鋼渣集料瀝青路面LCA環(huán)境負(fù)荷研究

萬(wàn)友明 汪福松 吳少鵬 謝 君

(廣東省南粵交通揭惠高速公路管理中心1) 揭陽(yáng) 522000) (武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430070)

0 引 言

鋼渣作為典型工業(yè)固體廢棄物在基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，特別是公路交通行業(yè)中，常被循環(huán)利用作為水泥和瀝青混凝土中的關(guān)鍵助劑或原材料[1-2].鋼渣集料的應(yīng)用緩解了天然礦料緊缺的現(xiàn)狀，也促進(jìn)了低碳環(huán)保瀝青道路的發(fā)展[3].

鋼渣集料在瀝青混合料中的研究和應(yīng)用日益成熟，但是鋼渣瀝青路面在環(huán)境影響方面的優(yōu)勢(shì)缺少清晰的量化分析[4].文中借助eFootprint工具，采用生命周期評(píng)價(jià)(LCA)方法構(gòu)建了鋼渣瀝青混合料的研究框架和系統(tǒng)邊界，量化分析了鋼渣瀝青道路的資源消耗和環(huán)境負(fù)荷，提出了材料工藝和施工管理方面的改善策略.

1 研究框架與核算方法

1.1 瀝青路面結(jié)構(gòu)

參考《瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》和《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》中施工參數(shù)，本研究設(shè)定符合高速公路施工要求的瀝青面層厚度為18 cm，由上、中、下面層三層瀝青混合料攤鋪壓實(shí)組成，單個(gè)機(jī)動(dòng)車道寬度設(shè)計(jì)為3.75 m.各個(gè)結(jié)構(gòu)層的厚度根據(jù)設(shè)計(jì)車流量、荷載要求和服役環(huán)境等條件確定，其中上面層厚度一般是4 cm.本研究以上面層施工工藝為參考，選取SBS改性瀝青作為瀝青粘結(jié)料，以鋼渣替代粒徑大于4.75 mm的天然粗集料，細(xì)集料和礦粉則按照普通熱拌瀝青混合料中的規(guī)格使用.基于實(shí)驗(yàn)室前期對(duì)鋼渣瀝青混凝土的級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)和基本性能測(cè)試，確定了鋼渣瀝青混合料AC-16級(jí)配曲線，見(jiàn)圖1.

圖1 鋼渣瀝青混合料AC-16級(jí)配曲線

瀝青混合料拌制的油石比為4.31%，測(cè)得馬歇爾試件最大理論密度為2.869 g/cm3.除了材料用量，確定原材料的運(yùn)輸方案也是項(xiàng)目施工管理的重要環(huán)節(jié).常見(jiàn)的材料運(yùn)輸方式有三種，即水路運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸和公路運(yùn)輸，為了方便計(jì)算，本研究選用公路運(yùn)輸作為參考，計(jì)算自卸汽車在原材料運(yùn)輸階段產(chǎn)生的燃料消耗量.表1為鋼渣瀝青混合料的原材料規(guī)格信息.

表1 鋼渣瀝青混合料原材料信息

1.2 鋼渣集料生產(chǎn)加工

鋼渣堆場(chǎng)的材料加工包括：①自然陳化；②初級(jí)破碎；③磁選；④二次破碎；⑤篩分.新生成的鋼渣中含有一定濃度的活性氧化鈣成分，極易與水反應(yīng)導(dǎo)致鋼渣表面局部粉化，降低了材料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性[5].因此在雨水和空氣等自然條件下經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的陳化處理，保證鋼渣顆粒中活性氧化鈣充分反應(yīng)，提升鋼渣集料在瀝青混合料中的服役穩(wěn)定性.初級(jí)破碎和磁選是提取鋼渣顆粒中殘留的含鐵成分，二級(jí)破碎和篩分是將物化性質(zhì)穩(wěn)定的鋼渣顆粒按照需要的粒徑加工為鋼渣集料.圖2為鋼渣集料從廢料堆場(chǎng)的自然陳化到最終篩分成品的整個(gè)生產(chǎn)流程，可以看出主要的環(huán)境負(fù)荷由各個(gè)機(jī)械設(shè)備消耗的電能產(chǎn)生.

圖2 鋼渣集料生產(chǎn)加工流程

將鋼渣集料生產(chǎn)物化過(guò)程中對(duì)應(yīng)的環(huán)境負(fù)荷，等效于相關(guān)機(jī)械加工的電能消耗所造成的環(huán)境影響.基于對(duì)鋼渣的工藝流程調(diào)研[6]，總結(jié)了主要的加工機(jī)械設(shè)備及其單位電耗，見(jiàn)表2.由表2可知：加工1 kg鋼渣集料約消耗4.97×10-3kW·h電能，其中帶式輸送機(jī)是耗能最大的設(shè)備，其次是破碎機(jī)，振動(dòng)篩運(yùn)轉(zhuǎn)的單位電耗最小(5.10×10-5kW·h/kg).

表2 鋼渣集料生產(chǎn)加工機(jī)械 單位：kW·h/kg

1.3 LCA研究框架

圖3為研究分析的五個(gè)關(guān)鍵施工過(guò)程，即材料生產(chǎn)、材料運(yùn)輸、混合料拌和、混合料運(yùn)輸、攤鋪壓實(shí).可以看出鋼渣瀝青路面LCA過(guò)程中，涉及到的能源消耗主要包括運(yùn)輸車的燃料消耗、拌和站的電耗和化石燃料，以及施工現(xiàn)場(chǎng)大型機(jī)械的燃料消耗.根據(jù)《公路工程預(yù)算定額》和《公路工程機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額》，選取高速公路瀝青面層施工過(guò)程中所需的主要機(jī)械，見(jiàn)表3.

圖3 鋼渣瀝青路面關(guān)鍵施工過(guò)程

表3 鋼渣瀝青路面主要機(jī)械及耗能效率

1.4 環(huán)境負(fù)荷核算方法

借助eFootprint工具評(píng)價(jià)鋼渣瀝青路面的能源消耗和溫室氣體排放，是基于流程的LCA建立計(jì)算模型，然后確定環(huán)境影響結(jié)果.因此用戶需要自行建立研究產(chǎn)品的生命周期模型，然后調(diào)研歸納模型中必要的輸入數(shù)據(jù)，通過(guò)工具內(nèi)部的基礎(chǔ)算法得到環(huán)境指標(biāo)輸出結(jié)果.瀝青道路生命周期內(nèi)產(chǎn)生環(huán)境影響主要包括原材料的生產(chǎn)和各項(xiàng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)造成的燃料消耗.原材料生產(chǎn)過(guò)程環(huán)境負(fù)荷的核算方法為

(1)

式中：Em為原材料生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境負(fù)荷；mim為第i種原材料在研究功能單位內(nèi)所需總量；而eim為單位質(zhì)量材料的生產(chǎn)造成的環(huán)境負(fù)荷.

施工機(jī)械的燃料消耗一般包括化石能源和電能兩種，由于瀝青混合料施工過(guò)程需要對(duì)材料加熱，因此化石燃料除了提供一些燃油引擎機(jī)械的驅(qū)動(dòng)力，也是材料加熱的主要能量來(lái)源.電能主要是提供瀝青混合料拌和設(shè)備、傳送帶等大型機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)力，將鋼渣集料的加工電耗也等效為材料生產(chǎn)階段的環(huán)境負(fù)荷.施工機(jī)械的參數(shù)、施工環(huán)境等條件不同會(huì)導(dǎo)致能源效率發(fā)生改變，所以此階段的環(huán)境負(fù)荷量化結(jié)果會(huì)因項(xiàng)目的實(shí)際施工方式而存在部分差異.能源消耗過(guò)程中產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷核算方法為

(2)

式中：Ef為燃料消耗過(guò)程的環(huán)境負(fù)荷；mif為第i種機(jī)械消耗的燃料量；而eif為第i種燃料單位質(zhì)量造成的環(huán)境影響.

2 分析與討論

2.1 典型資源消耗

對(duì)采石場(chǎng)天然集料爆破過(guò)程的數(shù)據(jù)分析，以銨梯炸藥為參考，爆破石灰?guī)r的炸藥需求量為0.18 kg/t，玄武巖的需求量為0.27 kg/t[7].而銨梯炸藥主要成分是硝酸銨和梯恩梯，爆炸時(shí)會(huì)產(chǎn)生氮氧化合物等有毒氣體，因此資源化循環(huán)利用固體廢棄物在節(jié)約資源消耗的同時(shí)，也減少了生態(tài)污染.

計(jì)算各個(gè)原材料的質(zhì)量配比和實(shí)際消耗量，見(jiàn)表4.由表4可知：鋪建1 km長(zhǎng)、4 cm厚的單個(gè)機(jī)動(dòng)車道，耗費(fèi)的原材料總質(zhì)量為430.05 t，其中粗集料和細(xì)集料總質(zhì)量為400.14 t，并且粗集料的質(zhì)量超過(guò)細(xì)集料質(zhì)量的2倍.同等配比下使用玄武巖作為粗集料，僅爆破過(guò)程中就需要炸藥近75 kg.

表4 原材料的質(zhì)量配比和實(shí)際消耗量

2.2 環(huán)境負(fù)荷量化分析

eFootprint工具默認(rèn)輸出的環(huán)境負(fù)荷量化指標(biāo)有12種，包括了初級(jí)能源消耗、非物質(zhì)資源消耗、氣候變化等常見(jiàn)的環(huán)境影響，也包含了水資源消耗、人體毒性、生態(tài)毒性等討論的較少的指標(biāo).表5為工具中量化的環(huán)境指標(biāo)信息和對(duì)應(yīng)的單位，并用小寫字母a～l作為標(biāo)簽簡(jiǎn)化對(duì)應(yīng)的指標(biāo).輸出的環(huán)境指標(biāo)選取的量化標(biāo)準(zhǔn)與當(dāng)前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)一致，例如氣候變化用當(dāng)量CO2衡量，酸化用當(dāng)量SO2衡量，可吸入無(wú)機(jī)物則用當(dāng)量PM2.5表示.

表5 eFootprint工具默認(rèn)輸出的環(huán)境負(fù)荷量化指標(biāo)有12種

為了簡(jiǎn)化關(guān)鍵施工過(guò)程，將十類施工步驟用1～10順序編號(hào)，依次為各項(xiàng)原材料的生產(chǎn)到最后攤鋪壓實(shí)的施工，見(jiàn)表6.結(jié)合表5和表6中的編號(hào)標(biāo)簽，eFootprint的量化結(jié)果見(jiàn)表7.可以看出整個(gè)鋼渣瀝青道路的施工過(guò)程中，環(huán)境負(fù)荷量化結(jié)果數(shù)量級(jí)較大的四類分別是a、c、d和j，而環(huán)境負(fù)荷量化值較小的有四類，分別是b、e、k和l.由于此處量化結(jié)果缺少同類對(duì)比，且量化數(shù)量級(jí)大小與標(biāo)準(zhǔn)單位相關(guān)，因此只能作為定性解釋和對(duì)比參考.對(duì)比表7中不同施工階段的環(huán)境量化結(jié)果可知：原材料生產(chǎn)造成了極為顯著的環(huán)境負(fù)荷，特別是瀝青的生產(chǎn)過(guò)程在12項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)中有9項(xiàng)是最大值，僅e、k和l不是最大值.另外，瀝青混合料的運(yùn)輸過(guò)程是10項(xiàng)施工過(guò)程中造成環(huán)境負(fù)荷相對(duì)較小的.

表6 鋼渣瀝青路面生命周期內(nèi)關(guān)鍵施工步驟

為了獲得直觀可視化的對(duì)比數(shù)據(jù)結(jié)果，選取鋼渣瀝青路面施工過(guò)程中的能源消耗量和溫室氣體排放量作為重點(diǎn)參考指標(biāo)，圖4為兩個(gè)環(huán)境指標(biāo)的量化結(jié)果和對(duì)應(yīng)的比例分布.由圖4可知：整個(gè)鋼渣瀝青道路的施工消耗了1.12 TJ，其中瀝青生產(chǎn)造成了995 GJ的能耗，占總初始能耗的88.62%，其次在混合料拌和階段，瀝青和集料的預(yù)熱消耗了61.7 GJ，占了整體的5.49%，剩下的鋼渣生產(chǎn)、原材料運(yùn)輸油耗、鋼渣瀝青混合料拌和電耗分別占總體的1.86%、1.34%和1.27%.同時(shí)，氣候變化的量化結(jié)果顯示出類似的趨勢(shì)，整個(gè)道路施工產(chǎn)生的當(dāng)量CO2為20.30 t，瀝青生產(chǎn)導(dǎo)致15.30 t，占總溫室氣體排放的75.37%，其次鋼渣集料生產(chǎn)所用的電耗排放了1.65 t，占總排放量的8.14%，剩余混合料拌和階段產(chǎn)生的油耗和電耗分別占比總排放的5.47%和5.58%.

表7 關(guān)鍵施工步驟的12項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)量化結(jié)果

圖4 關(guān)鍵施工階段的能耗與溫室氣體排放

2.3 改善策略

在鋼渣瀝青道路施工周期內(nèi)，環(huán)境負(fù)荷最顯著的過(guò)程是原材料的生產(chǎn)，說(shuō)明加大固體廢棄物的資源化利用是必要的節(jié)能減排道路措施.同時(shí)對(duì)比各個(gè)原材料可知，瀝青黏結(jié)料雖然摻加量較小，但造成的環(huán)境影響卻超過(guò)其他的原材料，說(shuō)明優(yōu)化如瀝青生產(chǎn)等重型化工行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)、提升相關(guān)行業(yè)低碳發(fā)展極為重要.其次瀝青混合料的拌和過(guò)程也造成了較大的環(huán)境負(fù)荷，特別是在原材料預(yù)熱階段消耗的重油和電能.說(shuō)明對(duì)清潔能源的開發(fā)和應(yīng)用是加快道路可持續(xù)化的有效途徑.

3 結(jié) 論

1) 鋼渣瀝青道路在施工周期內(nèi)對(duì)初級(jí)能源消耗、水資源消耗、氣候變化、生態(tài)毒性四項(xiàng)環(huán)境負(fù)荷影響最大，同時(shí)原材料生產(chǎn)是最大環(huán)境負(fù)荷的施工步驟，其中瀝青生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境負(fù)荷明顯超過(guò)其他原材料.

2) 整個(gè)鋼渣瀝青路面的建設(shè)施工在功能單位內(nèi)造成了1.12 TJ能耗和20.30 t當(dāng)量CO2排放.其中，瀝青生產(chǎn)過(guò)程的初始能耗和溫室氣體排放分別占總體88.62%和75.37%.

3) 根據(jù)不同施工步驟環(huán)境負(fù)荷的對(duì)比量化結(jié)果發(fā)現(xiàn)：加大廢棄物資源化利用、優(yōu)化瀝青原材料生產(chǎn)技術(shù)、開發(fā)應(yīng)用清潔能源是生態(tài)化道路建設(shè)的有效策略.