橡膠瀝青的環(huán)境影響及技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性分析＊

陳 玲 莫笑萍 白 璐 侯瑞芳

(南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300071)

橡膠瀝青的環(huán)境影響及技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性分析＊

陳 玲 莫笑萍 白 璐 侯瑞芳

(南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300071)

通過對(duì)橡膠瀝青的環(huán)境影響及其技術(shù)優(yōu)勢(shì)的論述,表明橡膠瀝青具有優(yōu)良的環(huán)境效益和社會(huì)效益。主要表現(xiàn)在減少黑色污染、降低路面噪聲、提高行駛安全性、改善公路質(zhì)量、延長(zhǎng)路面使用壽命,減薄路面厚度等方面。另外通過橡膠瀝青路面與普通瀝青路面、SBS改性瀝青路面的壽命周期費(fèi)用分析對(duì)比,發(fā)現(xiàn)橡膠瀝青路面雖然初始建設(shè)費(fèi)較高,但是其使用性能好,養(yǎng)護(hù)費(fèi)用和用戶費(fèi)用低,從而總費(fèi)用較低。對(duì)于修建長(zhǎng)1km的6車道(寬24cm)的瀝青混凝土高速公路的4cm厚表層來講,普通瀝青路面費(fèi)用比橡膠瀝青至少多118萬元,而SBS改性瀝青路面總費(fèi)用比橡膠瀝青多20萬元,由此可見,橡膠瀝青具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。總之,橡膠瀝青在環(huán)境保護(hù)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度都是具有明顯的優(yōu)勢(shì),符合我國(guó)當(dāng)前建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的要求,在我國(guó)公路建設(shè)中有良好的應(yīng)用前景。

橡膠瀝青;環(huán)境影響;技術(shù)可行性;經(jīng)濟(jì)可行性;壽命周期費(fèi)用分析

橡膠瀝青利用廢舊輪胎作為生產(chǎn)原料,可以改善路面性能,延長(zhǎng)路面使用壽命,減輕廢輪胎帶來的環(huán)境壓力,創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值的同時(shí),也順應(yīng)了以人為本、保護(hù)環(huán)境、資源循環(huán)利用的時(shí)代要求,符合我國(guó)當(dāng)前建設(shè)節(jié)約型社會(huì)和發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的政策,也符合我國(guó)當(dāng)前公路建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的需求。本文將通過對(duì)橡膠瀝青的環(huán)境效益及其產(chǎn)生的環(huán)境影響進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),從技術(shù)角度和經(jīng)濟(jì)角度評(píng)價(jià)橡膠瀝青的可行性,進(jìn)而說明橡膠瀝青的優(yōu)勢(shì)所在。

1 橡膠瀝青的環(huán)境影響

1.1 橡膠瀝青的環(huán)境效益

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展,人民生活水平的提高,汽車保有量逐年增加,越來越多的廢舊輪胎堆積形成的“黑色污染”已成為一個(gè)嚴(yán)峻的環(huán)境問題。我國(guó)將成為輪胎第一生產(chǎn)大國(guó),廢舊輪胎的產(chǎn)生量將居世界第一位[1]。如此大規(guī)模的廢舊輪胎將帶來巨大的環(huán)境問題。大量堆積的廢舊輪胎惡化環(huán)境、破壞植被,經(jīng)過日曬雨淋,極易滋生蚊蠅,傳播疾病,影響人類健康。此外還容易自燃、引發(fā)火災(zāi),釋放大量的苯、丁二烯、一氧化碳等有毒氣體和粉塵,并且向地表徑流系統(tǒng)釋放大量的油類物質(zhì)。此外掩埋處理廢舊輪胎費(fèi)用昂貴,占用大量土地,容易造成土地資源和成本浪費(fèi)。因此無害化、資源化地充分利用這些廢舊輪胎,消除“黑色污染”已經(jīng)迫在眉睫。目前廢舊輪胎的綜合利用已成為各個(gè)國(guó)家處理廢舊輪胎的主要方式。而將廢舊輪胎加工成膠粉用于公路建設(shè)是大量消耗廢舊輪胎的有效途徑之一,具有重要的環(huán)保效益[2]。

1.2 降低路面噪聲

隨著車流量增加,車速提高,道路交通噪聲問題日趨嚴(yán)重,已成為公路沿線主要污染源之一。交通噪聲作為噪聲污染源的一種,與大氣污染、水污染一樣,已經(jīng)逐漸成為一種危害人類環(huán)境的公害。

多年的研究結(jié)果和工程實(shí)踐表明橡膠瀝青混凝土在降低路面噪聲方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)[3]。橡膠瀝青混凝土由于其高彈性能,具有明顯的減少行車噪聲效果,是一種典型的“安靜路面”。1981年,比利時(shí)科學(xué)家在布魯塞爾首先證明橡膠瀝青混凝土減噪效果。隨后世界各國(guó)相繼開展這方面的研究,在高速公路上,橡膠瀝青的噪音比普通路面降低5-8分貝。在其他公路上,平均降低3-5分貝[4]。此外,美國(guó)薩克拉門多環(huán)境評(píng)價(jià)部對(duì)橡膠瀝青路面進(jìn)行了六年的研究,他們的結(jié)果顯示橡膠瀝青路面能夠保持降噪效果六年,而普通降噪路面只能保持四年[5]。

2 橡膠瀝青的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性分析

2.1 技術(shù)可行性

2.1.1 優(yōu)化瀝青性能

橡膠瀝青是一種高品質(zhì)固、液兩相黏結(jié)劑,明顯地提高了瀝青的黏彈性;它不僅改善了瀝青的抗老化能力和溫度敏感性,還增強(qiáng)了瀝青的高溫穩(wěn)定性和低溫抗開裂性能。橡膠瀝青中的膠粉,使得橡膠瀝青比其他改性瀝青更黏稠,油膜厚度更大,極大地提高了瀝青的防水的性能。

2.1.2 改善混合料路用性能

用橡膠瀝青生產(chǎn)的瀝青混合料,由于其黏度及軟化點(diǎn)高、稠度大、彈性恢復(fù)性能好,使得瀝青路面耐久性和抗疲勞壽命均顯著提高。它不僅改善了高溫敏感性和低溫抗裂性,而且也改善了路面抵抗車轍、疲勞裂縫和反射裂縫的能力,從而延緩路面的老化,與普通瀝青路面相比,可延長(zhǎng)使用壽命1-3倍。

2.1.3 提高行車舒適性及安全性能

橡膠瀝青可以增加路面彈性,從而降低車輪在路面上高速滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的噪聲,改善了行車舒適性。還可以減少車輛行駛時(shí)產(chǎn)生的揚(yáng)塵,有效縮短車輛的剎車距離,防止路面潮濕時(shí)造成的車輛打滑及反光造成的視覺盲點(diǎn),提高車輛行駛安全系數(shù)。廢舊輪胎中含有的炭黑,使橡膠瀝青路面能保持更長(zhǎng)時(shí)期的黑色,提高了路面顏色與標(biāo)志線的反差,間接改善了行車的安全性。

2.1.4 減薄路面厚度

由于橡膠瀝青黏度高,使用橡膠瀝青混合料后,在同等交通量及路面狀況的條件下,瀝青路面鋪層厚度降低,既減少了施工成本,又縮短了施工時(shí)間。

美國(guó)和南非的研究經(jīng)驗(yàn)表明,瀝青混凝土中摻加廢胎膠粉后,瀝青面層的厚度可以減薄30%-70%,當(dāng)瀝青結(jié)構(gòu)層中使用橡膠瀝青應(yīng)力吸收中間層時(shí),厚度還可以進(jìn)一步減薄[6-10]。

上述表明橡膠瀝青有很好的技術(shù)可行性,并在我國(guó)有迅速發(fā)展的趨勢(shì)。

2.2 經(jīng)濟(jì)可行性

對(duì)于路面這種投資期長(zhǎng)的工程來說,初期費(fèi)用低不一定是經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu),應(yīng)考慮路面壽命周期內(nèi)所有費(fèi)用,即路面從設(shè)計(jì)開始到壽命期或分析期末,可能包含的費(fèi)用有設(shè)計(jì)費(fèi)、新建費(fèi)、養(yǎng)護(hù)費(fèi)、改建費(fèi)等管理部門費(fèi)用和車輛運(yùn)營(yíng)費(fèi)、延誤費(fèi)、行程時(shí)間費(fèi)、事故費(fèi)等用戶費(fèi)用這種分析方法稱作壽命周期費(fèi)用分析(Life Cycle Cost Analysis,LCCA)[11-12]。壽命周期費(fèi)用分析的方法很多,本研究采用現(xiàn)值法,即把分析期(本文選用15年)內(nèi)發(fā)生在不同時(shí)間的費(fèi)用和效益按某一預(yù)定的貼現(xiàn)率(本文選用10%)轉(zhuǎn)換為現(xiàn)在的費(fèi)用和效益,以便于在共同的基礎(chǔ)上進(jìn)行比較。其表達(dá)式如下[6]:

式中:PW——費(fèi)用的現(xiàn)值;C0——第0年的建設(shè)費(fèi)用;Ct——第t年的建設(shè)費(fèi)用;Fi,t——貼現(xiàn)率為i時(shí)的第t年的貼現(xiàn)系數(shù)(現(xiàn)值系數(shù))=1/(1+i)t;Mt——第t年的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用;(UC)t——第t年的使用者費(fèi)用;n——分析期間(年);R——服務(wù)壽命結(jié)束時(shí)路面材料的殘值。

費(fèi)用現(xiàn)值法這種方法需要考慮的費(fèi)用項(xiàng)目包括[13]:

a.初期建設(shè)費(fèi)用;b.改建費(fèi)用;c.定期的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用;d.使用者費(fèi)用(包括車輛運(yùn)營(yíng)費(fèi)、延誤費(fèi)、行程時(shí)間費(fèi)、事故費(fèi)等);e.路面材料的殘值。

本文嘗試采用這種方法來分析不同瀝青路面方案。為了簡(jiǎn)化計(jì)算,本文采用面層費(fèi)用分析法。下面是具體計(jì)算。

2.2.1 初期建設(shè)費(fèi)用

本文的初期建設(shè)費(fèi)用只考慮路面面層建筑材料費(fèi)用部分。目前基質(zhì)瀝青結(jié)合料3 000元/t計(jì)算,考慮加工成本、稅收、利潤(rùn)等因素,SBS改性瀝青結(jié)合料價(jià)格約為4 300元/t,橡膠瀝青結(jié)合料約為3 500元/t。假定普通瀝青混凝土的密度為23.7g/cm3,油石比為4.8%,SBS改性瀝青混凝土的密度設(shè)定為2.55g/cm3,油石比為5%,橡膠瀝青混凝土設(shè)定為2.45g/cm3油石比為6%[2]。得到每方瀝青混凝土中普通瀝青的材料費(fèi)為326元,SBS改性瀝青的材料費(fèi)為522元,橡膠瀝青的材料費(fèi)為485元。三種混合料的石料采用相同的材料,松方密度取1.6t/m3,單價(jià)為200元/m3,得到普通瀝青混凝土的礦料成本為283元,SBS改性瀝青混凝土的礦料成本為304元,橡膠瀝青混合料的礦料成本為289元。由此可以得到每方瀝青混合料的材料總價(jià),AC為609元,SBSAC為826元,ARAC為774元。因此,每平方米(厚度為每里米)瀝青面層的造價(jià)分別為:普通瀝青混凝土為6.09元/m2·cm;SBS改性瀝青混凝土為8.26/m2·cm;橡膠瀝青混凝土為7.74/m2·cm。那么,以6車道(寬24m)的高速公路為例,修建長(zhǎng)1km厚4cm瀝青混凝土表層造價(jià)分別為:AC總造價(jià)為58.5萬元,SBSAC總造價(jià)為79.3萬元,ARAC總造價(jià)為74.3萬元。

2.2.2 改建費(fèi)用

對(duì)于國(guó)內(nèi)道路而言,橡膠瀝青路面使用壽命可達(dá)到15年,而普通瀝青路面壽命僅為6-8年,也就是說橡膠瀝青路面使路面大修改造周期至少延長(zhǎng)了7年[14-15]。本文的選定的分析期為15年,也就是說普通瀝青路面在分析期內(nèi)要大修一次,假設(shè)在分析期的第9年重修4cm面層,也就是說改建費(fèi)貼現(xiàn)至起始年為58.5萬元。而SBS改性瀝青混凝土和橡膠瀝青混凝土在分析期內(nèi)不用重修,因此追加的建設(shè)費(fèi)用為0。

2.2.3 養(yǎng)護(hù)費(fèi)用

養(yǎng)護(hù)費(fèi)用是每年都需計(jì)及的費(fèi)用,本研究采用北京地區(qū)的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用模型[8],見式(2)。

式中AADTi為第i年平均日交通量;PCIi為第i年路面損壞狀況指數(shù);Mi為第i年養(yǎng)護(hù)費(fèi),元/m2。

假設(shè)三種路面的平均日交通量及交通增長(zhǎng)率相同,由于橡膠瀝青的技術(shù)性能優(yōu)于SBS改性瀝青,更優(yōu)于普通瀝青,為了體現(xiàn)不同路面的使用性能好壞,設(shè)計(jì)時(shí)ARA最低PCI=70,SBSAC最低PCI=65。AC最低PCI=60。可以得到不同路況指數(shù)在分析期內(nèi)(15年)的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。由于我國(guó)公路路面性能的衰減普遍是先快后慢,本文PCI的衰減體現(xiàn)了這一普遍規(guī)律 。

由公式可以得到長(zhǎng)1km的6車道(寬24m)的瀝青混凝土高速公路的養(yǎng)護(hù)費(fèi)分別為:AC為19.3萬元,SBSAC為20.5萬元,ARAC為18.5萬元。

2.2.4 用戶費(fèi)用

用戶費(fèi)用包括車輛運(yùn)營(yíng)費(fèi)、延誤費(fèi)、行程時(shí)間費(fèi)、事故費(fèi)等,由于延誤費(fèi)、行程時(shí)間費(fèi)和事故費(fèi)等還沒有具體的計(jì)算方法,因此本文主要考慮車輛運(yùn)營(yíng)費(fèi),由燃油消耗費(fèi)、輪胎消耗費(fèi)和保修材料消耗費(fèi)。每輛車的消耗量分別按下列公式計(jì)算,見式(3)、(4)、(5)和(7)所示[8]。

式中,a1,b1,a2,b2,Cq為回歸系數(shù);C0為維修費(fèi)系數(shù);CkM為車輛累計(jì)行駛里程;kp為車齡指數(shù)或車輛老化系數(shù);I R I為國(guó)際平整度指數(shù)。各系數(shù)參考許志鴻等《瀝青路面結(jié)構(gòu)方案的選擇— —壽命周期費(fèi)用分析》中的數(shù)據(jù)[10]。

設(shè)計(jì)時(shí)AC最低RQ I=60,SBSAC最低RQ I=65,ARAC最低RQ I=70,各路面RQ I指數(shù)衰減同PCI指數(shù),從而得出不同路面的I R I衰減。本文假設(shè)車型構(gòu)成比例為:小客車為50%,大客車為10%,小貨車為10%,中貨車為10%,大貨車為15%,集裝箱車為5%,另外,燃油的單價(jià)取用6.0元/L(不分柴油和汽油)。各種輪胎的單價(jià)取為:小客車和小貨車取500元/個(gè),大客車和中貨車取800元/個(gè),大貨車和集裝箱車取1 200元/個(gè);新車單價(jià)取為:小客車取20萬元/輛,大客車取10萬元/輛,小貨車取5萬元/輛,中貨車取8萬元/輛,大貨車為12萬元/輛,集裝箱車取25萬元/輛。再由以上油耗、輪耗、材耗的公式(3)、(4)、(5)、(6),可得到長(zhǎng)1km的6車道(寬24m)的瀝青混凝土高速公路的用戶費(fèi)分別為:AC為3 620.3萬元,SBSAC為3 635.6萬元,AC為3 618.0萬元。

2.2.5 路面殘值

理論上指分析期末路面的剩余壽命占其使用壽命的比例計(jì)算。分析期末,普通瀝青混凝土路面還有1年的使用壽命,即還有12.5%的殘值,貼現(xiàn)至起始年為1.75萬元。而SBS改性瀝青及橡膠瀝青混凝土路面需要修罩面,剩余使用壽命為零。

2.2.6 結(jié)果比較

綜上,結(jié)合壽命周期費(fèi)用分析公式(1)可得三種路面的壽命周期費(fèi)用分析結(jié)果如下表1所示:

表3 三種路面的總費(fèi)用(單位:萬元)

從上表可以看出,按壽命周期費(fèi)用分析,長(zhǎng)1km的6車道(寬24m)的瀝青混凝土高速公路的總費(fèi)用,普通瀝青路面 ＞SBS改性瀝青路面 ＞橡膠瀝青路面。而普通瀝青路面改建時(shí)產(chǎn)生的延遲費(fèi)用等會(huì)使普通瀝青路面的總費(fèi)用更高,由此可見,普通瀝青路面費(fèi)用比橡膠瀝青至少多118萬元,而SBS改性瀝青路面總費(fèi)用比橡膠瀝青多20萬元。從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮,橡膠瀝青潛在的經(jīng)濟(jì)效益是巨大的。

綜上所述,橡膠瀝青的壽命周期費(fèi)用結(jié)果表明橡膠瀝青具有很好經(jīng)濟(jì)效益,在經(jīng)濟(jì)上是可行的。

3 總 結(jié)

橡膠瀝青具有獨(dú)特環(huán)境效益和社會(huì)效益。主要表現(xiàn)在減少黑色污染,降低路面噪聲以及提高行駛安全性等方面。對(duì)于公路建設(shè)而言,將廢舊輪胎膠粉用于瀝青改性制成橡膠瀝青有著優(yōu)良的技術(shù)優(yōu)勢(shì),用來鋪設(shè)路面可以改善公路質(zhì)量,延長(zhǎng)路面使用壽命,從壽命周期費(fèi)用分析的結(jié)果來看,雖然橡膠瀝青的初始建設(shè)費(fèi)較高,但是其使用性能好,養(yǎng)護(hù)費(fèi)用和用戶費(fèi)用低,從而總費(fèi)用較低。而普通瀝青路面雖然初始建設(shè)費(fèi)較低,但是其使用性能差,在相同的分析期內(nèi)需改建,養(yǎng)護(hù)費(fèi)用和用戶費(fèi)用較高,從而總費(fèi)用高。SBS改性瀝青由于其材料成本費(fèi)高,初始建設(shè)費(fèi)最高,其使用性能相對(duì)橡膠瀝青而言較差,養(yǎng)護(hù)費(fèi)用和用戶費(fèi)用高,從而總費(fèi)用較高。另外,使用橡膠瀝青鋪設(shè)路面還可以減薄路面厚度,這將在很大程度上節(jié)約投資,對(duì)于我國(guó)當(dāng)前在有限的財(cái)力和物力下,修建出優(yōu)質(zhì)瀝青路面是一種很好的可選方案,具有良好的應(yīng)用前景,應(yīng)該大力推廣。

(編輯:于 杰)

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[16]R GaryHicks,P E Jon A.Epps,PE.Life Cycle CostAnalysisofAsphalt-ruber PavingMaterials[R].

AbstractFirst,the environmental impact and technical advantages of asphalt rubber are discussed in this paper.The result shows that asphalt rubber produces good environmental benefits and social benefitswhich mainly include the reduction of black pollution,reducing the pavement noise,enhancing driving safety,improving the quality of roads,lengthening the pavement life,and thinning the thickness of pavements.Second,the costs of asphalt rubber pavement,asphalt pavement and SBSmodified asphalt pavement are compared through life cycle cost analysis.It is found that the total costs of asphalt rubber is the lowest although its initial construction cost is much higher.The reason is that the perfor mance of asphalt rubber is the best so itsmaintenance costs and user costs are the lowest.Considering constructing the surface layer(4cm thick)of asphaltmixture highwaywhich is 1km length and 24m width,the total costsof asphalt pavement is at least 118 million RMB higher than that of asphalt rubber pavement,and the total costs of SBSmodified asphalt pavement is 20 million RMB higher than that of asphalt rubber pavement.The result shows that asphalt rubber produces excellent economic benefits.Overall,asphalt rubber hasobvious advantages on environmentalprotection,technology and economy.It is in linewith the current construction of a resource-saving and environment-friendly society,and has good application prospect in highway construction in China.

Key wordsAsphalt Rubber;environmental I mpact;technical feasibility;economic feasibility;life cycle cost analysis

Environmental I mpact and Techn ical and Econom ic Feasibility Analysis of Asphalt Rubber

CHEN L ing MO X iao-ping BAI Lu HOU Rui-fang
(College of Environmental Science and Engineering,NankaiUniversity,Tianjin 300071,China)

X820.3

A

1002-2104(2010)03專-0391-04

2010-01-10

陳玲,碩士生,主要研究方向?yàn)榍鍧嵣a(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)。

莫笑萍,副教授,主要研究方向?yàn)檠h(huán)經(jīng)濟(jì)與清潔生產(chǎn)。

＊“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃(No.2006BAC02A12);國(guó)家教育部“985工程”南開大學(xué)循環(huán)經(jīng)濟(jì)哲學(xué)社會(huì)科學(xué)創(chuàng)新基地開放課題資助。