水泥、HMA、ECC三种路面罩面系统的动态生命周期建模分析

崔璨

【摘要】国家每年在国民基础设施上的资金投入高达300万亿元，而道路交通领域的投入占据30%之多。进入21世纪环保的今天，衡量一个项目的产能高低，不仅要从资金的投入与消耗角度评价，更重要的是衡量其能量消耗和温室气体产出值的大小。本文从生命周期评价角度出发，建立模型，从材料的生产、运输，到道路的修建、运营以及寿命周期末四个阶段系统地评价三种路面系统，即：水泥混凝土路面、沥青路面、新型ECC材料路面的能耗和温室气体排放值。x相比传统的混凝土和热拌沥青混合料的道路材料，ECC路面系统能降低生命周期能源消耗15%至72%，温室气体排放量减少32%至37%，而成本降低40%至47%。

【关键词】生命周期；评价；能源消耗；温室气体

1. 材料消耗阶段

材料消耗阶段使用的数据来源包括波特兰水泥协会，雅典娜协会，SIMAPRO6.0生命周期数据库建模。表2是混凝土，HMA和ECC三种物质内部材料组成及所占比例。

图 2表示的是，单位体积混凝土，HMA，和ECC三种物质内部材料的能量消耗以及所占总能量消耗的比例。混凝土，ECC和HMA的一次能源消耗量分别为为2212 MJ/m3，7103 MJ/m3和9142MJ/m3。在HMA中虽然沥青体积只占7%，但其能源消耗占总数的80%（613 MJ/m3 ）。ECC和混凝土相比，含有大量的粉煤灰（占总体积的34%），混凝土中粉煤灰比例只有2.0%，粉煤灰是消耗煤炭过程中产生的副产品。

因此，这个替代材料，对环境的影响很小。粉煤灰通常来自偏远地区的燃煤发电厂。研究中使用的ECC材料含粉煤灰28%，而水泥混凝土中只含有14%，这使得ECC材料的能源强度更大。此外，在ECC生产过程中，占单位体积1.2%PVA纤维也是能量消耗的主要部分，占总能量消耗的36%。

2. 道路修建阶段

在修建过程中，设备的使用时间，参考MDOT以前的建设项目文件并结合每台机器的产率而定。该设备的排放量，使用我国EPA NONROAD2005型号的柴油发动机的排放量，如表2所示：

3. 运营和养护阶段

研究只考虑修建阶段和维修阶段所造成的交通拥堵。使用KYUCP模型预估交通流变化和堵塞情况。输入参数，如年平均日交通量（AADT），工作区的车速限制，车道通行能力，迂回距离和施工期间的车道封闭等，模型会自动计算出延误。平均日交通量约为70000辆，其中8%为重型卡车（MDOT1997）。施工期间，为了方便道路通行，每个方向只封闭一个车道， 车速限制由105km/h降至65km/h。

由耗油量推导出二氧化碳（CO2）的排放量、碳含量和发动机的效率。运用软件MOBILE 6.2推算出未来40年的在不同行驶速度下车辆尾气的排放情况。输入的数据包括：项目每年资金投入，每年冬季和夏季温度范围，大气压，车辆的已用年限，车辆平均行驶里程数。运营模块描述了正常运行期间交通对环境的影响。影响燃料消耗和汽车排放的有两个主要因素，一是燃油价格的变化，另一个是路面平整度的变化。在这个模型中，有点混合型的重型卡车的燃油经济性与普通的相比提高32%，如公式2所示。

FEn 是重型卡车的燃油经济性，n代表年，FEbase以2003年為基准年，用美国建立的DOE 2004模型来描述。模型是由美国能源部研发，为了预估潜在的能源使用年限，并评估到2050年应用先进技术研发新材料替代燃料的碳排放量的影响。 R是每年的燃油经济性的改善，预计由于助力增加每年可节约1.5%的燃油消耗。

由于路表病害，道路表面不平整度随着时间的推移不断增加。不平整度一般为路面不规则，会影响车辆行驶速度、燃油经济性、车辆排放和安全性的一种表现。不平整度往往用国际平整度指数（IRI）表示。

DI对车辆的能源消耗和环境的影响没有直接影响。因此，通过方程建立混凝土和HMA道路的DI和IRI之间的关系，基于疲劳荷载试验和有限元模拟，假设ECC面层的IRI和DI关系与混凝土面层相同。用FCF（FCF=0.0397×IRI+0.9524）表示燃料消耗因子。

使用燃料消耗因子FCF乘以理想的燃料消耗可得出总燃油消耗。最后的结果将可以看出道路在理想光滑面层上行驶和在不平整道路上行驶的燃料消耗的差别。估计不平整度对排放的影响，既要考虑驾驶行为，也要考虑发动机负荷。

4. 寿命终结阶段

在寿命终结模块中，假设所有材料放置在一个垃圾填埋场内。对于混凝土道路，每年只有3万公吨被回收再利用，因为混凝土道路会出现剥落及碎裂，只能作为新的沥青道路的基层，再生混凝土材料RCM可以用作粗集料或细集料混凝土路面。沥青道路的回收率高达80%，再生沥青路面被广泛应用。

然而，沥青混合料与超过约20%的RAP混合时，质量会明显下降。此外，RAP的应用需要特殊的加工设备和严格的质量控制程序。ECC材料和PVA纤维，和其他钢筋混凝土道路遵循相同的循环过程。