基于現場調查的瀝青路面施工能耗計算法

王寬東

（新疆新紀元公路設計有限責任公司，烏魯木齊 830000）

0 引言

在當前大力提倡“青山綠水就是金山銀山”的生態文明理念過程中, 離不開基礎設施在全生命周期采取的低碳、環保、節約措施。 事實上,由于需要消耗大量的人力、物力和財力,同時產生大量廢水、廢氣和廢料,公路、市政、水利等基建項目在實施階段的能源消耗和對環境污染程度最嚴重,因此,對公路工程施工階段的能耗控制和降耗措施研究顯得尤為重要和十分迫切。

目前, 國內外對路面能耗研究已取得了一些可以借鑒應用的成果,Yue Huang[1]研發了再生瀝青路面的LCA模型, 認為道路改建施工期間產生的額外能耗和排放很顯著, 應將養護中的交通管理包含在生命周期評價分析中。 蔡日升[2]調查了我國瀝青混合料生產、運輸、攤鋪、碾壓等過程能源消耗情況,分析了能耗主要影響因素,建立了瀝青混合路面能耗分析模型。但依然存在以下不足[3-5]：(1)能耗分析地域化現象明顯,不具備跨域推廣的普適性。(2)基礎能耗數據源較少、質量較低,大數據分析應用價值不高。 (3)能耗界面劃分模糊,存在重疊和遺漏能耗數據。

鑒于此, 通過調查多條高速公路瀝青面層施工各階段的能耗,獲取基準參數,建立基于現場實測的瀝青面層施工能耗計算公式,便于施工管理和提供能耗監測依據。

1 瀝青面層施工能耗調查分析

1.1 調查內容

目前瀝青路面采用最為廣泛的是熱拌瀝青混合料,其在整個生產和施工過程中的能耗量最大。 因此,為保證能耗數據的準確性和全面性,本文選取熱拌瀝青混合料5個施工階段的能耗進行重點調查研究。

原材料生產階段能耗主要為生產集料、 瀝青和礦粉等原材料所需的機械設備油耗、 電能消耗和其他人力資源消耗。 瀝青混合料生產階段主要調查對象為拌和站生產單位質量瀝青混合料所需電量和燃油量。

原材料和瀝青混合料運輸過程能耗主要源自于自卸車油耗,與車輛載重量、運量、運距和車輛使用年限等有關。 目前國內公路建設項目運輸設備多采用載重量為13～15t 的自卸汽車。

在瀝青混合料攤鋪過程中, 攤鋪設備會消耗大量燃油。 因此,該過程應調查攤鋪機的耗油量。 目前,國內常用的瀝青混合料鋪筑施工多為履帶式攤鋪機。

為保證瀝青路面的路用性能, 瀝青混合料的碾壓必須嚴格按試驗段確定的機械組合、松鋪厚度、碾壓速度、碾壓遍數等參數進行。 因此,國內目前常用的雙鋼輪振動壓路機和膠輪壓路機碾壓單位體積瀝青混合料所需耗油量是碾壓過程需要調查的重要指標。

1.2 調查結果

為了保證采集數據真實、 可靠、 滿足樣本容量的要求, 對全國多個省份高速公路典型面層施工標段進行了調查,經統計分析后得出能耗數據,見表1。

表1 瀝青面層施工能耗統計

2 瀝青面層施工能耗計算法

采用基于現場實測數據所建立的原材料與混合料生產、原材料與混合料運輸、攤鋪及碾壓能耗計算公式,即可建立瀝青面層施工總能耗現場預估模型。 假設瀝青混合料質量為mh(t)、集料質量為mj(t)、瀝青質量為ml(t)、礦粉質量為mk(t),則瀝青面層施工總能耗計算公式：

式中：∑EC為瀝青面層施工總能耗(MJ)； ECyc為原材料生產能耗(MJ)；EChhl為混合料生產能耗(MJ)； ECys為運輸能耗(MJ)；ECtp為攤鋪能耗(MJ)；ECny為碾壓能耗(MJ)。

原材料生產能耗計算公式,如式(2)～(5)：

式中：ECjl為集料生產能耗(MJ)；EClq為瀝青生產能耗(MJ)；ECkf為礦粉生產能耗(MJ)；Pa為常減壓渣油生過程的瀝青回收率(%)；ECx為溶劑脫瀝青生產的溶劑脫瀝青裝置能耗(MJ/t)；P0為改性瀝青生產裝置與礦粉研磨機的功率(kW)；PC 為改性瀝青生產裝置與礦粉研磨機的生產能力(t/h)。

混合料生產能耗計算公式：

式中： EClqtt為瀝青脫桶加熱能耗(MJ)；ECjldf為集料堆放與上料能耗(MJ)；ECjlhg為集料烘干能耗(MJ)；ECbhj為拌和機拌和電耗(MJ)。

運輸能耗計算公式：

式中：ECycys為原材料運輸能耗(MJ)；EChhlys為混合料運輸能耗(MJ)；ha為平均運距(km)； fc為瀝青運輸車與礦粉運輸車的綜合油耗(L/100km)；La,Lr分別為瀝青與礦粉的實際載重與額定載重(t)。

攤鋪能耗計算公式：

式中：ECtp為攤鋪能耗(MJ)；V實為瀝青混合料壓實體積(m3)。

碾壓能耗計算公式：

式中：ECny為碾壓能耗(MJ)。

3 瀝青面層施工能耗預估法應用

西部某高速公路建設項目, 采用雙向四車道建設標準,設計時速為120km/h,路線全長20km。 路基斷面組成為：行車道4×3.75 m +中分帶3m+路緣帶2×0.75m+硬路肩2×3.5m+土路肩2×0.75m=28.0m。瀝青路面結構參數及材料用量見表2～3。

表2 面層設計參數

表3 面層材料數量

3.1 原材料生產

鑒于原材料施工現場能耗調查程序復雜、 可變性較大、不可控因素多等特點,為便于比較分析,本研究對原材料的生產能耗采用理論計算法的結果,見表4。

表4 原材料生產能耗匯總

3.2 瀝青混合料生產

根據式(6),可計算上、下面層混合料生產能耗,見表5及圖1。

由圖1 可知,瀝青混合料生產過程中,集料烘干與加熱能耗最大；其次為瀝青脫桶加熱過程；次之為拌和機電耗；能耗最小為冷料堆放與上料,上、下面層各環節能耗變化趨勢相同,但下面層總體能源消耗較大。

3.3 瀝青混合料運輸

同理,根據式(7)～式(9),即可計算集料與瀝青混合料運輸能耗見表6。

圖1 混合料生產階段各工藝流程能耗

表5 混合料生產能耗

表6 運輸能耗匯總

3.4 瀝青混合料攤鋪

由式(10)計算得到上、下面層瀝青混合料攤鋪能耗,見表7。

表7 攤鋪能耗

3.5 瀝青混合料碾壓

由式(11)計算得到上、下面層瀝青混合料碾壓能耗,見表8。

表8 碾壓能耗

3.6 預估法施工能耗匯總分析

基于現場實測的瀝青面層施工能耗匯總結果見表9, 圖2～3 分別為瀝青面層各階段施工能耗和各階段能耗比重。

表9 瀝青面層施工能耗匯總

由表9 和圖2～3 可知,從各生產階段看,在原材料生產、混合料生產、運輸、攤鋪及碾壓5 個環節中,能耗最大的為混合料生產環節, 超過原材料生產能耗2 倍以上,占總能耗的61.8%； 其次為原材料生產能耗, 占總能耗的26.9%。 運輸過程的能耗占7.6%,攤鋪過程占0.8%,碾壓過程占2.9%,這三個過程占總能耗的11.3%,總能耗占比最小。

圖2 瀝青面層各階段施工能耗

圖3 瀝青面層各階段施工能耗占比

從各生產工藝流程看, 瀝青混合料生產階段中集料烘干與加熱環節能耗最大,占總能耗的46.6%；其次為原材料生產階段的礦粉生產工藝,占總能耗的19.5%,二者之和為66.1%,由此說明,礦粉生產和集料烘干與加熱是瀝青路面施工階段能耗最大的工藝環節, 處于建設期能耗主導地位,因此對于生產機械設備油耗及電量的消耗控制是施工節能降耗的關鍵環節。 可通過優先采用三年以內、低油耗、生產能力在320t/h 的大型機械設備,改進生產工藝、提高生產技術創新能力、減少或淘汰耗時、耗費等落后工藝或設備,利用大數據平臺縮短材料運距、優化設備采購或租賃方案等措施,以便達到節能降耗效果。

4 結論

(1)基于瀝青面層施工現場實測能耗數據的基礎上,匯總得到了各工藝階段的能耗因子, 最后建立了瀝青面層施工能耗計算模型。

(2)采用瀝青面層施工能耗預估模型計算得到了典型路面結構施工能耗量,計算結果表明在原材料生產、混合料生產、運輸、攤鋪及碾壓5 個環節中,混合料生產環節能耗最大, 占總能耗的61.82%； 其次為原材料生產,占總能耗的26.9%。 運輸過程的能耗占7.6%,攤鋪過程占0.8%,碾壓過程占2.9%,這三個過程占總能耗的11.3%。

(3)提出優先采用三年以內、低油耗、生產能力在320t/h 的大型機械設備, 充分利用大數據平臺縮短材料運距、優化設備采購或租賃方案等措施。