瀝青路面熱再生技術(shù)環(huán)境效益分析研究

畢連居，趙 博，蔡海泉，朱浩然

(1. 江蘇連徐高速公路有限公司，江蘇 徐州 221000；2. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南京 211112；3. 新型道路材料國家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211112)

瀝青路面熱再生技術(shù)環(huán)境效益分析研究

畢連居1，趙 博1，蔡海泉2,3，朱浩然2,3

(1. 江蘇連徐高速公路有限公司，江蘇 徐州 221000；2. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南京 211112；3. 新型道路材料國家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211112)

為了精確評估瀝青路面熱再生養(yǎng)護(hù)技術(shù)的環(huán)境效益，采用壽命周期評價(jià)方法，建立了節(jié)能減排評價(jià)指標(biāo)體系，通過現(xiàn)場調(diào)查及數(shù)據(jù)分析，分別測算了銑刨重鋪、就地?zé)嵩偕蛷S拌熱再生技術(shù)的能耗及溫室氣體排放，評價(jià)了節(jié)能減排和循環(huán)利用效益。結(jié)果表明：與銑刨重鋪相比，就地?zé)嵩偕夹g(shù)可節(jié)約30%以上能耗， 100%循環(huán)利用舊路面材料；廠拌熱再生在RAP料摻量為10%時(shí)，能耗和溫室氣體排放略高，RAP摻量為30%和50%時(shí)，具有明顯的節(jié)能減排效益，同時(shí)可不同程度循環(huán)利用舊路面材料。

道路工程；瀝青路面；熱再生；能耗；溫室氣體；節(jié)能減排

0 引 言

全球性能源緊張和氣候變化是國際社會(huì)普遍關(guān)注的重大問題，節(jié)能減排已成為國際社會(huì)的共同責(zé)任。交通運(yùn)輸業(yè)作為節(jié)能減排重點(diǎn)領(lǐng)域之一，承擔(dān)著重要的責(zé)任和義務(wù)。隨著我國公路大規(guī)模進(jìn)入維修養(yǎng)護(hù)期，傳統(tǒng)的瀝青路面養(yǎng)護(hù)方式，如銑刨重鋪，在消耗大量資源的同時(shí)還造成了廢棄混合料對環(huán)境的污染。而瀝青路面熱再生作為一種資源循環(huán)利用養(yǎng)護(hù)技術(shù)，在養(yǎng)護(hù)工程中發(fā)揮了重要作用。但是，我國熱再生技術(shù)的節(jié)能減排效益分析工作目前仍處于起步階段。歐美等發(fā)達(dá)國家采用壽命周期評價(jià)(LCA)方法，在施工過程分解基礎(chǔ)上，開展了瀝青路面施工能耗及溫室氣體排放的測算分析[1-3]，部分研究機(jī)構(gòu)還對瀝青路面養(yǎng)護(hù)以及重建等壽命周期過程進(jìn)行了分析，建立了部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，編制了相關(guān)計(jì)算軟件[4-6]。但是，由于國內(nèi)外養(yǎng)護(hù)技術(shù)、施工工藝、設(shè)備等方面的差異，無法根據(jù)國外數(shù)據(jù)進(jìn)行測算分析。雖然國內(nèi)部分學(xué)者已經(jīng)開展了路面建設(shè)養(yǎng)護(hù)施工能耗及溫室氣體測算工作，但是還未形成系統(tǒng)的評價(jià)方法、缺乏可靠的數(shù)據(jù)支撐，無法對瀝青路面熱再生技術(shù)節(jié)能減排效益進(jìn)行評價(jià)。

筆者在現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，測算分析瀝青路面熱再生能耗及溫室氣體排放，并與銑刨重鋪技術(shù)進(jìn)行對比分析，定量評價(jià)就地?zé)嵩偕蛷S拌熱再生技術(shù)的環(huán)境效益。

1 評價(jià)方法

1.1 評價(jià)指標(biāo)體系

為科學(xué)評價(jià)瀝青路面再生技術(shù)的環(huán)境效益，采用壽命周期評價(jià)方法，建立了包括能耗、溫室氣體以及循環(huán)利用等指標(biāo)的評價(jià)體系。

1)標(biāo)準(zhǔn)能耗：體現(xiàn)對能源的消耗情況，根據(jù)不同能源的平均低位發(fā)熱量進(jìn)行折算[7]；

2)溫室氣體：體現(xiàn)溫室氣體的排放情況，主要包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)等，用二氧化碳(CO2)當(dāng)量表示，根據(jù)全球暖化潛勢進(jìn)行轉(zhuǎn)換[8]；

3)循環(huán)利用率：體現(xiàn)對自然資源的節(jié)約和廢棄物的循環(huán)利用情況，包括再生過程中循環(huán)利用的瀝青和集料資源等。

1.2 環(huán)境效益測算方法

1.2.1 節(jié)能量

瀝青路面再生技術(shù)節(jié)能量按式(1)進(jìn)行測算：

ΔE=EM&R-ER

(1)

式中：ΔE為瀝青路面再生技術(shù)節(jié)能量；ER、EM&R分別為瀝青路面再生、銑刨重鋪技術(shù)能耗。

其中，瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)的能耗按式(2)進(jìn)行測算：

E=∑Mi×ei+∑mi×ci

(2)

式中：E為瀝青路面養(yǎng)護(hù)所需能耗；Mi為第i種原材料質(zhì)量；ei為第i種原材料單位質(zhì)量生產(chǎn)能耗；mi為施工過程第i種能源消耗質(zhì)量；ci為第i種能源熱值。

1.2.2 減排量

瀝青路再生技術(shù)減排量按式(3)進(jìn)行測算：

ΔG=GM&R-GR

(3)

式中：ΔG為瀝青路面再生技術(shù)減排量；GR、GM&R分別為瀝青路面再生、銑刨重鋪技術(shù)產(chǎn)生的溫室氣體排放。

其中，瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)溫室氣體排放按式(4)進(jìn)行測算：

G=∑Mi×gi+∑mi×si

(4)

式中：G為瀝青路面養(yǎng)護(hù)產(chǎn)生的溫室氣體排放；Mi為第i種原材料質(zhì)量；gi為第i種原材料單位質(zhì)量生產(chǎn)產(chǎn)生的溫室氣體；mi為施工過程第i種能源消耗質(zhì)量；si為第i種能源單位質(zhì)量消耗產(chǎn)生的溫室氣體。

1.2.3 循環(huán)利用量

瀝青路面再生技術(shù)資源循環(huán)利用量按式(5)進(jìn)行測算：

ri=R×ω

(5)

式中：ri為第i種資源的循環(huán)利用量；R為再生技術(shù)循環(huán)利用混合料質(zhì)量；ω為第i種資源的比例。

1.3 系統(tǒng)邊界

筆者分析范圍限于與瀝青路面養(yǎng)護(hù)直接相關(guān)的工藝環(huán)節(jié)，包括舊路面銑刨、原材料的生產(chǎn)、運(yùn)輸、混合料的拌和、運(yùn)輸、再生、攤鋪、碾壓等，而基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、施工機(jī)械的生產(chǎn)等間接相關(guān)的環(huán)節(jié)不包括在內(nèi)。

1.4 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

環(huán)境效益測算分析過程中，由于數(shù)據(jù)來源的確定性以及模型方法的穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致最終結(jié)果存在一定程度的不確定性。為此，采用蒙特卡洛方法，對數(shù)據(jù)的不確定度進(jìn)行分析，采用標(biāo)準(zhǔn)差和相對偏差(RSD)指標(biāo)表示結(jié)果的不確定度。

2 銑刨重鋪能耗及溫室氣體測算

銑刨重鋪是瀝青路面養(yǎng)護(hù)最常用的技術(shù)之一，將對各施工環(huán)節(jié)進(jìn)行能耗及溫室氣體測算分析。

2.1 舊路面銑刨

采用銑刨機(jī)對舊路面進(jìn)行銑刨，通過現(xiàn)場調(diào)查，典型機(jī)械油耗在124 L/h左右，柴油密度為0.84 kg/L，柴油的熱值42.652 MJ/kg，溫室氣體排放為3.16 kg/kg，不同工況條件下能耗及排放如表1。

表1 舊路面銑刨能耗及溫室氣體排放Table 1 Energy consumption and GHG emission of old pavement milling

2.2 原材料生產(chǎn)

瀝青路面養(yǎng)護(hù)原材料包括瀝青及集料，原材料生產(chǎn)過程能耗及溫室氣體排放如表2，其中瀝青數(shù)據(jù)來源于歐洲瀝青協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)庫[8]，集料數(shù)據(jù)來源于中國本地化LCA基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫CLCD[9]。

表2 原材料生產(chǎn)的能耗及溫室氣體排放系數(shù)Table 2 Coefficients of energy consumption and GHG emission caused by raw materials

2.3 運(yùn) 輸

結(jié)合瀝青路面養(yǎng)護(hù)工程特點(diǎn)，施工前后場距離較遠(yuǎn)，將原材料運(yùn)距設(shè)為150 km，混合料運(yùn)距設(shè)為80 km，采用30 t重型汽車進(jìn)行運(yùn)輸，單位質(zhì)量運(yùn)距的能耗為0.804 MJ/(t·km)，溫室氣體排放為0.075 kg/(t·km)。

2.4 混合料拌和

混合料生產(chǎn)環(huán)節(jié)能耗包括電能和燃油消耗，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，不同類型瀝青混合料能耗略有差異，如表3。

表3 典型類型瀝青混合料拌和能耗及排放Table 3 Energy consumption and GHG emission of typical asphalt mixtures

2.5 攤鋪碾壓

根據(jù)混合料生產(chǎn)率及施工實(shí)際，AC路面與SMA路面施工速度分別設(shè)為2.5 m/min和3 m/min，通過施工機(jī)械設(shè)備功率及生產(chǎn)效率計(jì)算其能耗及排放，根據(jù)施工規(guī)范規(guī)定的碾壓遍數(shù)及壓路機(jī)燃油消耗率(g/kW·h)，計(jì)算不同混合料類型能耗排放，結(jié)果如表4。

表4 攤鋪碾壓環(huán)節(jié)能耗及排放Table 4 Energy consumption and GHG emission of paving and compaction

在各施工階段環(huán)境影響測算分析基礎(chǔ)上，得到銑刨重鋪養(yǎng)護(hù)技術(shù)能耗及溫室氣體排放測算結(jié)果如表5，同時(shí)采用蒙特卡洛法分析結(jié)果的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

3 就地?zé)嵩偕夹g(shù)環(huán)境效益評價(jià)

就地?zé)嵩偕┕み^程包括加熱、銑刨、復(fù)拌等過程，通過大量工程案例調(diào)查分析，施工過程中，新瀝青混合料添加量為15%，4 cm瀝青路面再生過程能耗為469.16 MJ/t，溫室氣體排放為32.54 kg/t，新瀝青混合料生產(chǎn)、運(yùn)輸過程與銑刨重鋪一致。根據(jù)常用上面層混合料類型，就地?zé)嵩偕夹g(shù)能耗及溫室氣體排放如表6。

表6 就地?zé)嵩偕夹g(shù)能耗及溫室氣體排放Table 6 Energy consumption and GHG emission of hot in-place recycling technology

針對瀝青路面上面層養(yǎng)護(hù)，與銑刨重鋪相比，就地?zé)嵩偕夹g(shù)的節(jié)能減排效益如表7，同時(shí)對循環(huán)利用效益進(jìn)行了測算分析。

表7就地?zé)嵩偕夹g(shù)環(huán)境效益

Table7Environmentalbenefitsofhotin-placerecyclingtechnology

混合料類型AC?13SMA?13節(jié)能減排能耗/(MJ·t-1)338．84373．47溫室氣體/(kg·t-1)30．933．27循環(huán)利用改性瀝青/(kg·t-1)42．0248．11集料/(kg·t-1)807．98801．89

根據(jù)測算結(jié)果可以看出，與傳統(tǒng)銑刨重鋪技術(shù)相比，就地?zé)嵩偕哂酗@著的節(jié)能減排和循環(huán)利用效益，可節(jié)約30%以上能耗，同時(shí)可100%循環(huán)利用舊路面材料。

4 廠拌熱再生技術(shù)環(huán)境效益評價(jià)

廠拌熱再生技術(shù)與銑刨重鋪相比，僅在混合料生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在差異。目前，加裝附樓式(即第二烘干筒)再生設(shè)備是廠拌熱再生的主要工藝，針對該工藝分析其能耗及排放。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，回收料(RAP)烘干筒的平均燃油消耗約為6.0 kg/t(RAP料含水量3%～5%，加熱至90 ℃～110 ℃)，為了進(jìn)一步加熱RAP料達(dá)到拌和溫度，需提高新料加熱溫度，主烘干筒的燃油消耗比普通拌和樓高1 kg/t左右。由于廠拌熱再生混合料通常用于路面中下面層，因此，以下面層普通瀝青AC-25混合料為例，分別對不同RAP摻量的廠拌熱再生進(jìn)行能耗及溫室氣體測算，結(jié)果如表8。

表8 廠拌熱再生技術(shù)能耗及排放Table 8 Energy consumption and GHG emission of hot in-plant recycling technology

針對瀝青路面下面層養(yǎng)護(hù)，與銑刨重鋪相比，廠拌熱再生技術(shù)的節(jié)能減排效益如表9，同時(shí)對循環(huán)利用效益進(jìn)行了測算分析。

表9廠拌熱再生技術(shù)環(huán)境效益

Table9Environmentalbenefitsofhotin-plantrecyclingtechnology

RAP摻量/%103050節(jié)能減排能耗/(MJ·t-1)-2．5469．39141．31溫室氣體/(kg·t-1)-0．825．8111．61循環(huán)利用改性瀝青/(kg·t-1)4．2112．6421．07集料/(kg·t-1)95．79287．36478．93

根據(jù)測算結(jié)果可以看出：隨著RAP料摻量的增加，廠拌熱再生的能耗及排放逐漸降低；與傳統(tǒng)銑刨重鋪技術(shù)相比，當(dāng)RAP料摻量為10%時(shí)，其能耗和溫室氣體排放略高于銑刨重鋪，RAP摻量為30%和50%時(shí)，具有明顯的節(jié)能減排效益；不同RAP摻量時(shí)可不同程度循環(huán)利用舊路面材料，具有明顯的循環(huán)利用效益。

5 結(jié) 論

筆者采用壽命周期評價(jià)方法，基于現(xiàn)場調(diào)查和數(shù)據(jù)分析，對瀝青路面熱再生技術(shù)節(jié)能減排效益開展了測算分析研究，得出如下結(jié)論：

1)就地?zé)嵩偕夹g(shù)具有顯著的節(jié)能減排和循環(huán)利用效益，與傳統(tǒng)銑刨重鋪技術(shù)相比，可節(jié)約30%以上能耗，同時(shí)可100%循環(huán)利用舊路面材料。

2)隨著RAP料摻量的增加，廠拌熱再生的能耗及排放逐漸降低。

3)與傳統(tǒng)銑刨重鋪相比，當(dāng)RAP料摻量為10%時(shí)，廠拌熱再生能耗和溫室氣體排放略高，RAP摻量為30%和50%時(shí)，具有明顯的節(jié)能減排效益。

4)廠拌熱再生技術(shù)可不同程度循環(huán)利用舊路面材料，具有明顯的循環(huán)利用效益。

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IKE.ChineseLifeCycleDatabase(CLCD)[DB/OL].(2012-09-05)[2014-10-30].http://www.ike-global.com/.

EnvironmentalBenefitsAnalysisonAsphaltPavementHotRecyclingTechnologies

BI Lianju1, ZHAO Bo1, CAI Haiquan2, 3, ZHU Haoran2, 3

(1.Jiangsu Lian-Xu Expressway Co. Ltd., Xuzhou 221000, Jiangsu,P.R.China; 2.Jiangsu Transportation Institute Group Co. Ltd.,Nanjing 211112, Jiangsu,P.R.China; 3.National Engineering Laboratory for Advanced Road Materials, Nanjing 211112, Jiangsu,P.R.China)

Life cycle assessment (LCA) method was adopted to accurately evaluate the environmental benefits of asphalt pavement hot recycling technologies. The evaluation index system of energy conservation and emission reduction was established. Through field investigation and data analysis, the energy consumption and greenhouse gas emission (GHG) of milling and repaving (M&R), hot in-place recycling and hot in-plant recycling technologies were calculated respectively. The environmental benefits of energy conservation and emission reduction and recycling were evaluated. The results show that, compared with M&R, hot in-place recycling technologies can save more than 30% energy consumption and realize 100% recycling of old pavement materials. And for hot in-plant recycling, the energy consumption and GHG is slightly higher when the content of RAP is 10%;the energy conservation and emission reduction benefits is obvious when the RAP content reaches 30% and 50%, meanwhile, the old pavement materials can be recycled at different degrees.

highway engineering; asphalt pavement; hot recycling technologies; energy consumption; greenhouse gas; energy conservation and emission reduction

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.11.09

2016-01-10；

2016-05-20

江蘇省交通科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2011Y02)

畢連居(1972—)，男，江蘇豐縣人，高級工程師，主要從事高速公路建設(shè)及管理工作。E-mail：chq91@jsti.com。

U416.26

A

1674-0696(2017)11-044-04

(責(zé)任編輯：朱漢容)