橡胶沥青的环境影响及技术经济可行性分析＊

陈 玲 莫笑萍 白 璐 侯瑞芳

(南开大学环境科学与工程学院,天津 300071)

橡胶沥青的环境影响及技术经济可行性分析＊

陈 玲 莫笑萍 白 璐 侯瑞芳

(南开大学环境科学与工程学院,天津 300071)

通过对橡胶沥青的环境影响及其技术优势的论述,表明橡胶沥青具有优良的环境效益和社会效益。主要表现在减少黑色污染、降低路面噪声、提高行驶安全性、改善公路质量、延长路面使用寿命,减薄路面厚度等方面。另外通过橡胶沥青路面与普通沥青路面、SBS改性沥青路面的寿命周期费用分析对比,发现橡胶沥青路面虽然初始建设费较高,但是其使用性能好,养护费用和用户费用低,从而总费用较低。对于修建长1km的6车道(宽24cm)的沥青混凝土高速公路的4cm厚表层来讲,普通沥青路面费用比橡胶沥青至少多118万元,而SBS改性沥青路面总费用比橡胶沥青多20万元,由此可见,橡胶沥青具有良好的经济效益。总之,橡胶沥青在环境保护和技术经济角度都是具有明显的优势,符合我国当前建设资源节约型和环境友好型社会的要求,在我国公路建设中有良好的应用前景。

橡胶沥青;环境影响;技术可行性;经济可行性;寿命周期费用分析

橡胶沥青利用废旧轮胎作为生产原料,可以改善路面性能,延长路面使用寿命,减轻废轮胎带来的环境压力,创造经济价值的同时,也顺应了以人为本、保护环境、资源循环利用的时代要求,符合我国当前建设节约型社会和发展循环经济的政策,也符合我国当前公路建设可持续发展的需求。本文将通过对橡胶沥青的环境效益及其产生的环境影响进行综合评价,从技术角度和经济角度评价橡胶沥青的可行性,进而说明橡胶沥青的优势所在。

1 橡胶沥青的环境影响

1.1 橡胶沥青的环境效益

随着我国经济建设的发展,人民生活水平的提高,汽车保有量逐年增加,越来越多的废旧轮胎堆积形成的“黑色污染”已成为一个严峻的环境问题。我国将成为轮胎第一生产大国,废旧轮胎的产生量将居世界第一位[1]。如此大规模的废旧轮胎将带来巨大的环境问题。大量堆积的废旧轮胎恶化环境、破坏植被,经过日晒雨淋,极易滋生蚊蝇,传播疾病,影响人类健康。此外还容易自燃、引发火灾,释放大量的苯、丁二烯、一氧化碳等有毒气体和粉尘,并且向地表径流系统释放大量的油类物质。此外掩埋处理废旧轮胎费用昂贵,占用大量土地,容易造成土地资源和成本浪费。因此无害化、资源化地充分利用这些废旧轮胎,消除“黑色污染”已经迫在眉睫。目前废旧轮胎的综合利用已成为各个国家处理废旧轮胎的主要方式。而将废旧轮胎加工成胶粉用于公路建设是大量消耗废旧轮胎的有效途径之一,具有重要的环保效益[2]。

1.2 降低路面噪声

随着车流量增加,车速提高,道路交通噪声问题日趋严重,已成为公路沿线主要污染源之一。交通噪声作为噪声污染源的一种,与大气污染、水污染一样,已经逐渐成为一种危害人类环境的公害。

多年的研究结果和工程实践表明橡胶沥青混凝土在降低路面噪声方面有着明显的优势[3]。橡胶沥青混凝土由于其高弹性能,具有明显的减少行车噪声效果,是一种典型的“安静路面”。1981年,比利时科学家在布鲁塞尔首先证明橡胶沥青混凝土减噪效果。随后世界各国相继开展这方面的研究,在高速公路上,橡胶沥青的噪音比普通路面降低5-8分贝。在其他公路上,平均降低3-5分贝[4]。此外,美国萨克拉门多环境评价部对橡胶沥青路面进行了六年的研究,他们的结果显示橡胶沥青路面能够保持降噪效果六年,而普通降噪路面只能保持四年[5]。

2 橡胶沥青的技术经济可行性分析

2.1 技术可行性

2.1.1 优化沥青性能

橡胶沥青是一种高品质固、液两相黏结剂,明显地提高了沥青的黏弹性;它不仅改善了沥青的抗老化能力和温度敏感性,还增强了沥青的高温稳定性和低温抗开裂性能。橡胶沥青中的胶粉,使得橡胶沥青比其他改性沥青更黏稠,油膜厚度更大,极大地提高了沥青的防水的性能。

2.1.2 改善混合料路用性能

用橡胶沥青生产的沥青混合料,由于其黏度及软化点高、稠度大、弹性恢复性能好,使得沥青路面耐久性和抗疲劳寿命均显著提高。它不仅改善了高温敏感性和低温抗裂性,而且也改善了路面抵抗车辙、疲劳裂缝和反射裂缝的能力,从而延缓路面的老化,与普通沥青路面相比,可延长使用寿命1-3倍。

2.1.3 提高行车舒适性及安全性能

橡胶沥青可以增加路面弹性,从而降低车轮在路面上高速滚动时产生的噪声,改善了行车舒适性。还可以减少车辆行驶时产生的扬尘,有效缩短车辆的刹车距离,防止路面潮湿时造成的车辆打滑及反光造成的视觉盲点,提高车辆行驶安全系数。废旧轮胎中含有的炭黑,使橡胶沥青路面能保持更长时期的黑色,提高了路面颜色与标志线的反差,间接改善了行车的安全性。

2.1.4 减薄路面厚度

由于橡胶沥青黏度高,使用橡胶沥青混合料后,在同等交通量及路面状况的条件下,沥青路面铺层厚度降低,既减少了施工成本,又缩短了施工时间。

美国和南非的研究经验表明,沥青混凝土中掺加废胎胶粉后,沥青面层的厚度可以减薄30%-70%,当沥青结构层中使用橡胶沥青应力吸收中间层时,厚度还可以进一步减薄[6-10]。

上述表明橡胶沥青有很好的技术可行性,并在我国有迅速发展的趋势。

2.2 经济可行性

对于路面这种投资期长的工程来说,初期费用低不一定是经济效益最优,应考虑路面寿命周期内所有费用,即路面从设计开始到寿命期或分析期末,可能包含的费用有设计费、新建费、养护费、改建费等管理部门费用和车辆运营费、延误费、行程时间费、事故费等用户费用这种分析方法称作寿命周期费用分析(Life Cycle Cost Analysis,LCCA)[11-12]。寿命周期费用分析的方法很多,本研究采用现值法,即把分析期(本文选用15年)内发生在不同时间的费用和效益按某一预定的贴现率(本文选用10%)转换为现在的费用和效益,以便于在共同的基础上进行比较。其表达式如下[6]:

式中:PW——费用的现值;C0——第0年的建设费用;Ct——第t年的建设费用;Fi,t——贴现率为i时的第t年的贴现系数(现值系数)=1/(1+i)t;Mt——第t年的养护费用;(UC)t——第t年的使用者费用;n——分析期间(年);R——服务寿命结束时路面材料的残值。

费用现值法这种方法需要考虑的费用项目包括[13]:

a.初期建设费用;b.改建费用;c.定期的养护费用;d.使用者费用(包括车辆运营费、延误费、行程时间费、事故费等);e.路面材料的残值。

本文尝试采用这种方法来分析不同沥青路面方案。为了简化计算,本文采用面层费用分析法。下面是具体计算。

2.2.1 初期建设费用

本文的初期建设费用只考虑路面面层建筑材料费用部分。目前基质沥青结合料3 000元/t计算,考虑加工成本、税收、利润等因素,SBS改性沥青结合料价格约为4 300元/t,橡胶沥青结合料约为3 500元/t。假定普通沥青混凝土的密度为23.7g/cm3,油石比为4.8%,SBS改性沥青混凝土的密度设定为2.55g/cm3,油石比为5%,橡胶沥青混凝土设定为2.45g/cm3油石比为6%[2]。得到每方沥青混凝土中普通沥青的材料费为326元,SBS改性沥青的材料费为522元,橡胶沥青的材料费为485元。三种混合料的石料采用相同的材料,松方密度取1.6t/m3,单价为200元/m3,得到普通沥青混凝土的矿料成本为283元,SBS改性沥青混凝土的矿料成本为304元,橡胶沥青混合料的矿料成本为289元。由此可以得到每方沥青混合料的材料总价,AC为609元,SBSAC为826元,ARAC为774元。因此,每平方米(厚度为每里米)沥青面层的造价分别为:普通沥青混凝土为6.09元/m2·cm;SBS改性沥青混凝土为8.26/m2·cm;橡胶沥青混凝土为7.74/m2·cm。那么,以6车道(宽24m)的高速公路为例,修建长1km厚4cm沥青混凝土表层造价分别为:AC总造价为58.5万元,SBSAC总造价为79.3万元,ARAC总造价为74.3万元。

2.2.2 改建费用

对于国内道路而言,橡胶沥青路面使用寿命可达到15年,而普通沥青路面寿命仅为6-8年,也就是说橡胶沥青路面使路面大修改造周期至少延长了7年[14-15]。本文的选定的分析期为15年,也就是说普通沥青路面在分析期内要大修一次,假设在分析期的第9年重修4cm面层,也就是说改建费贴现至起始年为58.5万元。而SBS改性沥青混凝土和橡胶沥青混凝土在分析期内不用重修,因此追加的建设费用为0。

2.2.3 养护费用

养护费用是每年都需计及的费用,本研究采用北京地区的养护费用模型[8],见式(2)。

式中AADTi为第i年平均日交通量;PCIi为第i年路面损坏状况指数;Mi为第i年养护费,元/m2。

假设三种路面的平均日交通量及交通增长率相同,由于橡胶沥青的技术性能优于SBS改性沥青,更优于普通沥青,为了体现不同路面的使用性能好坏,设计时ARA最低PCI=70,SBSAC最低PCI=65。AC最低PCI=60。可以得到不同路况指数在分析期内(15年)的养护费用。由于我国公路路面性能的衰减普遍是先快后慢,本文PCI的衰减体现了这一普遍规律 。

由公式可以得到长1km的6车道(宽24m)的沥青混凝土高速公路的养护费分别为:AC为19.3万元,SBSAC为20.5万元,ARAC为18.5万元。

2.2.4 用户费用

用户费用包括车辆运营费、延误费、行程时间费、事故费等,由于延误费、行程时间费和事故费等还没有具体的计算方法,因此本文主要考虑车辆运营费,由燃油消耗费、轮胎消耗费和保修材料消耗费。每辆车的消耗量分别按下列公式计算,见式(3)、(4)、(5)和(7)所示[8]。

式中,a1,b1,a2,b2,Cq为回归系数;C0为维修费系数;CkM为车辆累计行驶里程;kp为车龄指数或车辆老化系数;I R I为国际平整度指数。各系数参考许志鸿等《沥青路面结构方案的选择— —寿命周期费用分析》中的数据[10]。

设计时AC最低RQ I=60,SBSAC最低RQ I=65,ARAC最低RQ I=70,各路面RQ I指数衰减同PCI指数,从而得出不同路面的I R I衰减。本文假设车型构成比例为:小客车为50%,大客车为10%,小货车为10%,中货车为10%,大货车为15%,集装箱车为5%,另外,燃油的单价取用6.0元/L(不分柴油和汽油)。各种轮胎的单价取为:小客车和小货车取500元/个,大客车和中货车取800元/个,大货车和集装箱车取1 200元/个;新车单价取为:小客车取20万元/辆,大客车取10万元/辆,小货车取5万元/辆,中货车取8万元/辆,大货车为12万元/辆,集装箱车取25万元/辆。再由以上油耗、轮耗、材耗的公式(3)、(4)、(5)、(6),可得到长1km的6车道(宽24m)的沥青混凝土高速公路的用户费分别为:AC为3 620.3万元,SBSAC为3 635.6万元,AC为3 618.0万元。

2.2.5 路面残值

理论上指分析期末路面的剩余寿命占其使用寿命的比例计算。分析期末,普通沥青混凝土路面还有1年的使用寿命,即还有12.5%的残值,贴现至起始年为1.75万元。而SBS改性沥青及橡胶沥青混凝土路面需要修罩面,剩余使用寿命为零。

2.2.6 结果比较

综上,结合寿命周期费用分析公式(1)可得三种路面的寿命周期费用分析结果如下表1所示:

表3 三种路面的总费用(单位:万元)

从上表可以看出,按寿命周期费用分析,长1km的6车道(宽24m)的沥青混凝土高速公路的总费用,普通沥青路面 ＞SBS改性沥青路面 ＞橡胶沥青路面。而普通沥青路面改建时产生的延迟费用等会使普通沥青路面的总费用更高,由此可见,普通沥青路面费用比橡胶沥青至少多118万元,而SBS改性沥青路面总费用比橡胶沥青多20万元。从长远考虑,橡胶沥青潜在的经济效益是巨大的。

综上所述,橡胶沥青的寿命周期费用结果表明橡胶沥青具有很好经济效益,在经济上是可行的。

3 总 结

橡胶沥青具有独特环境效益和社会效益。主要表现在减少黑色污染,降低路面噪声以及提高行驶安全性等方面。对于公路建设而言,将废旧轮胎胶粉用于沥青改性制成橡胶沥青有着优良的技术优势,用来铺设路面可以改善公路质量,延长路面使用寿命,从寿命周期费用分析的结果来看,虽然橡胶沥青的初始建设费较高,但是其使用性能好,养护费用和用户费用低,从而总费用较低。而普通沥青路面虽然初始建设费较低,但是其使用性能差,在相同的分析期内需改建,养护费用和用户费用较高,从而总费用高。SBS改性沥青由于其材料成本费高,初始建设费最高,其使用性能相对橡胶沥青而言较差,养护费用和用户费用高,从而总费用较高。另外,使用橡胶沥青铺设路面还可以减薄路面厚度,这将在很大程度上节约投资,对于我国当前在有限的财力和物力下,修建出优质沥青路面是一种很好的可选方案,具有良好的应用前景,应该大力推广。

(编辑:于 杰)

[1]王旭东,李美江,路凯冀等.橡胶沥青及混凝土应用成套技术[M].北京:人民交通出版社,2008:1-386.

[2]王文奇,王泽,黄琦.推广废胶粉改性沥青的必要性和可行性研究[J].四川建材,2008,(4):10-12.

[3]杨志峰,李美江,王旭东.废旧橡胶粉在道路工程中应用的历史和现状[J].公路交通科技,2005,22(7):19-22.

[4]李智勇.废旧橡胶改性沥青路用性能与环境评价研究[D].吉林:吉林大学,2007:65-71.

[5]Anderson D A,Dukatz E L,Petersen J C.The EfectofAntistrip Additives on the Properties of Asphalt Cement[J].Journal of Association ofAsphalt Paving Technologists,2002,51:298.

[6]杨人凤,刘平.橡胶沥青技术的发展与应用[J].筑路机械施工机械化,2009,(2):14-17.

[7]交通部公路科学研究院.橡胶沥青及混合料设计施工技术指南[S].北京:人民交通出版社,2008:1-25.

[8]陆宁,王森浩,毛斌双.农村公路全寿命周期成本投资效益研究[J].交通财会,2009.

[9]万国朝.路面寿命周期费用分析[J].中外公路,1991,(1):8.

[10]马德良,余强.废轮胎胶粉改性沥青混凝土路面在天津市道路中的应用[J].中国轮胎资源综合利用,2007,(6):37-41.

[11]刘黎萍,孙立军.沥青路面结构设计中的寿命周期费用分析[J].山东交通学院学报,2002,(2):55.

[12]孙立军,刘黎萍,张宏超等.基于性能的沥青路面全寿命设计方法——重交通沥青路设计方法之二[J].同济大学学报:自然科学版,2003,(7):835.

[13]中华人民共和国交通部.JTJ 073.2-2001公路沥青路面养护技术规范[S].北京:人民交通出版社,2001:16.

[14]中华人民共和国交通部.JTGH10-2007公路技术状况评定标准[S].北京:人民交通出版社,2007:17-43.

[15]许志鸿,刘志远,林晓.沥青路面结构方案的选择——寿命周期费用分析[J].中外公路,2006,(2):67-70.

[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专-0391-04

2010-01-10

陈玲,硕士生,主要研究方向为清洁生产和循环经济。

莫笑萍,副教授,主要研究方向为循环经济与清洁生产。

＊“十一五”国家科技支撑计划(No.2006BAC02A12);国家教育部“985工程”南开大学循环经济哲学社会科学创新基地开放课题资助。