梁用海水和GFRP加固酒吧和箍筋,而第三个是使用海水和钢筋混凝土梁(碳纤维增强塑料酒吧和箍筋。第二个和第三个梁设计根据ACI 440.1 r-15 (ACI 440 1 r-15, 2015),ACI 440.6 m-08 (ACI 440.6 m-08, 2008),ACI -08 - 440.5 (美国混凝土协会,2008)。三梁设计时在这项研究中评估环境影响不同类型的钢筋。这些梁结构设计的一个真实的例子。它们由一个单孔固定支持和辊两端的支持。三个矩形截面梁500 * 300毫米,长度5米,如图所示图1。三梁设计携带相同的负载不同内部增援部队由于钢的不同属性,GFRP和碳纤维增强塑料棒。恒载和活载计算假设梁承载着一半的体重4 * 5米的板,除了体重3米的身高和25厘米厚板周围的墙。恒载和活载计算,决定是18 kn / m和3 kn / m。梁主要由水泥、沙子、砾石、淡水和海水淡化海水,钢/碳纤维增强塑料/ GFRP加固。旧砂是由破碎花岗岩和体积密度为1550公斤/米3。砾石占据了绝大多数的粗骨料混凝土,体积密度为1350公斤/米3。淡化海水淡水从Ras Abofantas植物在卡塔尔是用于钢筋梁,在海水中使用GFRP /碳纤维增强塑料梁。海水的密度和淡化海水淡水1030公斤/米3和1000公斤/米3,分别。普通硅酸盐水泥(OPC)是用于铸造三光束,它的体积密度为1440公斤/米3。标准热轧钢钢筋密度为7850公斤/米3被用作钢筋梁的钢筋。GFRP和碳纤维增强塑料钢筋作为替代钢筋采用GFRP / CFRP-reinforced梁。的密度GFRP酒吧、碳纤维增强塑料reinforecement酒吧,和环氧树脂1900公斤/米3,1700公斤/米3,1200公斤/米3,分别。水灰比是设置为0.45。为了建立三个梁,需要一个特定数量的材料,他们是416公斤水泥、448公斤,780公斤粗骨料,187 lite的海水或淡化海水。钢筋的数量,给出了梁的尺寸图1。玻璃钢光束设计使用(ACI 440 1 r-15, 2015)。梁检查裂缝宽度,再有偏转,蠕变断裂应力和剪切。相关细节提出了钢筋用于的属性表1和GFRP的细节/ CFRP-designed梁所示表2。
图1。梁截面设计细节。
表1。使用钢筋的属性。
表2。GFRP /碳纤维增强塑料的细节设计。
3生命周期评估(LCA)
生命周期评价在环境影响评价执行碳/玻璃纤维增强聚合物。进行生命周期评价的框架。评估将遵循LCA框架建立了国际标准化组织ISO 14040 (ISO 14040、2006)。发达的LCA RC梁地址的所有环境因素在整个成员的生命周期,从原材料的提取,直到产品准备好了在工厂或现场。进行了LCA使用加LCA软件构建系统模型和评估两个场景的环境影响。
3.1目标和范围
本研究的目的是评估和评价环境的影响相比,碳纤维增强塑料/ GFRP / SGFRP钢;因此,在本研究中,下列生命周期评估进行了评估。
•Cradle-to-gate生命周期评估,评估的环境影响碳纤维增强塑料/ GFRP / SGFRP钢筋与钢筋相比。LCA的功能单位是一个1米长杆直径12毫米。
Steel-FRP复合栏(SGFRP)是由一个内部竹节钢筋与GFRP皮肤钢铁核心。图2显示了横截面的四个研究酒吧。
图2。的横截面分析。
•Cradle-to-gate生命周期的环境影响评估研究碳纤维增强塑料/ GFRP加固梁用钢钢筋混凝土梁相比,海水淡化水,淡水在卡塔尔。功能部件是5 * 0.5 * 0.3米梁可以携带相同的负载不同钢筋(CFRP、GFRP /钢)。
两个系统的边界,包括制造钢/碳纤维增强塑料/ GFRP / SGFRP酒吧和梁的所有其他组件,提出了图3。边界包含原材料开采和生产(环氧树脂、碳纤维、玻璃纤维、沙子、砾石、海水脱盐水、水泥、钢筋和碳纤维增强塑料/ GFRP /)的钢筋混凝土梁和的过程GFRP /碳纤维增强塑料棒。玻璃钢和钢筋都认为是进口来自同一个国家,因此,运输的酒吧和制造材料工厂或工地没有包含在比较LCA的边界。
图3。系统边界制造钢/ GFRP /碳纤维增强塑料。
3.2生命周期库存
所有输入考虑在评价每个功能单元都包含在生命周期库存。的环境影响砂、水泥、碎石、钢筋,海水加数据库中被发现。所选的钢筋生产过程是基于爆炸furnace-basic氧气转炉(BF-BOF)过程由于BF-BOF路径占粗钢总产量的66%以上。相比之下,电弧炉路径负责31%左右,离开BF-open炉方法,导致钢铁生产工业在20世纪初,仅有3%左右(杨et al ., 2014)。
关于生产的淡化水,淡水在卡塔尔,加比软件开发的一个模型(甘露聚糖et al ., 2019)生产淡水的Ras阿布Fontas植物在卡塔尔是用来计算脱盐淡水的环境影响。然而,碳纤维增强塑料的生产过程和GFRP酒吧加数据库中不存在;因此,创建一个新进程执行一个完整的LCA。碳纤维增强塑料和GFRP酒吧主要是由树脂和玻璃/碳纤维,纤维含量不应小于55% (ACI 440年委员会,2000年)。这个参数在不同制造商,所以比80%纤维和20%的树脂在这项研究中被采用。环氧树脂是树脂用于玻璃钢材料(百花大教堂和Valenza, 2013);因此,它被选为纤维塑料筋的矩阵。生产环氧树脂的过程中,玻璃纤维和碳纤维可以加数据库中找到。的原产地是德国环氧树脂,玻璃纤维和碳纤维。表面处理,包括砂涂料,估计有0.3 MJ /公斤的能源强度。GFRP /碳纤维增强塑料棒制造使用拉挤成型过程中,有一个能量强度3.1 MJ /公斤(铃木和高桥,2005年)。
3.3生命周期影响评价
食谱方法是影响评估方法用于本研究的生命周期影响评价(LCIA)。菜谱成立于2008年的国家之间的合作,内梅亨大学奈梅亨,莱顿大学,和之前的可持续性。食谱方法的主要目标是简化大量生命周期库存发现少量的指标分数。环境影响的相对严重程度分类指标分数所代表的是(Huijbregts et al ., 2017)。所选择的环境影响类别是气候变化(CC),臭氧损耗(OD),电离辐射(IR),细颗粒物的形成(及),陆地酸化(TA)、淡水富营养化(聚全氟乙丙烯)、淡水生态毒性(场效应晶体管),人类的毒性(HT)、水消耗(WD)化石损耗(FD),金属损耗(MD),陆地生态毒性(TE),海洋生态毒性(MEC),海洋富营养化(并)和光化学氧化剂的形成(POF)。配方的方法创建要在全面地检查后的科学文献,从利益相关者的反馈。环境影响类别选择因其相关性对人类健康、生态环境质量和资源的可用性(Goedkoop et al ., 2009)。每个类别选择由于某些影响。气候变化(CC)是包括由于大量温室气体排放对全球气温的影响,对生态系统和人类健康的影响。电离辐射(IR)有可能影响人类健康和环境。细颗粒物的形成及)被选中是因为空气颗粒物对人类健康和生态系统的影响。陆地酸化(TA)和淡水富营养化(聚全氟乙丙烯)可能会影响陆地和水生生态系统。淡水生态毒性(场效应晶体管)和陆地生态毒性(TE)有可能危害生物体在淡水和陆地生态系统,分别。海洋生态毒性(MEC)和海洋富营养化(并)可能危害海洋生态系统。人类的毒性(HT)被选中,因为可能的化学物质和污染物对人体健康的影响。水消耗(WD)化石损耗(FD)和金属损耗(MD)对资源的可用性的影响因此影响未来几代人。 Photochemical oxidant formation (POF) was selected because of ground-level ozone’s negative effects on human health and ecosystems (Goedkoop et al ., 2009)。
4结果和讨论
本节分为两个主要部分;第一部分是生命周期评估GFRP /碳纤维增强塑料/ SGFRP酒吧与钢筋相比,第二是LCA碳纤维增强塑料/ GFRP加固梁与钢筋梁相比。
4.1生命周期评价的碳纤维增强塑料、GFRP SGFRP和钢棒
比较的结果的环境影响与玻璃、钢筋steel-glass和碳纤维塑料筋(1米长12毫米直径)中演示了表3。cradle-to-gate生命周期评估结果表明GFRP杆最显著减少环境的影响相比,钢铁和碳纤维增强塑料棒。GFRP酒吧表现得比钢筋在十14个奖项,而碳纤维增强塑料棒的糟糕环境影响在10比钢筋的14个奖项。GFRP酒吧环境优势钢筋在CC等类别,FD, HT, WD,减少为65.6,54.65,10.24和94.9%,分别。碳纤维增强塑料条环境影响最差的分数比其他钢筋,如所示图4。在制造的过程中碳纤维增强塑料酒吧、碳纤维的显性效应相比,环氧树脂生产、拉挤成型过程中,和砂层14环境影响类别,在那里,他们负责大约62%的-94%在类别学习的影响。玻璃纤维的执政环境的影响相比,环氧树脂在8的14个奖项在GFRP杆的生产过程中,约占16.8% - -90.2%的总环境影响所选类别。比钢SGFP酒吧通常有较低的环境影响和碳纤维增强塑料棒;然而,SGFRP酒吧有更高的环境影响值相比,GFRP酒吧。SGFRP酒吧可以被视为GFRP和钢铁之间的妥协,在SGFRP酒吧有较高的抗拉强度比钢和有一个更好的韧性行为而GFRP的脆性行为。
表3。环境影响类别的钢铁、碳纤维增强塑料,SGFRP和GFRP酒吧。
图4。比较钢、GFRP和碳纤维增强塑料酒吧。
尽管碳纤维增强塑料钢筋比钢更有利的环境指标,SGFRP GFRP酒吧,这些特点并不排除他们在混凝土结构中的应用。碳纤维增强塑料棒的使用取决于每个特定应用程序和可以接受的折衷设计。此外,必须解决碳纤维的高成本而决定是否采用碳纤维增强塑料钢筋混凝土结构。
碳纤维增强塑料酒吧通常利用在减肥的项目和耐久性是重要的考虑,比如桥甲板和海洋结构。碳纤维增强塑料棒的轻量级特性可以最小化能源和运输费用在施工期间,导致整体减少碳足迹。此外,碳纤维增强塑料棒的优越的强度和耐腐蚀会导致更长的使用寿命和降低维护成本。SGFRP酒吧提供了优于其他类型的钢筋,包括抗拉强度高、耐腐蚀、韧性行为。此外,低成本的SGFRP相比,碳纤维增强塑料棒使SGFRP酒吧一个有吸引力的选择,让他们进行各种应用程序的选项。总之,设计师应该能够做出明智的决定在最合适的类型的钢筋采用他们的项目通过检查每个酒吧的优缺点。
4.2生命周期评价的碳纤维增强塑料、GFRP和钢筋加固梁
本节的环境影响评估中使用的不同组件GFRP-reinforced横梁、CFRP-reinforced梁、钢筋梁像水泥、钢铁、碳纤维增强塑料,GFRP,沙子、砾石、海水脱盐水。此外,比较了在评估不同的前面提到的梁总环境影响。
4.2.1钢筋梁准备淡化海水淡水
钢筋束准备的环境绩效与海水淡化淡水评估不考虑这部分运输的材料。每个组件的环境影响产生的值并给出了钢筋梁表4。水泥和钢铁的主要组件是影响自然环境和最严重的环境影响。钢筋束的气候变化和人类的毒性环境类别是严重影响水泥的梁的数量,其次是使用钢筋的负面影响,如图5。化石消耗、水消耗和金属损耗环境影响类别主要是影响钢筋的影响,其次是水泥。水泥负责68.5%的总影响气候变化的类别,而钢铁、沙子、海水淡化、和砾石负责29.7%,0.24%,1%,和0.6%总量的影响。
表4。环境影响类别的脱盐水钢筋梁。
图5。结果对环境影响类别钢筋梁。
4.2.2 GFRP加固梁海水
在本节中,环境绩效的seawater-prepared GFRP-reinforced梁评估不考虑材料的运输。表5显示结果为每个环境影响类别的GFRP-reinforced梁组件。主要元素影响环境和最严重的影响环境是水泥,然后跟着GFRP酒吧。水泥的用量在梁显著影响GFRP-reinforced梁的环境影响类别,如气候变化、人类的毒性,化石损耗,和水的消耗,如所示图6。在气候变化的类别、水泥占88.8%的总体影响,虽然GFRP,沙滩,海水,和砾石都负责10.18%,0.31%,0.003%,和0.31%的总影响,分别。水泥的主要影响10 14环境类别,占总量的51.8% - -92%的环境影响。这个场景证明用GFRP酒吧作为内部钢筋代替钢筋可以减少的总环境影响钢筋混凝土梁。利用GFRP酒吧代替钢筋允许使用海水代替淡水的淡化水,加劲梁,这减少了使用水在混凝土混合物产生的碳排放量94.7%。
表5。环境影响类别的GFRP加固梁海水。
图6。结果影响类别对GFRP加固梁。
4.2.3 CFRP-reinforced梁海水
本节的环境绩效评估CFRP-reinforced seawater-prepared梁没有考虑材料的运输。环境影响的结果为每个类别CFRP-reinforced梁组件所示表6。水泥和碳纤维增强塑料棒的两个主要环境污染物,他们也有最坏的影响对环境相比其他材料用于形成CFRP-reinforced梁。图7说明了GFRP-reinforced梁的环境影响类别,诸如气候变化、人类的毒性,化石损耗,和水的消耗,大大受到水泥用于CFRP-reinforced梁的数量。水泥占整个的71.3%气候变化的影响,而碳纤维增强塑料,沙子和砾石每个贡献了27.6%,0.25%,和0.63%的总体影响。这个案例研究演示了如何用碳纤维增强塑料代替钢铁酒吧酒吧内部钢筋可能减少钢筋混凝土梁的整体环境效果。碳纤维增强塑料reinforecement酒吧有重大的负面影响环境影响类别与海洋生态毒性有关,水消耗,化石损耗,占65.5%,86.2%,和58%的每个类别的总影响,分别。在8类水泥的影响占主导地位,它占68.8% -80.2%的总环境影响。使用海水淡化的淡水而不是在加劲梁采用碳纤维增强塑料酒吧成为可能,而不是钢棒,这降低了碳足迹与用水相关的混凝土混合了86.45%。
表6。与海水环境影响类别的碳纤维增强塑料钢筋混凝土梁。
图7。结果为碳纤维增强塑料钢筋混凝土梁环境影响类别。
4.2.4梁比较
GFRP /碳纤维增强塑料筋梁用海水钢加固梁相比,用淡水淡化海水本节评估各自的环境影响。设计的梁可以携带相同的负载和有相同的尺寸,但他们自GFRP加固不同,从钢碳纤维增强塑料具有不同的抗拉强度。图8比较了环境影响碳纤维增强塑料/ GFRP加固梁的海水淡化水,淡水钢筋梁。GFRP-reinforced梁超过14钢筋梁在9环境影响类别,而8的14 CFRP-reinforced梁表现更好环境类别钢筋梁相比。GFRP-reinforced梁表现好于钢筋梁在气候变化等类别,化石损耗,水枯竭,人类的毒性,和道的损耗,降低率为22.78%,分别为36.77%,94.7%,6.25%,和97%。CFRP-reinforced梁比钢筋梁在气候变化等类别,人类的毒性,水消耗,金属损耗,和陆地酸化率减少3.8%,4.9%,86.4%,96.5%,和30.6%,分别。用海水代替淡水淡化海水RC梁没有重大环境影响的显性效应其他材料如水泥、钢铁GFRP,碳纤维增强塑料。然而,利用海水淡化的淡水减少有限公司而不是2从3.98 kgCO排放与海水淡化生产2情商0.0104 kgCO2情商实现99.7%的速度减少。图8钢的环境影响,提出了一种比较GFRP, CFRP-reinforced梁在14个类别。
图8。比较钢、GFRP和CFRP-reinforced梁。
总的来说,GFRP和碳纤维增强塑料棒比钢筋在大多数环境影响低类别,除了几个。然而,至关重要的是要记住,他们的环境影响可能会在特定类别仍然是重要的。因此,材料的选择应基于产品的全寿命的综合分析,考虑方面(如成本、性能和耐久性除了环境影响。
5的结论
本文旨在通过生命周期评价环境影响评价对碳纤维增强塑料,GFRP,和钢筋;此外,评估其环境绩效在钢筋梁经历相同的负载不同的强化。根据调查结果和分析,以下的结论。
•GFRP钢筋有最低的环境影响与钢相比,SGFRP和碳纤维增强塑料棒,碳纤维增强塑料棒得分得分最高的环境影响在9的14环境影响类别。这个信息可以用来做出明智的决定在选择建筑工程加固材料,同时考虑结构和环境方面。
•气候变化环境影响类别,衡量公斤有限公司2情商GFRP的酒吧,比碳纤维增强塑料的低82%,比SGFRP少46%,65.6%低于钢筋制作GFRP酒吧最好的选择来减少温室气体(GHG)的影响。因此,GFRP酒吧是最好的替代为减少温室气体排放的影响相对于其他类型的增援部队。
•碳纤维有重要影响的过程中生产碳纤维增强塑料棒相比,环氧树脂在所有14环境影响类别,约占总数的-94% 64%影响整个评估类别。此外,玻璃纤维在14 8类环氧树脂在GFRP杆制造阶段,约占17% - -90%的总体环境影响研究类别。这表明,替代材料或生产过程,减少碳纤维的使用在GFRP酒吧酒吧碳纤维和玻璃纤维可以帮助减轻这些钢筋的环境影响。
•即使GFRP, SGFRP和钢筋比碳纤维增强塑料的酒吧更好的环保性能在各种影响类别,这并不一定意味着碳纤维增强塑料酒吧应该完全被排除在混凝土结构中使用。钢筋材料的选择取决于具体应用和设计的权衡。因此,碳纤维增强塑料棒的适用性应评估在个案基础上,考虑到建设项目的特定需求。
•SGFRP酒吧之间提供一种平衡GFRP和钢棒的环境影响,因为他们有较低的影响比钢和碳纤维增强塑料棒但影响高于GFRP酒吧。然而,SGFRP酒吧有优势的更高的抗拉强度比钢和更好的韧性行为GFRP相比。因此,强化材料的选择取决于设计师和项目所需的属性。
•水泥和钢铁是主要的环境污染物和钢筋混凝土结构所造成的最严重的环境影响。水泥占68.5%的气候变化类别钢筋梁的整体环境的影响,而钢铁占29.7%。这些发现强调了需要可持续的替代水泥和钢铁在建筑业建筑结构对环境的影响降到最低。
•拟议的研究表明,采用GFRP SGFRP或碳纤维增强塑料酒吧内部强化而不是钢筋为自然环境是一个潜在的解决方案。因此,玻璃钢材料可能在建筑业的一个重要组成部分试图减少环境足迹,因此在全球可持续发展的行为。
•研究表明用海水代替淡水淡化海水环境钢筋混凝土梁没有显著影响。这是因为其他的材料,如水泥、钢铁、GFRP,碳纤维增强塑料,主导整个环境的影响。然而,研究表明,用海水代替淡水可以淡化海水淡水产量相关显著减少二氧化碳排放,减少99.7%。
•当碳纤维增强塑料酒吧最糟糕的环境影响与钢相比,SGFRP, GFRP酒吧,他们仍然可以适用于钢筋混凝土梁。这是因为CFRP-reinforced梁执行比钢筋梁由于碳纤维增强塑料棒的重量轻、抗拉强度高等特点。然而,钢筋的选择取决于个人应用程序和允许设计权衡,包括考虑环境影响。
•GFRP和碳纤维增强塑料条环境影响较低相比,使用时钢筋混凝土梁的加固。GFRP酒吧提供了一个更大的减少在陆地酸化等类别,化石损耗,和水的消耗,而碳纤维增强塑料的酒吧有一个更好的性能在减少的影响类别像人类的毒性和金属损耗。因此,强化材料的选择取决于特定的应用程序和所需的环境的结果。
•本研究使用相同数量的GFRP混凝土,碳纤维增强塑料,钢筋混凝土梁的场景。因为GFRP和碳纤维增强塑料有更好的抗拉强度比传统的钢筋,相信薄混凝土构件可以实现GFRP和碳纤维增强塑料的场景。玻璃钢材料的研究人员和制造商必须开发的具有挑战性的问题的答案自回收回收复合材料FRP对未来是至关重要的除了对环境有益。从摇篮到坟墓的生命周期评价研究需要获得更多明确的发现关于FRP复合材料对环境的影响。
•可接受的设计和建设的发展指南钢筋混凝土梁由玻璃钢将促进这些材料在建筑业的应用。工程师和建筑商将更有信心在采用玻璃钢代替传统材料如钢如果提供清晰和准确的指导方针,导致更高的利用玻璃钢在建筑虽然可能降低行业对环境的影响。
•进一步的技术进步和大规模生产GFRP和碳纤维增强塑料钢筋预计将大大减少生产过程的环境影响,使其最环保的替代品钢混凝土梁reinforecement酒吧。
数据可用性声明
最初的贡献提出了研究中都包含在本文/辅料,可以针对相应的作者进一步询问。
作者的贡献
概念化、SS和SA-G;方法,SS和SA-G;软件、SS和SA-G;验证、SS、通用、SA-G;正式的分析、SS和SA-G;调查、SS和SA-G;资源、SS和SA-G;数据管理、SS和SA-G;原创作品草稿准备、SS和SA-G;writing-review和编辑、SS、通用汽车和SA-G; visualization, SS and SA-G; supervision, GM and SA-G; project administration, SA-G; funding acquisition, SA-G. All authors listed have made a substantial, direct, and intellectual contribution to the work and approved it for publication.
资金
这项工作成为可能通过国家重点研究项目(NPRP)、卡塔尔格兰特(nprp13s - 0209 - 200311)卡塔尔国家研究基金(QNRF)、卡塔尔基金会的一员(《),以及通过额外的资金和哈马德•本•哈利法塔大学奖学金(HBKU)。任何意见,结果,结论和建议表达这种材料是作者和不一定反映的观点HBKU, QNRF或QF。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
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关键词:生命周期评估(LCA),纤维增强聚合物(FRP),碳纤维增强塑料制成碳纤维增强塑料,玻璃纤维增强聚合物(GFRP),环境影响
引用:Sbahieh年代,麦凯G和阿尔哈姆迪SG(2023)比较生命周期评估纤维增强聚合物作为一种可持续的钢筋混凝土梁的选项。前面。建立环境。9:1194121。doi: 10.3389 / fbuil.2023.1194121
收到:2023年3月26日;接受:09年5月2023;
发表:2023年5月22日。
编辑:
Aliakbar Gholampour澳大利亚弗林德斯大学版权©2023 Sbahieh,麦凯和阿尔哈姆迪。这是一个开放分布式根据文章知识共享归属许可(CC)。使用、分发或复制在其他论坛是允许的,提供了原始作者(年代)和著作权人(s)认为,最初发表在这个期刊引用,按照公认的学术实践。没有使用、分发或复制是不符合这些条件的允许。
*通信:萨米·g·阿尔哈姆迪,sami.alghamdi@kaust.edu.sa
__ORCID:萨米·g·阿尔哈姆迪,orcid.org/0000 - 0002 - 7416 - 5153