基于生命周期理論的高黏瀝青混合料排水路面環境影響評價

楊專家，汪 婷，陸生華，孫 嘯

(1 河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098；2 南京市路橋工程有限公司，江蘇 南京 211131)

目前，經濟與社會的發展帶來的環境惡化和能源耗竭等問題，已嚴重威脅到人類生存，節能減排、低碳施工已成為社會關注的焦點[1]。據統計，2020年公路養護投資達到885.83億元。全國公路養護維修工程中，國、省干道大中修率在15%以上，每年公路路面大修養護里程達到50多萬公里，大修養護費用達到數千億元[2-3]。同時，公路養護常采用的排水罩面需要使用高黏瀝青，其具有施工溫度高、碳排放量大等缺點，對環境造成一定的危害[4]。為解決此類缺點，通過引入溫拌技術，并結合高黏瀝青改性技術，開發新型髙黏瀝青材料，提高混合料性能的同時降低施工溫度，從而起到節能減排效果。

溫拌瀝青混合料排水路面帶來的環境影響受到了部分學者的關注。國外Araujo[5]、Polo-Mendoza[6]等采用LCA方法研究了包含再生骨料的溫拌瀝青在生命周期內對環境的影響，其中Polo-Mendoza[7]又通過遺傳算法對溫拌瀝青混合料可持續多目標設計進行了優化。國內賈曉娟等[8]針對瀝青混合料原材料開采、生產、使用和廢棄過程中的資源、能源消耗及污染物排放進行了評價，崔澤強[9]探討了在溫拌瀝青生產中使用再生骨料來部分取代天然骨料的環境影響。

本文采用生命周期評價（LCA）方法對溫拌改良高黏瀝青混合料中各種材料的開采、生產、施工和廢棄過程中的資源、能源消耗及污染物排放進行了評價，并對比傳統髙黏瀝青混合料，驗證這種溫拌改良高黏瀝青混合料的節能減排效果。

1 溫拌改良高黏瀝青及瀝青混合料

本文在前期研究中已開發了溫拌改良髙黏瀝青，提升135℃布氏黏度、60℃動力黏度和離析溫差等瀝青關鍵性能參數。同時開發了溫拌改良高黏瀝青混合料配比，提升了抗析漏損失和抗飛散損失性能。為進行后續的生命周期評價，現將其基本情況和性能總結如下。

1.1 材料配合比

（1）高黏瀝青：① 溫拌改良高黏瀝青的配方：SBS改性劑摻量為7.0%、溫拌劑LQW-0400為2.5%、樹脂材料摻量為1.5%、相容劑摻量為4.8%、穩定劑摻量為0.2%，其余為SK 70#基質瀝青；② 傳統高黏瀝青的基礎配方為SBS改性劑7.5%、相容劑5.5%、穩定劑0.22%，其余為SK 70#基質瀝青。

（2）高黏瀝青混合料：膠結料為高黏瀝青，粗集料采用玄武巖，細集料采用玄武巖機制砂，礦粉采用堿性石灰巖粉末（級配信息詳見表1），纖維采用高性能聚酯纖維，摻量為0.1%，油石比為5.0%。

表1 高黏瀝青混合料級配信息Table 1 Grading information of high viscosity asphalt mixture

原材料配方區別：溫拌改良高黏瀝青配方及其制備工藝相對于傳統工藝，在SBS改性劑、相容劑、穩定劑和基質瀝青材料方面分別降低了0.5%、0.7%、0.02%和2.78%，增加了石油樹脂1.5%和溫拌劑2.5%；油石比例為5.0%，采用的鋪石料材料性質和數量相同。

1.2 材料制備工藝

（1）高黏瀝青

溫拌改良高黏瀝青的制備工藝為：第一階段，將基質瀝青放入175℃烘箱加熱，加入SBS改性劑、相容劑和樹脂材料等，攪拌速度為1000r/min，攪拌30min；第二階段，將溫度升至185℃，采用高速剪切機剪切50min，剪切速度為4000r/min；第三階段，剪切結束后，將溫度降至170℃，攪拌發育1h，攪拌速度為1000r/min；第四階段，加入穩定劑，攪拌1h，最后加入溫拌劑，攪拌0.5h，得到溫拌改良高黏瀝青。

傳統改良高黏瀝青的制備工藝為：第一階段，將基質瀝青放入175℃烘箱加熱，加入SBS改性劑，攪拌速度為1000r/min，攪拌30min；第二階段，將溫度升至190℃，采用高速剪切機剪切60min，剪切速度為4000r/min；第三階段，剪切結束后，將溫度降至175℃，攪拌發育1h，攪拌速度為1000r/min；第四階段，加入穩定劑，攪拌2h，最后得到傳統高黏瀝青。

（2）高黏瀝青混合料

溫拌改良高黏瀝青混合料的制備工藝為：第一階段，將瀝青加熱到175℃，攪拌速度為1000r/min，攪拌30min；第二階段，將礦料加熱至185℃，攪拌速度為4000r/min，攪拌50min；第三階段，最后兩種材料混合，攪拌速度為1000r/min，攪拌150min，混合料出料溫度為170℃，攤鋪溫度為155℃，碾壓溫度為150℃。

傳統改良高黏瀝青混合料的制備工藝為：第一階段，將瀝青加熱到175℃，攪拌速度為1000r/min，攪拌30min；第二階段，將礦料加熱至190℃，攪拌速度為4000r/min，攪拌60min；第三階段，最后兩種材料混合，攪拌速度為1000r/min，攪拌180min，混合料出料溫度為175℃，攤鋪溫度為165℃，碾壓溫度為160℃。

制備工藝區別：從高黏瀝青制備工藝來看，溫拌改良高黏瀝青與傳統高黏瀝青相比，在第一階段無區別；第二階段溫度下降5℃，剪切時間降低10min；第三階段溫度下降5℃；第四階段攪拌時間縮短了1.5h。從高黏瀝青混合料制備工藝分析，溫拌改良高黏瀝青與傳統高黏瀝青相比，第一階段基本不變；第二階段剪切速度不變，剪切時間降低10min，溫度下降5℃；第三階段攪拌速度不變，攪拌時間減少0.5 h，混合出料溫度下降10℃，攤鋪溫度與碾壓溫度均降低10℃。

1.3 材料參數對比

兩種配方制備的高黏瀝青及高黏瀝青混合料性能測試參數詳見表2和表3。

表2 溫拌改良高黏瀝青和傳統成品高黏瀝青的檢測結果對比Table 2 Comparison of test results between the improved high viscosity asphalt and the traditional high viscosity asphalt

表3 瀝青混合料析漏損失和飛散損失試驗結果Table 3 Test results of leakage loss and flight loss of asphalt mixture

由表2可以看出，溫拌改良高黏瀝青的關鍵技術指標較成品高黏瀝青有了較大改善，其中135℃布氏黏度小于3.0Pa·s，60℃動力黏度有所升高，增加至161375 Pa·s，比傳統成品高黏瀝青提升了12.32%，此外其熱存儲穩定性得到了改善，其離析溫差降至1.6℃，能保證其高溫長期存儲性能的穩定。由表3可知，兩種瀝青混合料均滿足技術指標要求。溫拌改良高黏瀝青的析漏損失和飛散損失均最小，說明溫拌劑的加入使得瀝青與石料間具備更好的黏附性，增強了混合料的黏結強度。

2 生命周期評價方法

生命周期評價[10]（Life Cycle Assessment，LCA）是一種就產品及其生產工藝活動對環境造成的影響進行客觀評價的方法。這種評價方法通過對整個過程的能源、物質消耗和環境污染物排放進行分析，進而評估能量、物質利用過程對環境的影響，最終尋求改善產品或工藝的途徑。根據 ISO 14044 規范，LCA 技術框架由4個相互關聯的部分組成：目標與范圍的定義、清單分析、影響評價、結果解釋[11]。

3 高黏瀝青混合料LCA評價

3.1 目標與范圍的定義

3.1.1 目標定義與功能單位確定

對我國典型排水瀝青混合料生產過程中所消耗資源、能源及污染物排放的數據，計算其環境負荷狀況，找出環境改善潛力，并對其生產的環境影響給出正確評價，為排水瀝青路面材料的可持續發展提供數據支持。規定生產鋪筑總量1噸瀝青混合料為1功能單位。

3.1.2 系統邊界確定

研究范圍從瀝青混合料原料開采生產、混合料拌和制備、運輸、瀝青排水路面攤鋪和碾壓過程，直至報廢。主要考慮瀝青混合料生產工藝過程及與瀝青路面建設相關的原料開采、電力生產、能源生產及施工過程產生的環境影響。瀝青混合料生命周期中環境負荷評價的具體項目：① 資源消耗：煤炭、石油、天然氣、其他能源（電能等），② 污染物排放：CO、CO2、SO2、NOx、CH4和N2O。瀝青混合料生命周期評價的邊界條件如圖1所示。

圖1 瀝青混合料生命周期評價邊界條件情況Fig. 1 Boundary conditions of asphalt mixture life cycle assessment

3.2 生命周期清單分析

3.2.1 典型瀝青混合料數據

溫拌改良髙黏瀝青混合料和傳統髙黏瀝青混合料的生命周期分析，分為原材料生產過程、拌和過程、材料運輸、攤鋪壓實和廢棄五個過程，計算了在這5個過程中兩種配方的資源消耗和污染物排放，由于本研究中兩種配方中材料運輸過程和廢棄過程并無明顯區別，所以本文只計算原材料生產過程、拌合、攤鋪和壓實這幾個過程中材料和工藝的能耗和污染氣體排放數據。表4和表5數據來源于中國統計年鑒[12]、中國能源統計年鑒[13]、中國環境統計年鑒[14]、中國國土資源年鑒[15]和部分參考文獻[16-21]。其中穩定劑主要成分包括硫磺、氧化鋅、硬脂酸鋅等；相容劑為橡膠油，其主要成分為富芳類的餾分油；樹脂材料為C9石油樹脂。此三種材料的數據無法直接從以上文獻及數據庫 中直接查得，本文采用相似成分材料推算得出。

表4 瀝青混合料材料和工藝能耗數據Table 4 Asphalt mixture material and process energy consumption data

表5 瀝青混合料材料和工藝污染氣體排放數據Table 5 Emission data of asphalt mixture material and process pollution gas

表4顯示了瀝青混合料材料和施工能耗數據，表5顯示了瀝青混合料材料和施工污染物排放數據。

從原材料生產能耗角度來看，基質瀝青生產能耗最高，其能耗顯著高于骨料和外加劑消耗，占原材料生產能耗的93.9%，占總能耗的7.6%，這歸結于瀝青基質生產過程中大量的天然氣和石油的使用。溫拌劑和石油樹脂能耗也低于其他外加劑，由于使用量較小，增加這兩種外加劑的使用并未帶來顯著影響。同時由于可以降低基質瀝青使用和減少其他外加劑的使用，可以有效控制能源使用量。從瀝青混合料施工能耗角度來看，拌制瀝青過程能耗也高于攤鋪過程和壓實過程，占總能耗的91.9%，這是由于制備瀝青混合料過程中需要持續高溫和高速攪拌，攤鋪過程和壓實過程中能耗相近。施工工藝所產生的能耗是原材料生產能耗的11.34倍，消耗了絕大部分化石能源。

從污染排放角度來看，原材料生產過程中，基質瀝青的污染物排放要遠高于其他原材料，占原材料污染排放的98.9%，占總污染排放的76.0%。瀝青混合料施工過程中，拌制瀝青過程的污染物排放要高于攤鋪過程和壓實過程，占總污染物排放的24.0%。施工工藝所產生的污染物排放是原材料生產排放的30.0%，可見原材料生產過程排放了絕大部分的污染物。因此從材料配比角度考慮，減少基質瀝青、相容劑、穩定劑的使用量和簡化拌制瀝青過程最有利于減少瀝青混合料制備過程中污染氣體排放并保護環境。

3.2.2 高黏瀝青混合料生命周期清單

根據表4和表5數據和混合料配比來計算傳統和溫拌改良髙黏瀝青混合料的能耗和污染物排放生命周期清單，見表6～表9。

表6 傳統配方瀝青混合料材料和工藝能耗數據Table 6 Energy consumption data of traditional formula asphalt mixture materials and process

表7 傳統配方瀝青混合料材料和工藝污染氣體排放數據Table 7 Pollution gas emission data of traditional formula asphalt mixture materials and processes

表8 溫拌改良配方瀝青混合料材料和工藝能耗數據Table 8 Material and process energy consumption data of warm mixing improved formula asphalt mixture

表9 溫拌改良配方瀝青混合料材料和工藝污染氣體排放數據Table 9 Emission data of material and process pollution gas of warm mix modified formula asphalt mixture

分析表6～表9數據可知：

（1）從材料角度看，溫拌改良配比在傳統方法的基礎上減少了能耗和污染氣體排放，其中每生產1t瀝青混合料，溫拌改良配方比傳統配方減少了4.1E+06 J能量，降比2.6%；污染物 CO2、SO2、NOX、CO、CH4、N2O 也分別減少了2.30E-01 kg、1.04E-03 kg、1.02E-03 kg、8.07E-04 kg、8.08E-04 kg、2.35E-09 kg的排放，降比分別為2.70%、3.15%、3.19%、3.03%、3.21%、0%。可見 CO2在所有污染氣體中占比高達98.6%，因此溫拌改良配方在減少排放 CO2上最明顯。在所有材料中，基質瀝青的減少對能耗和污染物的排放減少效果最明顯，傳統配比中基質瀝青的CO2、SO2、NOX、CO、CH4的排放分別占所有材料總排放的83.6%、97.5%、99.5%、94.5%、99.9%，而溫拌改良配比中基質瀝青的CO2、SO2、NOX、CO、CH4的排放分別占所有材料總排放的83.2%、97.4%、99.4%、94.3%、99.9%。溫拌改良配比中加入了溫拌劑和 C9 石油樹脂，增加了能耗和污染物排放，但由于這兩種材料在瀝青混合料中占比小于 0.1%，增量非常有限。因此，通過分析可知，溫拌改良配比中能耗和污染物排放的減少主要是通過溫拌劑和C9石油樹脂的摻加來減少基質瀝青的使用，其他外加劑材料的變化也能不同程度地影響能耗和污染氣體排放，但起著主要作用的還是基質瀝青用量的減少。

（2）從工藝角度看，傳統配方和溫拌改良配方拌合生產過程的能耗和污染氣體均顯著高于材料生產階段、攤鋪過程和碾壓過程，瀝青混合料拌合生產過程在所有工藝中起著決定作用。其中拌合生產過程中溫拌改良配方在傳統配方能耗的基礎上，能耗以及CO2、SO2、NOX排放分別減少了7.36E+09 J、6.57 kg、2.13 kg、1.85 kg，主要原因在于拌合生產過程中攪拌時間的減少和溫度的降低。

3.3 環境影響評價

3.3.1 影響分類

本文依據國際標準及SETAC理論[11]，與瀝青混合料相關的影響類型詳見表10。

表10 環境影響類型分類Table 10 Classification of environmental impact types

3.3.2 數據特征化

對1功能單位瀝青混合料進行生命周期評價分析，并采用當量評估模型對GWP、AP、POCP、HT和ADP影響進行特征化表征，環境影響特征化因子采用高唱[22]引用的CML-IA數據庫（2013）發布的報告參數。因其他能源對環境的影響因子很難量化，故本文未考慮此類資源對環境的影響。瀝青混合料特征化結果見表11和表12。

表11 傳統配方瀝青混合料在生命周期各階段功能單位特征化結果Table 11 Characterization results of functional units of traditional formula asphalt mixture in each stage of life cycle

表12 溫拌改良配方瀝青混合料在生命周期各階段功能單位特征化結果Table 12 Functional unit characterization results of warm mixed modified asphalt mixture in each stage of life cycle

分析表11和表12數據可得：

(1)從材料角度來看，溫拌改良髙黏瀝青混合料與傳統髙黏瀝青混合料相比，降低了各種類型的環境影響。其中每生產1t瀝青混合料，溫拌改良配方比傳統配方對不可再生資源的影響指標降低了2.43E+02kg Sb當量，對溫室效應的影響指標降低了2.50E-01kg CO2當量，對酸化效應的影響指標降低了1.71E-03kg SO2當量，對人類健康損傷的影響指標降低了1.30E-03kg C6H4Cl2當量，對光化學煙霧的影響指標降低了9.80E-05kg C2H4當量，降比分別為1.73%、2.73%、3.09%、3.13%、3.06%。在所有材料中，瀝青基質對環境的影響遠大于其他材料。在溫拌改良配方中基質瀝青對ADP、GWP、AP、HT、POCP的影響分別占材料總影響的81.13%、84.84%、98.29%、99.26%、97.37%；在傳統配方中基質瀝青對ADP、GWP、AP、HT、POCP的影響分別占材料總影響的82.31%、85.25%、98.32%、99.27%、97.44%。進一步說明了溫拌改良配方降低環境影響的根本原因在于基質瀝青的減少。

（2）從工藝角度看，傳統配方和溫拌改良配方中材料生產階段對ADP的影響最大，分別占97.90%、97.87%；拌合生產階段對GWP、AP、HT、POCP的影響占主導，傳統配方中該階段對GWP、AP、HT、POCP的影響分別占78.12%、99.43%、100%、99.62%，溫拌改良配方中該階段對GWP、AP、HT、POCP的影響分別占74.72%，99.29%、99.60%、99.52%；攤鋪過程和碾壓過程對各環境類型均有影響，但影響程度均較小。分析表中數據，發現溫拌改良配方對各環境類型的影響均低于傳統配方，針對ADP、GWP、AP、HT、POCP五種環境影響類型，溫拌改良配方與傳統配方相比，分別降低了1.40%、16.24%、20%、19.59%、19.90%，其主要原因在于基質瀝青、攪拌時間的減少以及攪拌溫度的降低。

3.3.3 數據歸一化

以CML提出的基準值作為歸一化基準值，對1功能單位瀝青混合料的特征化結果進行歸一化，計算結果見表13。

表13 不同配方瀝青混合料在生命周期各階段歸一化計算結果Table 13 Normalized calculation results of asphalt mixtures with different formulations in each stage of the life cycle

從表13可知，采用傳統配方或溫拌改良配方生產1功能單位瀝青混合料對各環境影響類型的影響程度為ADP ＞AP ＞POPC＞GWP＞HT。不同階段的環境影響大小依次為：材料生產過程＞拌和過程＞攤鋪過程＞碾壓過程。兩種配方相對比，溫拌改良配方在材料生產階段、拌合生產階段、攤鋪過程、碾壓過程、總過程對環境的影響比傳統配方分別降低了1.73%、19.89%、5.27%、5.32%、1.97%。

3.3.4 量化評價

為分析兩種配方對環境影響的綜合指標，引入多層次分析法，通過此方法計算各種環境影響類型對整個生態環境影響的權重因子，計算結果為：不可再生資源耗竭權重為0.112、光化學煙霧形成權重為0.083 、人體毒性權重為0.149 、溫室效應權重為0.098、酸化權重為0.085。對1功能單位瀝青混合料的歸一化結果進行賦權，賦權后的結果見表14。

表14 賦權后兩種配方瀝青混合料影響評價結果Table 14 Inf luence evaluation results of the two asphalt mixtures after weighting

從表14可以得出，傳統配方瀝青混合料的環境影響指標年為7.50E-07年，溫拌改良配方的環境影響指標年為7.36E-07年，溫拌改良配方瀝青混合料的環境影響綜合指標比傳統配方降低了1.97%，進一步說明了溫拌改良配方瀝青混合料降低了環境危害，對環境更有益，更具有綠色度。分析表中數據可得，兩種配方制備的瀝青混合料對不可再生資源消耗的影響占總環境影響的主導地位，分別為99.9991%、99.9993%。因此為了減少瀝青混合料使用所帶來的環境負荷，必須嚴格注重不可再生資源的消耗。

4 結論

（1）從原材料角度來看，基質瀝青的能耗及污染物排放遠高于其他原材料。溫拌改良配方降低了SBS改性劑、相容劑、穩定劑、基質瀝青的使用。其中由于基質瀝青的用量顯著減少，導致總能耗降低2.7%，總污染物排放降低約3%。在不同階段中，混合料拌合生產過程在能耗及污染物排放階段占主導地位，其次為原材料生產階段。溫拌改良配方相比于傳統配方由于降低了加熱溫度和攪拌時間，顯著減小了煤炭、石油和天然氣等用量，能耗和污染物顯著降低。

（2）從原材料角度來看，基質瀝青對環境的影響遠遠大于其他材料。每生產1t瀝青混合料，溫拌改良配方比傳統配方對瀝青基質在ADP、GWP、AP、HT、POCP的降比分別為1.73%、2.73%、3.09%、3.13%、3.06%。從工藝角度看，傳統配方和溫拌改良配方中材料生產階段對ADP的影響最大，拌合生產階段對GWP、AP、HT、POCP的影響占主導，攤鋪過程和碾壓過程對環境影響程度均較小。

（3）從材料歸一化結果分析，兩種配方瀝青混合料對各環境影響類型的影響程度為ADP ＞AP＞POPC＞GWP＞HT，不同階段的環境影響大小依次為：材料生產過程＞拌和過程＞攤鋪過程＞碾壓過程。溫拌改良配方材料在各階段對各類環境的影響均低于傳統配方材料。

（4）從量化結果分析，傳統配方瀝青混合料的環境影響指標年為7.50E-07年，溫拌改良配方的環境影響指標年為7.36E-07年。對比可得，溫拌改良配方瀝青混合料對環境更有益，更具有綠色度。