沥青路面再生技术环境效益定量评价
随着中国公路建设事业的快速发展,通车里程逐年增加,公路养护任务也越来越重。再生技术作为一种资源节约型、环境友好型技术,在沥青路面养护中得到了广泛应用。但是,定量评价沥青路面再生技术的环境效益目前还存在一定困难。
欧美等发达国家基于寿命周期分析理念,在路面养护施工过程分解基础上,从原材料生产、运输、混合料拌和、摊铺、碾压等方面开展了能耗及排放测算分析,建立了部分基础数据库,编制了沥青路面新建、重建能耗及排放计算软件。由于国内外养护技术、施工设备、工艺方面的差异,无法根据国外数据进行测算分析,中国部分学者对沥青路面施工过程开展了能耗及排放测算分析工作,但是未形成系统的评价方法,缺乏可靠的数据支撑,无法对沥青路面再生技术环境效益进行定量评价分析。
该文采用寿命周期分析方法,基于现场调查和数据分析,分别测算沥青路面铣刨重铺和再生技术的能耗及排放,定量评价再生技术的环境效益。
1评价方法
1.1评价指标体系
为了科学地评价沥青路面再生技术的环境效益,建立了包括能耗、温室气体及循环利用等评价指标体系。
(1)能耗(单位:MJ/t):体现对能源的消耗情况,根据不同能源的平均低位发热量进行折算。
(2)温室气体:用二氧化碳当量表示(单位:kg/t),体现温室气体的排放情况,主要包括二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等,根据全球暖化潜势值进行转换。
(3)循环利用率(单位:kg/t):体现对自然资源的节约和废弃物的循环利用情况,包括再生过程中循环利用的沥青和集料资源等。
1.2环境效益评价方法
(1)节能量
沥青路面养护技术能耗按式(1)测算:
式中:E为沥青路面养护所需能耗;为第i种原材料质量;为第i种原材料单位质量生产能耗;为施工过程第i种能源消耗质量;为第i种能源热值。
沥青路面再生技术节能量按式(2)测算:
式中:ΔE为沥青路面再生技术节能量;分别为沥青路面再生、铣刨重铺技术能耗。
(2)减排量
沥青路面养护技术温室气体排放按式(3)测算:
式中:G为沥青路面养护产生的温室气体排放;为第i种原材料质量;为第i种原材料单位质量生产产生的温室气体;为施工过程第i种能源消耗质量;为第i种能源单位质量消耗产生的温室气体。
沥青路面再生技术节能量按式(4)进行测算:
式中:ΔG为沥青路面再生技术减排;分别为沥青路面再生、铣刨重铺技术产生的温室气体排放。
(3)循环利用量
沥青路面再生技术资源循环利用量按式(5)测算:
式中:为第i种资源的循环利用量;R为再生技术循环利用混合料质量;ω为第i种资源的比例。
1.3边界条件
该文分析范围限于与沥青路面养护直接相关的工艺环节,包括旧路面铣刨、原材料的生产、混合料的拌和、运输、再生、摊铺、碾压等,而基础设施建设、施工机械的生产等间接相关环节不包括在内。
1.4数据质量分析
数据调查及分析过程中,由于数据样本及模型方法等原因会导致最终结果存在一定程度的不确定性。
采用蒙特卡洛方法,对沥青路面施工能耗的不确定度进行分析,蒙特卡洛迭代次数为次,图1、2为典型沥青路面施工的能耗数据分析结果。其中,图1为多次迭代下的能耗及其频数,在设定的概率密度和模型参数变异范围下,计算结果为每吨混合料的平均能耗和标准差,同时采用相对偏差RSD表示。图2为能耗的累计密度函数,可用于比较不同方案环境影响结果的可靠度。
图1能耗及频数
2铣刨重铺技术能耗排放测算
铣刨重铺是沥青路面养护最常用的技术之一,施工过程包括旧路面铣刨、新沥青混合料生产、运输、摊铺及碾压等,针对施工各环节进行能耗及温室气体测算分析。
图2能耗累计密度函数
(1)旧路面铣刨
采用铣刨机对旧路面进行铣刨,通过现场调查:典型机械油耗在L/h左右,柴油密度为0.84kg/L,柴油热值42.MJ/kg,温室气体排放为3.16kg/kg,根据不同铣刨深度及速度可测算出单位质量路面铣刨能耗及排放,如表1所示。
表1旧路面铣刨能耗及温室气体排放
(2)原材料生产
沥青路面养护原材料包括沥青及集料,原材料生产的能耗及温室气体排放如表2所示,其中沥青数据参考欧洲沥青协会的数据库,集料数据参考中国本地化LCA基础数据库CLCD。
表2原材料生产能耗及温室气体排放
(3)运输
结合沥青路面养护工程特点,施工前后场距离较远,该文将原材料运距设为km,混合料运距设为80km,采用30t重型汽车进行运输,单位质量运距的能耗为0.MJ/(t·km),温室气体排放为0.kg/(t·km)。
(4)混合料拌和
混合料生产环节能耗包括电能和燃油消耗,根据拌和过程电能及燃油消耗及混合料产量现场调查结果,不同类型沥青混合料能耗及排放略有差异,如表3所示。
表3拌和环节能耗及排放
表3拌和环节能耗及排放
(5)摊铺碾压
根据混合料生产率及施工实际,AC路面与SMA路面施工速度分别设为3、2.5m/min,通过施工机械设备功率及生产效率计算其能耗及排放,根据施工规范规定的碾压遍数及压路机燃油消耗率[g/(kW·h)],计算不同混合料类型能耗排放结果如表4所示。
表4摊铺碾压环节能耗及排放
在施工阶段测算基础上,对各施工过程能耗及排放累加,得到铣刨重铺养护技术能耗及温室气体排放测算结果如表5所示,同时采用蒙特卡洛法分析结果的数据质量。
表5铣刨重铺技术能耗及排放
3沥青路面再生技术环境效益
3.1就地热再生技术
就地热再生施工过程包括加热、铣刨、复拌等过程,通过大量工程案例调查分析,施工过程中,新沥青混合料添加量为15%,4cm沥青路面再生过程综合能耗典型值为柴油1.1kg/㎡,折算能耗为.16MJ/t,温室气体排放为32.54kg/t,新沥青混合料生产、运输过程与铣刨重铺一致。根据常用上面层混合料类型,就地热再生技术能耗及温室气体排放如表6所示,同时测算了数据结果的不确定度。
表6就地热再生技术能耗及排放
3.2厂拌热再生技术
厂拌热再生技术与铣刨重铺相比,仅在混合料生产环节存在差异。目前,加装附楼式(即第二烘干筒)再生设备是厂拌热再生的主要工艺,针对该工艺分析其能耗及排放,根据现场调查,回收料(RAP)烘干筒的平均燃油消耗约为6.0kg/t(RAP料含水量3%~5%,加热至90~℃),为了进一步加热RAP料达到拌和温度,需提高新料加热温度,主烘干筒的燃油消耗比普通拌和楼高1kg/t左右为7.82kg/t。由于厂拌热再生混合料通常用于路面中下面层,因此,以下面层普通沥青AC-25混合料为例,分别对不同RAP掺量的厂拌热再生进行能耗及温室气体测算,如表7所示。
表7厂拌热再生技术能耗及排放
3.3就地冷再生技术
与铣刨重铺相比,就地冷再生技术通过冷再生机组实现旧路面的刨、复拌及摊铺。就地冷再生混合料一般用于下面层结构中,其中乳化沥青用量为4.0%,新添加集料掺量为15%,水泥用量为2.0%。根据典型再生设备能耗调查,满负荷油耗为L/h,再生宽度为2.5m,再生厚度为12cm时行驶速度约为5m/min,能耗为23.66MJ/t,温室气体排放为1.75kg/t。就地冷再生技术能耗及排放如表8所示。
表8就地冷再生技术能耗及排放
3.4厂拌冷再生技术
厂拌冷再生混合料一般用于下面层中,再生过程添加4.0%乳化沥青,新添加集料掺量为20%,水泥用量为2.0%。根据厂拌冷再生拌和及摊铺过程中,对燃料及电力的消耗统计,测算了厂拌冷再生技术原材料生产及施工过程能耗及排放如表9所示。
表9厂拌冷再生技术能耗及排放
3.5再生技术对比分析
根据不同再生技术适用的沥青路面层位,分别对各技术的效益水平进行对比分析,不同层位采用的养护方案如表10所示。针对沥青路面上面层养护,可采用就地热再生技术,其环境效益的分析如图3所示,可以看出:与传统铣刨重铺技术相比,就地热再生具有显著的节能减排和循环利用效益,可节约30%以上能耗,同时可%循环利用旧路面材料。
表10不同层位养护方案
图3上面层养护技术环境效益对比
针对沥青路面下面层,可采用多种再生技术,包括就地冷再生、厂拌热再生、厂拌冷再生等。不同技术之间节能减排效益和资源循环利用效益对比如图4所示。
图4下面层养护技术环境效益对比
从图4可以看出:就地冷再生技术节能减排和循环利用效益最为显著,其次为厂拌冷再生,厂拌热再生技术节能减排效益与RAP掺量有关,当RAP料掺量为10%时,其能耗和温室气体排放略高于铣刨重铺,RAP掺量为30%和50%时,具有明显的节能减排效益。
4结论
(1)针对沥青路面上面层养护,就地热再生方案具有显著的节能减排优势,可节约30%以上能耗,同时可%循环利用旧路面材料。
(2)针对沥青路面下面层养护,就地冷再生的节能减排和循环利用效益最显著,其次是厂拌冷再生,厂拌热再生的环境效益与RAP料的掺量有关。
(3)从节能减排和资源循环利用角度考虑,沥青路面上面层养护优先考虑就地热再生技术,下面层养护优先考虑就地冷再生技术。
(来源:沥青路面施工)