钢渣集料沥青路面LCA环境负荷研究

万友明 汪福松 吴少鹏 谢 君

(广东省南粤交通揭惠高速公路管理中心1) 揭阳 522000) (武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室2) 武汉 430070)

0 引 言

钢渣作为典型工业固体废弃物在基础建设领域得到了广泛应用，特别是公路交通行业中，常被循环利用作为水泥和沥青混凝土中的关键助剂或原材料[1-2].钢渣集料的应用缓解了天然矿料紧缺的现状，也促进了低碳环保沥青道路的发展[3].

钢渣集料在沥青混合料中的研究和应用日益成熟，但是钢渣沥青路面在环境影响方面的优势缺少清晰的量化分析[4].文中借助eFootprint工具，采用生命周期评价(LCA)方法构建了钢渣沥青混合料的研究框架和系统边界，量化分析了钢渣沥青道路的资源消耗和环境负荷，提出了材料工艺和施工管理方面的改善策略.

1 研究框架与核算方法

1.1 沥青路面结构

参考《沥青路面设计规范》和《公路路线设计规范》中施工参数，本研究设定符合高速公路施工要求的沥青面层厚度为18 cm，由上、中、下面层三层沥青混合料摊铺压实组成，单个机动车道宽度设计为3.75 m.各个结构层的厚度根据设计车流量、荷载要求和服役环境等条件确定，其中上面层厚度一般是4 cm.本研究以上面层施工工艺为参考，选取SBS改性沥青作为沥青粘结料，以钢渣替代粒径大于4.75 mm的天然粗集料，细集料和矿粉则按照普通热拌沥青混合料中的规格使用.基于实验室前期对钢渣沥青混凝土的级配优化设计和基本性能测试，确定了钢渣沥青混合料AC-16级配曲线，见图1.

图1 钢渣沥青混合料AC-16级配曲线

沥青混合料拌制的油石比为4.31%，测得马歇尔试件最大理论密度为2.869 g/cm3.除了材料用量，确定原材料的运输方案也是项目施工管理的重要环节.常见的材料运输方式有三种，即水路运输、铁路运输和公路运输，为了方便计算，本研究选用公路运输作为参考，计算自卸汽车在原材料运输阶段产生的燃料消耗量.表1为钢渣沥青混合料的原材料规格信息.

表1 钢渣沥青混合料原材料信息

1.2 钢渣集料生产加工

钢渣堆场的材料加工包括：①自然陈化；②初级破碎；③磁选；④二次破碎；⑤筛分.新生成的钢渣中含有一定浓度的活性氧化钙成分，极易与水反应导致钢渣表面局部粉化，降低了材料的强度和稳定性[5].因此在雨水和空气等自然条件下经过一定时间的陈化处理，保证钢渣颗粒中活性氧化钙充分反应，提升钢渣集料在沥青混合料中的服役稳定性.初级破碎和磁选是提取钢渣颗粒中残留的含铁成分，二级破碎和筛分是将物化性质稳定的钢渣颗粒按照需要的粒径加工为钢渣集料.图2为钢渣集料从废料堆场的自然陈化到最终筛分成品的整个生产流程，可以看出主要的环境负荷由各个机械设备消耗的电能产生.

图2 钢渣集料生产加工流程

将钢渣集料生产物化过程中对应的环境负荷，等效于相关机械加工的电能消耗所造成的环境影响.基于对钢渣的工艺流程调研[6]，总结了主要的加工机械设备及其单位电耗，见表2.由表2可知：加工1 kg钢渣集料约消耗4.97×10-3kW·h电能，其中带式输送机是耗能最大的设备，其次是破碎机，振动筛运转的单位电耗最小(5.10×10-5kW·h/kg).

表2 钢渣集料生产加工机械 单位：kW·h/kg

1.3 LCA研究框架

图3为研究分析的五个关键施工过程，即材料生产、材料运输、混合料拌和、混合料运输、摊铺压实.可以看出钢渣沥青路面LCA过程中，涉及到的能源消耗主要包括运输车的燃料消耗、拌和站的电耗和化石燃料，以及施工现场大型机械的燃料消耗.根据《公路工程预算定额》和《公路工程机械台班费用定额》，选取高速公路沥青面层施工过程中所需的主要机械，见表3.

图3 钢渣沥青路面关键施工过程

表3 钢渣沥青路面主要机械及耗能效率

1.4 环境负荷核算方法

借助eFootprint工具评价钢渣沥青路面的能源消耗和温室气体排放，是基于流程的LCA建立计算模型，然后确定环境影响结果.因此用户需要自行建立研究产品的生命周期模型，然后调研归纳模型中必要的输入数据，通过工具内部的基础算法得到环境指标输出结果.沥青道路生命周期内产生环境影响主要包括原材料的生产和各项机械运转造成的燃料消耗.原材料生产过程环境负荷的核算方法为

(1)

式中：Em为原材料生产过程的环境负荷；mim为第i种原材料在研究功能单位内所需总量；而eim为单位质量材料的生产造成的环境负荷.

施工机械的燃料消耗一般包括化石能源和电能两种，由于沥青混合料施工过程需要对材料加热，因此化石燃料除了提供一些燃油引擎机械的驱动力，也是材料加热的主要能量来源.电能主要是提供沥青混合料拌和设备、传送带等大型机械的运转动力，将钢渣集料的加工电耗也等效为材料生产阶段的环境负荷.施工机械的参数、施工环境等条件不同会导致能源效率发生改变，所以此阶段的环境负荷量化结果会因项目的实际施工方式而存在部分差异.能源消耗过程中产生的环境负荷核算方法为

(2)

式中：Ef为燃料消耗过程的环境负荷；mif为第i种机械消耗的燃料量；而eif为第i种燃料单位质量造成的环境影响.

2 分析与讨论

2.1 典型资源消耗

对采石场天然集料爆破过程的数据分析，以铵梯炸药为参考，爆破石灰岩的炸药需求量为0.18 kg/t，玄武岩的需求量为0.27 kg/t[7].而铵梯炸药主要成分是硝酸铵和梯恩梯，爆炸时会产生氮氧化合物等有毒气体，因此资源化循环利用固体废弃物在节约资源消耗的同时，也减少了生态污染.

计算各个原材料的质量配比和实际消耗量，见表4.由表4可知：铺建1 km长、4 cm厚的单个机动车道，耗费的原材料总质量为430.05 t，其中粗集料和细集料总质量为400.14 t，并且粗集料的质量超过细集料质量的2倍.同等配比下使用玄武岩作为粗集料，仅爆破过程中就需要炸药近75 kg.

表4 原材料的质量配比和实际消耗量

2.2 环境负荷量化分析

eFootprint工具默认输出的环境负荷量化指标有12种，包括了初级能源消耗、非物质资源消耗、气候变化等常见的环境影响，也包含了水资源消耗、人体毒性、生态毒性等讨论的较少的指标.表5为工具中量化的环境指标信息和对应的单位，并用小写字母a～l作为标签简化对应的指标.输出的环境指标选取的量化标准与当前国际标准一致，例如气候变化用当量CO2衡量，酸化用当量SO2衡量，可吸入无机物则用当量PM2.5表示.

表5 eFootprint工具默认输出的环境负荷量化指标有12种

为了简化关键施工过程，将十类施工步骤用1～10顺序编号，依次为各项原材料的生产到最后摊铺压实的施工，见表6.结合表5和表6中的编号标签，eFootprint的量化结果见表7.可以看出整个钢渣沥青道路的施工过程中，环境负荷量化结果数量级较大的四类分别是a、c、d和j，而环境负荷量化值较小的有四类，分别是b、e、k和l.由于此处量化结果缺少同类对比，且量化数量级大小与标准单位相关，因此只能作为定性解释和对比参考.对比表7中不同施工阶段的环境量化结果可知：原材料生产造成了极为显著的环境负荷，特别是沥青的生产过程在12项环境指标中有9项是最大值，仅e、k和l不是最大值.另外，沥青混合料的运输过程是10项施工过程中造成环境负荷相对较小的.

表6 钢渣沥青路面生命周期内关键施工步骤

为了获得直观可视化的对比数据结果，选取钢渣沥青路面施工过程中的能源消耗量和温室气体排放量作为重点参考指标，图4为两个环境指标的量化结果和对应的比例分布.由图4可知：整个钢渣沥青道路的施工消耗了1.12 TJ，其中沥青生产造成了995 GJ的能耗，占总初始能耗的88.62%，其次在混合料拌和阶段，沥青和集料的预热消耗了61.7 GJ，占了整体的5.49%，剩下的钢渣生产、原材料运输油耗、钢渣沥青混合料拌和电耗分别占总体的1.86%、1.34%和1.27%.同时，气候变化的量化结果显示出类似的趋势，整个道路施工产生的当量CO2为20.30 t，沥青生产导致15.30 t，占总温室气体排放的75.37%，其次钢渣集料生产所用的电耗排放了1.65 t，占总排放量的8.14%，剩余混合料拌和阶段产生的油耗和电耗分别占比总排放的5.47%和5.58%.

表7 关键施工步骤的12项环境指标量化结果

图4 关键施工阶段的能耗与温室气体排放

2.3 改善策略

在钢渣沥青道路施工周期内，环境负荷最显著的过程是原材料的生产，说明加大固体废弃物的资源化利用是必要的节能减排道路措施.同时对比各个原材料可知，沥青黏结料虽然掺加量较小，但造成的环境影响却超过其他的原材料，说明优化如沥青生产等重型化工行业的生产技术、提升相关行业低碳发展极为重要.其次沥青混合料的拌和过程也造成了较大的环境负荷，特别是在原材料预热阶段消耗的重油和电能.说明对清洁能源的开发和应用是加快道路可持续化的有效途径.

3 结 论

1) 钢渣沥青道路在施工周期内对初级能源消耗、水资源消耗、气候变化、生态毒性四项环境负荷影响最大，同时原材料生产是最大环境负荷的施工步骤，其中沥青生产过程的环境负荷明显超过其他原材料.

2) 整个钢渣沥青路面的建设施工在功能单位内造成了1.12 TJ能耗和20.30 t当量CO2排放.其中，沥青生产过程的初始能耗和温室气体排放分别占总体88.62%和75.37%.

3) 根据不同施工步骤环境负荷的对比量化结果发现：加大废弃物资源化利用、优化沥青原材料生产技术、开发应用清洁能源是生态化道路建设的有效策略.