文献阅读 | 提高建筑物的材料效率以应对全球用砂危机
题目
Increasing material efficiencies of buildings to address the global sand crisis
作者
Xiaoyang Zhong, Sebastiaan Deetman, Arnold Tukker & Paul Behrens
期刊
Nature Sustainability
时间
2022年3月
一作
单位
Institute of Environmental Sciences (CML), Leiden University, Leiden, the Netherlands
链接
https://www.nature.com/articles/s41893-022-00857-0
研究背景
建筑物满足了人类对住房和社会基础设施的基本需求，并构成了社会的基础。建筑物的建造也是高度材料密集型的，需要消耗大量的金属（例如钢和铜）和非金属矿物（主要是混凝土，砖和玻璃）。以前的研究已经调查了建筑材料生产对环境的影响，以及潜在的缓解策略。在最近，这些材料的稀缺性也引起了人们的关注。目前全球面临着严重的用砂危机，影响着柬埔寨、加利福尼亚、中东和中国等不同地区。砂的过度开发通常会导致生态系统的破坏/崩溃（例如，海岸线侵蚀、生物多样性和粮食损失、抗灾能力退化），并且随着建筑需求的增加，这种破坏将加剧。
在人类使用的所有固体材料中，砂和砾石的使用增长最快，现在占材料使用的最大份额（~68-85%），超过了化石燃料和生物质。砂主要用于制造混凝土或玻璃（混凝土占建筑领域用途的95%以上），并且具有对无氯化物（以防止其他建筑材料的腐蚀）以及尺寸和形状方面的特定物理性能的需求。这导致大多数建筑用砂是从河流、湖泊和海岸线中提取的。这些地区的砂长期以来一直是一种常见的公共池塘资源。这主要是因为监测和限制砂的获取既困难又昂贵。在快速增长的市场中，这导致了过度开发和退化。即使在受到监管的情况下，在约70个国家内也有非法采砂和贸易的报告，并且通常涉及在监管机构的合谋运作下的高度组织的帮派或“黑手党”。据估计，沿河30亿人的生计受到了长期、不可持续的砂石开采的严重威胁以及对生态和土地可用性的严重影响。
预计未来几十年，由于人口增长、城市化和经济发展，全球建筑存量将快速增长，导致人均居住空间需求增加。然而，为了保护环境，天然采砂很可能在许多地区受到越来越严格的监管甚至被禁止。为了满足建筑施工日益增长的材料需求，并避免因过度采砂而导致环境恶化，联合国环境规划署呼吁采取行动，通过材料效率战略减少建筑用砂。这些旨在避免过度建设和过度设计（过度使用混凝土等砂基材料），增加回收材料并增加天然砂替代材料的供应。然而，我们对砂的需求如何随着全球建筑库存动态而变化以及重要材料效率干预措施的减排潜力可能在哪里的了解有限。基于此，本研究开发了一个全球动态模型，以调查住宅和商业建筑中混凝土和玻璃的用砂量（占全球混凝土相关砂的近一半或全球砂总使用量的三分之一）。
研究方法
本研究开发了一个如图1所示的集成的全球动态建筑用砂模型（GloBus），用于评估建筑材料生产中的用砂情况用以研究不同材料效率干预措施的导致的用砂减少。研究对象包括城乡地区的四种住宅建筑类型（独立式住宅、半独立式住宅、公寓和高层建筑）和四种非住宅建筑类型（办公、零售和仓库、酒店和餐厅以及其他商业建筑）。研究评估到2060年用于建筑物混凝土和玻璃的用砂。这一时期特别合适，因为预测表明它将在全球人口峰值和低收入地区生活水平提高的时期内，这将显著塑造全球建筑存量概况（在没有极端气候破坏的情况下）。
图1. 全球动态建筑砂模型（GloBus）框架
建筑用混凝土和玻璃
本研究开发了一个库存驱动的动态模型，以根据参考文献计算建筑施工的混凝土和玻璃使用量具体来说，本研究首先将区域社会经济趋势（即人口、国内生产总值、人均住房面积和建筑类型划分）转化为每年的住宅和商业建筑存量需求。然后，我们根据记录的建筑寿命分布计算建筑面积的年度建设（流入）和拆除（流出）。为此，本文首先使用建筑寿命模型计算现有建筑存量的拆除情况。然后，使用基本质量平衡（流入=流出+库存变化）计算建筑建设。接下来，将建筑建设施工的混凝土和玻璃流入量与材料强度（以kg·m-2为单位）相结合，估算建筑施工的混凝土和玻璃流入量，这将定义对砂基的需求。
建筑用砂
由于缺乏可靠的用砂数据，以前的估计主要是间接的，即基于用砂需求与其他材料需求（如水泥和沥青）的比率。在这里，我们使用来自许多生命周期清单数据库和研究的重量比率来估计每公吨混凝土和玻璃的用砂量。
情景开发
研究首先探索一个基线情景，以表示与共享社会经济路径SSP2一致的中间路径。基线情景中的数据主要来源于综合评估模型IMAGE和已有研究。然后，本研究探讨了八种情况，其中前六种在独立实施干预措施时给出结果，最后两种情况在同时采用所有六种策略时，比例为50%（此处建模的总最大潜力的一半）和100%（总最大潜力）。请注意，这项研究旨在探索潜力，而不是预测未来。
研究结果
基线情景与减量措施下全球建筑用砂
在基线情景中，全球建筑用砂的年度需求量从2020年每年3.2 Gt持续增长至2060年每4.5 Gt，增长约45%。超过一半的累计用砂需求来自中高收入地区，以中国地区、中东和东南亚为首（图2.a）。然而，这些中高收入地区的绝对和相对需求都从2020年的1.9 Gt/年（60%）下降到2060年的1.8 Gt/年（40%），主要是由于整体人口下降和建筑存量饱和。高收入地区也出现了类似的下降。这些趋势与中低收入地区的快速增长形成了反差，中低收入地区的年需求量从0.7 Gt/年T(22%)增至2.2 Gt/年(48%)，增长了两倍多。增幅最大的是西非和东非，预计到2060年的建筑用砂是目前建筑用砂需求的500%以上，其次是南部非洲其他地区（419%）、印度（294%）和南亚其他地区（269%）（图2.b）。
图2. 世界各区域建立砂使用和减少用砂的方案。
a，基线情景下2020-2060年期间建筑用砂的累计使用量。b，2060年相对于2020年的基准建筑用砂量。c，材料效率干预带来的累积用砂减少量。晶须表示每个策略的 20 个百分点变化给出的敏感区间。
研究发现，单独采用这些策略可以减少建筑用砂5%至23%，如果同时完全实施所有策略，则可以减少50%（图2.c）。在这些策略中，通过避免过剩的建筑，以紧凑的方式扩大城市区域，重新激活空置建筑等，更密集的使用（More intensive use）代表了全球水平上最大的累计减砂潜力(约36 Gt)。通过延长使用寿命，可以避免~8 Gt天然砂，因为拆除频率较低，因此新建筑较少。对于给定的建筑施工需求，通过轻质设计（~10 Gt），木结构建筑替代（~7 Gt）和混凝土再利用（~15 Gt）可以减少大量的砂。用混凝土和玻璃生产的替代品代替天然砂代表了主要的减排潜力（~24 Gt）。
减少一个地区建筑用砂需求的优先策略在另一个地区可能却没那么重要。例如，由于已经很宽敞的建筑物（通常人均住房>40 m2）以及通常的高空缺率，在欧洲，美国和中国，更密集的使用非常重要。然而，在大多数非洲国家，更密集使用的潜力有限，因为人们通常没有足够的建筑通道（通常人均住房<20 m2甚至10m2）。在中国和日本等地区，提高建筑寿命的政策尤为重要，这些地区目前的平均寿命低于40年，约为欧洲国家的一半。同样，天然砂替代品的选择应取决于当地资源的可用性。例如，碎石可能只可能在已经靠近合适采石场的地区使用（因为运输成本高）。
砂供应的脆弱性
由于砂石是由数千年的侵蚀过程形成的，因此目前天然砂石的开采速度远远超过其更新速度。由于缺乏可靠的砂石储量数据，未来能否维持或增加目前的供应量是值得怀疑的，因此很难评估用砂需求的大幅增长是否能够得到满足。如果定义为未来建筑用砂需求与2020年需求之间的比率，建筑行业对砂供应的脆弱性在世界各区域之间极不平等（图2.b和图3）。在全球范围内，无论是更密集的使用还砂的替代都可能使2060年的建筑砂需求低于2020年。这意味着保持目前的砂供应可能足够建筑施工使用这两种策略中的任何一种。如果全球实施具有50%潜力的战略，2060年的用砂需求可减少45%(100%实施可减少71%)，即2020年需求的约79%(100%实施可减至42%)。然而，如果目前的供应保持不变，那么到2060年，单独六项战略中的任何一项或全部采用50%都无法充分减少非洲、南亚和东南亚等一些快速发展地区的需求。在非洲，到2060年，可能需要全面采用所有策略，并将天然砂供应量从2020年的水平增加近一倍，以满足建筑施工需求。
图3. 基线和缓解情景下2060年建筑用砂的情况。水平虚线表示 2020 年建筑用砂量。晶须表示每个策略的 20 个百分点变化给出的敏感区间。
国际合作对于解决建筑用砂需求不成比例的脆弱性至关重要，特别是在贸易协定方面。例如，新加坡在过去20年中总共进口了517公吨砂，以满足20%的土地面积扩张。然而，这导致柬埔寨和印度尼西亚等邻国的价格飙升、环境损害和出口禁令。出口地区权力下放，甚至从偏远地区进口（例如，迪拜和沙特阿拉伯以前从澳大利亚进口，格陵兰岛被认为是一个有前途的砂出口地）可能是解决邻国砂短缺问题的方法。然而，运输成本可能是长途运输的一个挑战，运输增加对环境和经济的影响仍然高度不确定。在解决这些问题和避免或补救环境损害方面，贸易协定可能是必要的。其次，对于砂稀缺的国家，有可能进口代表虚拟砂（即产品中体现的砂）的预加工或预制建筑材料元素（例如，窗户或预制混凝土部件）从而缓解国内砂资源的压力。此外，在开发可持续采矿技术和设备（例如碎石机）方面的国际合作对于低收入国家的可持续砂工业转型至关重要。
砂替代品（人造砂、脱盐海砂等）可以发挥越来越重要的作用，但从提取到使用的整个生命周期都存在挑战。首先，重要的是要清点当地可用的替代资源并规范采矿许可。质量控制是加工人造砂和其他建筑用途替代品的主要任务。需要标准化的方法来控制这些替代品的细含量和杂质，以及在混凝土中添加矿物和化学外加剂以提高机械性能。对于使用替代砂的在用建筑物，需要进行有针对性的质量检查，以确保功能不会随着时间的推移而丧失，尤其是在面临环境或气候变化（例如，沉降增加或温度和湿度变化）时。最后，虽然实验室规模的生命周期评估通常显示通过在混凝土中使用砂替代品存在环境效益，但需要更多的研究来全面监测和量化砂替代品采矿活动的长期环境和社会影响（例如，岩石衍生的采矿和采石以及海洋砂开采），以避免问题转移到其他材料和负面权衡。
可持续供应链转型的一个突出障碍是砂和骨料行业的碎片化，全球产量的95%由中小企业（SME）完成。中小企业的主导地位不仅在有效治理和准确的数据收集方面带来了一些挑战，而且给技术和设备创新带来了一些挑战，因为购买先进的固定加工或制造资产可能成本高昂。行业合作或合并可能有利于应用更严格的采矿许可和限制8但这种发展也伴随着监管捕获和政治影响的危险。
讨论与不足
实施本文研究的材料效率策略通常也将产生实质性的温室气体减排。因此，也受到全球气候目标的推动。在更高效和可持续的建筑部门中，保护砂和减少排放的协作努力提供了大量机会，从减少当地采矿压力到降低整体温室气体排放。该分析描绘了全球建筑用砂动态，并强调了全球区域建筑用砂减少的主要机遇和挑战。本文希望这能刺激这一至关重要但报告不足的领域取得进展。
这项研究也有一些局限性，具体可以从以下方面改进：
一是建筑构建和建筑类型需要在地区尺度的更高分辨率。
二是本文的评估可能只代表了全球建筑用砂的下限，主要原因是非住宅建筑面积是一个保守的估计。因为非住宅建筑的数据非常有限，例如，没有工业和农业建筑面积的数据。因此，更多建筑类型，特别是非住宅建筑的建筑面积数据的编制值得重视。
三是数据限制下没有充分考虑地区措施可行性和砂资源的可得性的异质性。
编辑&排版：肖逸龙
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