基于LCA的山区公路沥青路面厂拌热再生环境效益分析

周 毅，郭伍军，朱东莉

(1.中交第二公路工程局有限公司，陕西 西安 710065；2.中南大学，湖南 长沙 410083)

0 引言

由于受特殊自然条件的限制，山区公路具有弯道半径小、纵坡大，区域气候变化较大等特点，加之交通量和车辆载荷的不断增加，公路长期处于超负荷工作状态，极易出现裂缝、拥包、坑槽、翻浆等病害，造成公路通行能力下降，导致道路养护频繁。然而，若采用传统铣刨重铺的养护方式，不仅需要消耗大量新石料和沥青资源，而且会导致从原路面铣刨回收的沥青混合料回收料被直接废弃或长期堆置，既浪费资源，又侵占大量土地，长期露天堆放还易产生环境复合污染问题，增加治理难度，危害生态环境。作为一种高效的资源循环利用养护技术[1-2]，厂拌热再生技术逐渐在我国山区公路养护工程中得到试点应用，但尚未实现大规模推广应用。2019年9月，国务院印发《交通强国建设纲要》，明确指出：“将生态环保理念贯穿交通基础设施规划、建设、运营和养护全过程”，“提高资源再利用和循环利用水平，推进交通资源循环利用产业发展”[3]。为检验在山区公路沥青路面养护工程中应用厂拌热再生技术是否为可行且有效的节能减排措施，本研究基于全生命周期评价(Life Cycle Assessment，LCA)的环境效益分析方法[4]，结合实体工程，比较应用厂拌热再生沥青混合料和普通沥青混合料的全生命周期能耗与环境排放，量化呈现应用厂拌热再生技术在践行生态环保理念方面的积极意义，总结提出提升厂拌热再生技术环境效益的建议措施，以期为我国山区公路养护过程实现节能减排和绿色发展提供借鉴。

1 基于全生命周期评价的环境效益分析方法

1.1 目标与分析范围确定

厂拌热再生技术(Hot Central Plant Recycling，HCPR)是指“在拌和站将RAP破碎、筛分后，以一定比例与新矿料、新沥青、沥青再生剂等加热拌和为混合料，然后铺筑形成沥青路面的技术”[5]。厂拌热再生技术全生命周期评价旨在通过量化RAP产生、运输，再生混合料生产与再生路面施工等阶段的能源消耗和环境排放，确定再生技术各个阶段和总能源消耗和气体排放情况，评价其对资源破坏、生态环境与人体健康的影响。厂拌热再生技术全生命周期评价的系统边界如图1所示。

图1 厂拌热再生全生命周期评价系统边界

1.2 能耗清单分析模型

全生命周期能耗计算方法主要包括实测法、理论法和定额法3种，其中定额法综合了实测法和理论法的特点，是最常用且有效的能耗计算方式[6]；其以定额范围内的具体机械设备、运行车辆参数和使用频率等数据为核心，能够体现社会平均水平下的施工工艺流程与其能源消耗量水平。首先，根据“公路养护工程预算定额”规定的工艺流程确定单位产量机械台班数量；其次，根据机械设备台班能耗参数与燃料净发热值(Net Calorific Value，NCV)，运用式(1)计算各阶段的能源消耗量；最后，计算得到生产单位再生混合料的能耗总量。

E=∑(Qi·NCVi)

(1)

式中：Qi为第i种机械设备的单位油耗,kg；NCVi为对应机械设备所用燃料的净发热值,MJ/kg，柴油、重油、电力的净发热值分别取43.0 MJ/kg、40.4 MJ/kg和3.6 MJ/kw·h[7]。

1.3 环境排放清单分析模型

厂拌再生技术全生命周期温室气体、有害气体和粉尘的排放量与其造成环境影响的计算较为复杂，一般运用应用性强、形式简单的基于IPCC排放因子法的环境排放清单分析方法：首先，确定在基于燃料100%氧化假设条件下的常见燃料燃烧缺省排放因子(如表1所示)，计算各类物质的排放量；其次，将各类排放气体根据环境影响类别进行归类并确定各环境影响类别的特征因子(如表2所示)； 最后，通过式(2)计算各阶段的各类环境排放总量。

EPj=∑(Qji·EFji)

(2)

式中：EPj为第j种环境影响类别的特征化排放总量；Qji为第j种环境影响类别中第i种物质的排放量；EFji为第i种排放物质对第j种潜在环境影响的特征因子。

表1 基于净发热值的燃料燃烧缺省排放因子Table 1 Default emission factor of fuel combustion based on net calorific value(mg/MJ)燃料类型CO2CH4N2O柴油74 100.003.000.60重油77 400.003.000.60

表2 影响类别、影响因子和特征因子Table 2 Impact category,impact factor and characteristic factor影响类别影响因子特征因子单位特征因子CO2kg等效CO21.00全球变暖CH4kg等效CO225.00N2Okg等效CO2298.00SOXkg等效SO21.00酸化效应NOXkg等效SO20.70NH3kg等效SO21.88COkg等效1,4-二氯苯2.40健康危害SOxkg等效1,4-二氯苯0.096NOXkg等效1,4-二氯苯1.20VOC、TOCkg等效1,4-二氯苯0.64颗粒物质PM、TSPkg1.00

2 环境效益量化分析

2.1 试验路段介绍

选取贵州省山区公路的典型代表路段——省道S303线铜仁境内某路段大修工程进行环境效益量化分析，从而确定影响山区公路实现节能减排目标的主要因素。该路段连接高速公路，途径主要城镇，车流量、轴载均较大；全段存在多处弯道半径小、纵坡大路段，路段内常年雨水较多，且海拔变化较大(180～1 200 m)，夏有高温、冬有冻融，加之沥青混合料老化和排水不畅等因素的共同作用，导致路面出现了不同程度的网裂、横向裂缝、纵向裂缝、变形等损坏，影响了行车舒适性和安全性。基于此，工程综合考虑该路段旧沥青路面混合料性能变异性大、稳定性差，及公路所处区域气候、路面温度变化大等特点，研发符合山区普通公路特点的间歇式沥青路面厂拌热再生技术(Batch Type Central Plant Hot Recycling in Mountain Area，BTCP-MA)，采用RAP掺配比例为25%(RAP沥青含量为4.5%)，最佳沥青含量为5.1%，再生剂掺量为RAP旧沥青7%的AC-13厂拌热再生混合料对原路面面层进行修复，从而保证再生沥青混合料高温稳定性、水稳定性、低温弯曲性能与普通热拌混合料路用性能相同。试验路段全长10 km，设计时速20 km/h，路基宽度6.5 m，原路面结构为面层4 cm厚AC-13普通沥青混凝土，基层15 cm厚级配碎石，再生路面铺筑4 cm厚AC-13厂拌热再生混合料(密度为2.5 t/m3)，承养路段至再生工厂的距离为50 km，承养路段至弃土场的距离为75 km。

2.2 能耗量化分析

厂拌热再生全生命周期共包括RAP铣刨回收、沥青与集料生产、沥青混合料生产和路面铺筑4个阶段，各阶段能耗和气体排放主要源于相关机械设备的柴油、重油等燃料燃烧和电力消耗，因此可结合能耗与环境排放清单分析模型，计算得到应用1 t AC-13厂拌热再生混合料的各阶段能耗。

RAP铣刨回收阶段包括路面铣刨和RAP运输2个子阶段，其中路面铣刨深度为4 cm，运输至再生工厂的距离为50 km。根据《贵州省公路养护工程预算定额》《贵州省公路养护工程机械台班费用定额》中所规定的铣刨1 000 m2、3.75 m以内所需2.0 m3以内轮胎式装载机、路面铣刨机、6 000 L以内洒水汽车、30 t以内平板拖车组、15 t以内自卸汽车等机械台班数量、对应的燃料消耗量kg/台班，计算获得路面铣刨、RAP运输阶段燃料消耗量，同时结合能耗清单分析模型，将数据转化为动力单位焦耳,J。

沥青及集料生产阶段参考相关研究[8]，确定生产1 t沥青及集料所用能耗分别为11 222.371 MJ、10.80 MJ，生产1tAC-13厂拌热再生混合料需新添加0.037t沥青及0.714t集料，从而根据沥青、集料用量确定该阶段能耗。由于再生剂一般为非乳化型富芳香分的轻质油分的混合物[9]，成分构成复杂，生产能耗及环境排放不易计算，加之用量较少，每吨厂拌热再生沥青混合料仅掺加0.79 kg，因此本文不考虑再生剂的生产能耗与环境排放。

沥青混合料生产阶段主要包括RAP预处理与混合料拌和等阶段，涉及3.0 m3以内轮胎式装载机、冲击式破碎机设备、120 t/h偏心振动筛、240 t/h以内沥青拌合设备、工厂热再生拌和设备等机械，根据定额计算方法，可计算得出RAP预处理、再生混合料拌和能耗。

再生路面铺筑阶段主要包括再生混合料运输、摊铺、碾压等阶段，涉及15 t以内自卸汽车、12.5 m以内沥青混合料摊铺机、轮胎压路机、光轮压路机等机械设备，根据定额法和能耗清单分析模型计算得出运输、摊铺、碾压1 t沥青混合料所需能耗。

为充分了解铺筑再生混合料与普通沥青混合料之间的能耗差，同理计算得到AC-13沥青混合料全生命周期环境效益，从而更加合理、客观地评价厂拌热再生技术节能减排效果(如表3所示)。

表3 厂拌热再生全生命周期能耗效益表Table 3 Life cycle energy consumption benefit of HCPR全生命周期阶段厂拌热再生沥青路面普通沥青路面能耗/(MJ·t-1)能耗比/%能耗/(MJ·t-1)能耗比/%能耗效益/(MJ·t-1)RAP铣刨回收路面铣刨38.894.42%38.893.77%0.0028.02RAP运输68.507.78%96.529.35%28.02沥青和集料生产沥青生产418.0347.49%544.2852.74%126.25128.82集料生产7.710.88%10.281.00%2.57沥青混合料生产RAP预处理5.060.58%——-5.06-5.06混合料拌和233.6626.54%233.6622.64%0.00混合料运输97.6011.09%97.609.46%0.00路面铺筑混合料摊铺4.930.56%4.930.48%0.000.00混合料碾压5.920.67%5.920.57%0.00 合计880.31100%1 032.09100%151.78

根据上述量化分析结果，厂拌热再生沥青路面的总能耗为880.31 MJ/t，相比于普通热拌沥青路面所消耗的1 032.09 MJ/t，共节省能耗151.78 MJ/t，节能比例为14.7%。在RAP铣刨回收阶段，由于从养护路段运至再生工厂的运距相比运至弃土场可节约25 km，因此厂拌热再生沥青路面的RAP运输能耗相较普通沥青路面节约了28.02 MJ/t。在沥青和集料生产阶段，由于掺加了25%的RAP，生产每吨厂拌热再生沥青混合料可节约石油沥青11.25 kg，节约新集料237.88 kg，相较使用普通沥青混合料共节约能耗128.82 MJ/t，是厂拌热再生沥青路面能耗效益的主要组成部分。在沥青混合料生产阶段，厂拌热再生沥青混合料与普通沥青混合料在混合料拌和过程中的能耗相同，相较普通沥青混合料增加了RAP的预处理环节，需消耗能源5.06 MJ/t，占总能耗的比例比较小。在路面铺筑阶段，厂拌热再生沥青路面与普通沥青路面的能耗相同。根据厂拌热再生沥青路面全生命周期各阶段的能耗占比情况，新沥青生产的能耗占比最大，其次为混合料拌和，再次为混合料运输、RAP运输等。因此，在沥青路面再生过程中需注重提升RAP掺配比例、优先使用较高沥青含量的RAP、加强拌和站节能措施应用、缩短再生工厂与养护路段距离，从而进一步降低厂拌热再生沥青路面能耗。

2.3 环境排放量化分析

基于上述各阶段能耗计算结果，结合柴油、重油、电力等燃料缺省排放因子、各环境影响类别特征因子数值，代入式(2)计算AC-13厂拌热再生混合料和普通沥青混合料全生命周期各阶段的环境排放总量，对比得出厂拌热再生环境排放效益(如表4所示)。其中，由于沥青混合料生产所涉及的环境排放种类与环节均较多，计算过程相对较为复杂，因此研究借鉴美国国家环境保护局(U.S. Environmental Protection Agency，EPA)针对间歇强制式拌和设备各个环节环境排放的统计分析结果[10]，直接进行沥青混合料生产的环境排放量化分析，确定再生沥青混合料拌和阶段，生产每1t沥青混合料将排放CO218 500，CO 200，NOX60，SO244，CH43.7，TOC 7.5，VOC 4.1 g。

表4 厂拌热再生全生命周期环境排放效益表Table 4 Life cycle environmental emission benefit of HCPRg/t类型影响类别RAP铣刨回收沥青和集料生产沥青混合料生产路面铺筑总计全球变暖7 922.7915 714.1718 836.857 973.0050 446.81厂拌热再生沥青路面酸化效应41.3020.08184.0058.85304.23健康危害102.9497.11395.65146.68742.38颗粒物质1.91177.279.102.72191.01全球变暖9 981.1120 460.0618 592.507 973.0057 006.68普通沥青路面酸化效应58.2026.14184.0058.85327.19健康危害145.06126.44395.65146.68813.83颗粒物质2.69236.189.102.72250.70全球变暖2 058.324 745.89-244.350.006 559.86厂拌热再生环境排放效益酸化效应16.906.060.000.0022.96健康危害42.1229.330.000.0071.45颗粒物质0.7858.900.000.0059.69

根据上述量化分析结果，厂拌热再生沥青路面的环境排放总量为50 446.81g等效CO2、304.23 g等效SO2、742.38 g等效1，4-二氯苯、191.01 g颗粒物质，相比于普通沥青路面的排放分别减少了6 559.86 g等效CO2(减排比例11.5%)、22.96 g等效SO2(减排比例7.0%)、71.45 g等效1，4-二氯苯(减排比例8.8%)、59.69 g颗粒物质(减排比例23.8%)的排放。在厂拌热再生环境排放产物的环境影响方面，项目所产生的全球变暖影响最为显著，健康危害和颗粒物质影响次之，酸化效应最小。因此，在沥青路面再生过程中，需采取措施加强对温室气体排放、有害气体排放的控制。

3 厂拌热再生环境效益提升对策

3.1 提高厂拌热再生RAP掺配比例

在保证再生沥青混合料质量性能的前提下，通过提高厂拌热再生RAP掺配比例可进一步节约新沥青用量，从而提高环境效益(如表5所示)。但是随着RAP掺配比例的增加，需提高新集料加热温度以保证再生混合料的拌和温度。为避免新集料加热温度过高导致能耗过大与沥青老化[11]，厂拌热再生技术应用时的RAP掺配比例一般局限于30%以下。近年来厂拌温再生技术在厂拌热再生技术的基础上逐渐发展，通过降低生产温度，厂拌温再生技术的应用将有效提高RAP掺配比例、缓解RAP旧沥青二次老化问题[12]，不仅能够使旧沥青的再生恢复效果更加显著[13]，进一步节约新沥青

表5 RAP掺配比例对环境效益的影响Table 5 Influence of RAPblending ratio on environmental benefitsRAP掺配比例/%能耗/(MJ·t-1)节能效益/%碳排量/(g·t-1)减排效益/%19910.0111.8351 527.189.6122895.1613.2750 987.0010.5625880.3114.7150 446.8111.5128865.4516.1549 906.6312.4531850.6017.5849 366.4413.4034835.7519.0248 826.2614.3537820.9020.4648 286.0715.3040806.0521.9047 745.8916.25

用量，而且还能降低拌和阶段能耗，成为推动再生沥青路面实现节能减排的重要方向。

3.2 形成RAP分类回收利用机制

由于受到掺配比例与养护路段沥青混合料需求量的限制，一项养护工程产生的RAP无法通过厂拌热再生技术全部循环利用，剩余RAP需贮存用于其他路面养护工程，但铣刨后RAP材料与空气接触面积变大，导致贮存过程中沥青老化速度加快[14]。因此为实现RAP的高效利用，进一步节约沥青用量以实现节能减排(如表6所示)，提出根据RAP沥青含量情况，形成分类回收利用机制：首先，通过原路面调查合理划分铣刨路段和深度，实现原路面材料分段、分层回收，避免沥青含量与质量性能具有明显差异的路面材料混合回收；其次，实施分类贮存管理，不同来源的RAP进入再生工厂后分类堆放并建立材料档案以避免混用；最后，形成RAP分类高效利用机制，再生工厂根据养护工程需求情况对既有RAP进行统筹利用，优先使用沥青含量较高的RAP生产厂拌热再生沥青混合料，同时合理利用沥青含量较低的RAP，例如用于水泥稳定碎石基层或用作路基填料等，从而充分发挥RAP剩余价值。

表6 RAP沥青含量对环境效益的影响Table 6 Influence of RAP asphalt content on environmen-tal benefitsRAP掺配比例/%能耗/(MJ·t-1)节能效益/%碳排量/(g·t-1)减排效益/%4.30885.9214.1650 657.7411.144.40883.1114.4350 552.2811.324.50880.3114.7150 446.8111.514.60877.5014.9850 341.3511.694.70874.6915.2550 235.8811.884.80871.8915.5250 130.4212.064.90869.0815.7950 024.9612.255.00866.2816.0749 919.4912.43

3.3 加强再生工厂环保措施应用

首先，推动拌和站“油改气”技术改造，通过将天然气作为拌和站燃料，大幅降低温室气体与有害气体排放[15]。其次，注重废气热能的回收利用，通过共用尾气燃烧产生的高温加热新集料与利用废气热能进行沥青保温，使得节能效率显著提升。刘利军[16]对沥青拌和站尾气燃烧的节能效益分析得出，以生产RAP掺配比例30%的再生沥青混合料为例，当沥青拌和站采取废热回收节能措施时，使用再生沥青混合料相对于普通沥青混合料的节能效果将由7.57%提升至15.92%。再次，加强堆场防雨料棚设施建设，通过降低堆放集料和RAP含水率，减少加热过程中的燃油消耗[17]，同时避免RAP受到阳光暴晒使得沥青老化加速。最后，落实环境监测管理制度，配备实时环境监测设备，实时掌握再生工厂环境综合整治情况，加强扬尘管理、废弃物管理、污水排放管理、有毒有害气体控制等方面工作，降低对周边生态环境的负面影响。

3.4 推动区域再生工厂科学布局

一方面，合理布局，控制RAP和再生沥青混合料的运输距离，从而节约燃油消耗，提高环境效益(如表7所示)。一是立足高速、统筹兼顾。由于高速公路养护工程的RAP产生量较大且集中，再生工厂布局应以立足区域高速公路养护需求为前提，兼顾普通国省干线公路和农村公路，确保RAP回收的整体效率。二是科学规划、集约布局。再生工厂布局需充分调查区域拌和站建设情况，整合行业存量资源和资产，从而避免重复建设，降低环境影响与建设成本。三是因路制宜、有序推进。根据再生沥青混合料生产市场需求，远近结合，分阶段、分层次建设再生工厂，保证再生工厂具有稳定的RAP来源与再生混合料销路，避免长期闲置造成资源浪费。另一方面，科学选址，既要保证良好的交通条件，实现就近上下高速公路，也要遵守环境保护要求，避开环境敏感点，降低对周边居民生产生活的干扰。

表7 运距(再生工厂至养护路段)对环境效益的影响Table 7 Influence of transportation distance (from pro-cessing plant to maintenance section) on environ-mental benefits距离/km能耗/(MJ/t)节能效益/%碳排量/(g/t)减排效益/%30822.3920.3246 192.9418.9740851.3517.5148 319.8815.2450880.3114.7150 446.8111.5160909.2611.9052 573.757.7870938.229.0954 700.684.0580967.186.2956 827.620.3190996.143.4858 954.55-3.421001 025.100.6861 081.48-7.15

4 结论

a.结合实体工程，采用基于全生命周期评价的环境效益分析方法，量化分析得出在山区公路沥青路面养护工程中应用厂拌热再生技术可降低14.7%养护总能耗，减少6 559.86 g等效CO2(减排比例11.5%)、22.96 g等效SO2(减排比例7.0%)、71.45 g等效1，4-二氯苯(减排比例8.8%)、59.69 g颗粒物质(减排比例23.8%)的排放，具有良好的节能和减排效益，环境效益明显。

b.根据厂拌热再生全生命周期各阶段能耗比例，分析得出沥青生产、混合料拌和、混合料运输、RAP运输等阶段是影响厂拌热再生效环境效益的主要环节，并且针对性地提出了山区公路沥青路面养护工程厂拌热再生环境效益提升对策，包括提高RAP掺配比例、形成RAP分类回收利用机制、加强再生工厂环保措施应用、推动区域再生工厂科学布局等，为我国山区公路养护节能减排和绿色发展提供有益借鉴。