基于生命周期评价的大掺量厂拌热再生效益分析

林育萍

(浙江省交通投资集团有限公司， 浙江 杭州 310020)

生命周期评价(LCA)是利用物质不灭定律、能量守恒原理计算产品生产及使用时能量消耗的方法。近年来，随着对资源节约和环境保护的重视，人们开始利用LCA研究沥青路面建设过程中的能耗及碳排放问题。王小凤等采用LCA计算了不同时间方案下路面全寿命周期内费用，建立了选择最优养护时机的效果费用比模型。张童童等基于LCA建立能耗和碳排放评价体系，对温拌再生技术的能耗及碳排放影响因素进行了敏感性分析。李冠男等采用LCA分析高速公路沥青路面的能耗与排放，认为将交通延误的环境影响计入养护维修阶段具有重要意义。张海涛等对3种沥青路面结构类型的LCA碳排放进行评估，分析了不同沥青结构层设计参数对碳排放特征化结果的影响。随着大掺量厂拌热再生沥青混合料应用的不断深入，其在整个生产和应用过程中的能耗、排放及经济效益亟待研究。该文选用废旧沥青混合料(RAP)掺量分别为20%、30%、30%(机械发泡)的厂拌沥青混合料与常规沥青混合料进行对比，测算沥青路面养护过程中各环节的温室气体排放和能耗，并运用LCA理念对路面养护过程进行分解，分别考虑铣刨、原材料生产运输、混合料拌合、路面摊铺和压实等施工环节，对厂拌热再生各环节进行能耗、排放和经济效益评价，研究环境及经济效益最优的养护方案。

1 效益评价指标

结合中国环境污染治理的节能减排和宏观政策，以能耗及CO2排放为主要测算指标，综合考虑自然资源消耗和废弃物循环利用等，确定效益评价指标如下：1) 标准能耗(MJ/t)；2) CO2排放当量(kg/t)，用于评价温室气体的排放情况。采用上述2个指标进行量化评价，为循环利用和节能减排评价提供依据。

2 效益评价模型的边界条件

研究范围应尽量保证研究的广度、深度以实现研究目标，主要包括系统功能、系统边界和功能单位等。考虑集料、沥青等材料的生产过程，以沥青路面建设养护的能耗为调查对象。由于沥青的加工工艺较复杂，相关数据以引用为主。

根据国际标准化组织的建议，对环境影响小于1%的因素可忽略，但总共忽略的部分不应超过5%。取舍规则如下：1) 根据LCA相关研究成果分析环境排放的影响，决定该数据是否忽略。2) 如果是原料消耗，收集其生产过程数据后才能对其环境影响进行判断，较为耗时。实际操作中，一般先从可得数据库中选用一个类似的原料数据估算其环境影响，如果影响较小，则可忽略；如果影响明显，则需收集相应生产数据。3) 只有在差异显著和较为粗略的情况下，才可直接忽略掺量较小的原料。

根据上述原则测算的上面层厂拌热再生沥青路面施工能耗系统的边界条件见图1。沥青路面建设和使用的全寿命周期包括施工能源的生产，施工机械设备的生产和运输，基础设施的建设，原材料的生产和运输，沥青混合料的拌合、运输、摊铺、碾压等，路面服役期的运营管理，路面养护维修。考虑到分析完整全寿命周期的工作量较大，仅分析全寿命周期中的部分环节。因采用的测算方法原理相同，后期对路面全寿命周期过程的分析中采用同样的方法对其他环节能耗及碳排放进行测算。

图1 沥青路面施工能耗的系统边界

3 能耗及温室气体计算方法

3.1 能耗计算方法

沥青路面施工包括原路面铣刨、原材料运输和混合料拌合、运输、摊铺、碾压等环节，所消耗的能源包括电力、汽油、柴油、重油等。为便于分析工艺的能耗水平，根据标准煤、热量值换算系数对各种能源类型进行换算。假设在铺筑某段沥青路面时拌合、运输、摊铺、碾压等过程消耗表1所示能源，根据各种能源折合标准煤的转换系数，施工过程中消耗的标准煤当量为：

表1 施工过程中能源消耗量

EM拌合=61.61×1.471 4+339.69×1.457 1+

15 031.81×1.428 6+9 290.65×0.122 9=

23 201.88 kg

ET运输=843.08×1.457 1=1 228.45 kg

EL摊铺、碾压=929.43×1.457 1=1 354.27 kg

根据各种能源折合发热量的转换系数，采用同样的方法可计算得到施工过程中消耗的总热量。按照上述方法将消耗的能源类型及用量折算为标准能耗，评价各施工工艺的能耗水平。

3.2 温室气体计算方法

温室气体主要包括CO2、HFCs、N2O等。为统一温室气体计算结果，采用CO2排放当量为度量单位，CO2排放当量=质量×全球变暖潜能(GWP)。根据政府气候变化专门委员会(IPCC)的评估报告，温室气体的GWP值见表2。

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表2 温室气体全球变暖潜能值

消耗能源释放的温室气体主要有CO2、CH4、N2O。为便于统一能源质量度量，将发热量排放系数换算为相应质量排放系数。以原油为例，CO2排放数据为73 300 kg/TJ，平均低位发热量系数为41 816 kJ/kg，计算得发热1 TJ原油的质量为23 914.291 kg。将其代入IPCC官方数据得到单位质量原油CO2排放系数为73 300/23 914.291=3.065。如果是碳排放，则要乘以原子量系数12/44，为0.836。依据该方法得到的单位质量CO2、CH4、N2O排放系数见表3。电力排放系数从LCA基础数据库中选取。

表3 各种能源单位质量温室气体排放系数

根据排放系数，可分别计算得到新铺筑200 m2沥青路面时沥青混合料拌合、运输、摊铺、碾压等施工过程中各种温室气体排放量。其中CO2排放为：

CM拌合=61.61×2.984 8+339.69×3.160 5+

1 5031.81×3.236 6+9 290.65×0.927=

58 521.87 kg

CT运输=843.08×3.160 5=2 664.55 kg

CL摊铺、碾压=929.43×3.160 5=2 937.46 kg

采用相同的方法计算甲烷和N2O的排放量并将各种温室气体排放量按GWP转换为温室气体排放总量(CO2排放当量)：

GM拌合=∑Gi×gi=58 521.87×1+27.30×

GT运输=∑Gi×gi=2 664.55×1+

0.107 9×25+0.021 58×298=2 673.68 kg

GL摊铺、碾压=∑Gi×gi=2 937.46×1+

0.118 9×25+0.023 79×298=2 947.52 kg

式中：Gi为某种温室气体的排放量(kg)；gi为某种温室气体的GWP值。

根据温室效应GWP值、气体排放系数，将各环节施工消耗的能源类型和用量折算成CO2排放当量，评价各施工工艺的碳排放水平。

4 效益计算过程与分析

4.1 研究对象

厂拌热再生是将旧沥青路面经过翻挖后运回拌和厂再集中破碎，根据路面质量要求进行配合比设计，确定RAP添加比例，将再生剂、新沥青材料、新集料等在拌合机中按一定比例重新拌合成新的混合料，铺筑形成再生沥青路面。常规罩面是在原路面满足结构强度要求的情况下，为修复路面病害，改善路面使用性能，铺筑一定厚度加铺层的养护措施。常规罩面的各施工环节与新建沥青路面一致，而厂拌热再生相较于新建沥青路面增加了原路面铣刨、铣刨料运输等环节。针对厂拌热再生各施工环节作如下规定：

(1) 铣刨过程。根据调查，如采用典型的铣刨宽度为2 m的铣刨机对旧沥青路面进行铣刨，发动机满负荷油耗为124 L/h(柴油密度为0.84 kg/L)。假设铣刨机功率为80%，在铣刨深度为12 cm时，铣刨速度约4 m/min。

(2) 运输过程。将旧路面的铣刨料从施工现场运输至混合料拌合场(即RAP运输)，运输距离与新料运输距离相同，为80 km。

(3) 再生混合料生产过程。采用意大利进口博纳帝单滚筒再生设备，RAP与新集料共同加热，故生产再生混合料与常规混合料的能耗基本无差别，以相同能耗计算。

(4) 混合料生产、摊铺、碾压。沥青路面常规罩面施工中，沥青混合料的生产、摊铺、碾压与新建路面相同。

4.2 环境效益分析

环境效益的原始数据为筑路过程中各环节(包括原材料生产、原材料运输、混合料拌合、新旧料运输、摊铺、碾压、铣刨等环节)消耗的能源和产生的排放。根据试验路情况作如下假设：厂拌热再生混合料应用于4 cm上面层，混合料类型为改性沥青AC-13，油石比为4.8%，RAP料运距为80 km，原材料运距为150 km，混合料运距为80 km。对20%、30%、30%(机械发泡)RAP掺量的厂拌热再生和常规罩面的能源、温室气体排放进行计算。

原材料包括改性沥青、粗集料、细集料和铣刨料，其中原材料数据从欧洲沥青协会的沥青数据库、中国CLCD数据库等获得。混合料拌合、运输、摊铺和碾压等环节中的能源消耗采用中国CLCD数据库中的数据；设备的能耗数据通过调研获得；施工过程的能耗参照相关资料计算得到。原材料及施工过程中燃料、设备的能耗和CO2排放当量分别见表4、表5。

表4 原材料的能耗和CO2排放当量

表5 施工设备及燃料的能耗和CO2排放当量

根据原材料及施工各环节的能耗和CO2排放当量原始数据，采用能耗和CO2排放当量计算方法得到常规罩面、不同RAP掺量厂拌热再生的能耗及CO2排放当量(见表6、图2、图3)。

由表6可知：能耗、排放降低主要发生在原材料的生产和运输环节。此外，使用机械发泡温拌技术时，除原材料生产和运输环节外，混合料拌合过程的能耗和CO2排放也有所降低。从LCA评估环境效益来看，相比常规罩面技术，厂拌热再生技术具有更好的节能减排效益；在同等RAP掺量条件下，机械发泡温拌技术的节能减排效益更明显。

表6 各养护措施的能耗及温室气体排放

由图2、图3可知：相较常规罩面技术，厂拌热再生技术的能耗及CO2排放当量都有所降低；RAP料掺量为20%、30%时，其能耗分别降低7.21%、10.65%，CO2排放分别降低6.46%、9.48%。

图2 不同养护措施所产生的能耗对比

图3 不同养护措施所产生的CO2排放当量对比

4.3 经济效益计算分析

为综合评价不同RAP掺量厂拌热再生技术的效益，对不同掺量厂拌热再生技术进行费用测算分析。进行费用分析的基础是各种原材料、人力资源的单价。通过养护施工定额确定资源、台班消耗，从而测算单位面积路面的成本费用。测算费用的基础价格数据来源于浙江省交通工程管理中心发布的交通建设材料指导价格(见表7)。

表7 浙江省交通建设材料指导价格(2021年10月)

针对采用厂拌热再生技术的AC-13沥青路面，根据各施工工序的台班及单价定额、JTG/T B06-02—2018《公路工程预算定额》定额数据库计算费用组成。采用前述假设条件，根据常规施工工艺条件，计算不同RAP掺量下厂拌热再生混合料的费用(不包括人工费用)，分析其经济性(见表8、图4)。

表8 沥青路面费用分析 元/t

图4 不同养护措施下沥青路面费用

由图4可知：不同养护手段的养护成本费用有一定差距，同时不同RAP掺量对成本费用有一定影响。在合理RAP掺配范围内，厂拌热再生相对于常规罩面具有较明显的经济效益，RAP掺量为20%、30%时，其费用成本分别降低1.20%、5.53%。

5 结论

基于LCA理念，结合厂拌热再生技术的RAP掺量、混合料性能及试验路实体工程，从各施工环节分析不同RAP掺量厂拌热再生技术的环境效益和经济效益。通过厂拌热再生技术边界条件、能量消耗及温室气体排放量的统计分析，论证该养护技术的环境效益；通过对常规罩面、不同RAP掺量(分别为20%和30%)厂拌热再生及机械发泡(RAP掺量为30%)厂拌热再生的能耗和温室气体排放的计算，对厂拌热再生技术的节能减排效益进行分析；通过测算单位面积路面的成本费用，分析其经济效益。主要结论如下：

(1) 从LCA评估，厂拌热再生技术相比常规罩面技术具有更好的节能减排效益和经济效益。

(2) RAP掺量从20%增加到30%时，厂拌热再生的节能减排效益和经济效益更明显。

(3) 同等RAP掺量条件下，机械发泡厂拌热再生技术的节能减排效益明显。