孫瑜 薛夢(mèng)陽(yáng) 廖劍

摘要：以生活垃圾焚燒爐渣瀝青路面為研究對(duì)象，采用生命周期評(píng)價(jià)法，對(duì)原材料生產(chǎn)階段的能耗與環(huán)境排放進(jìn)行量化分析，并與普通瀝青路面進(jìn)行對(duì)比。其中，能耗計(jì)算采用定額法，環(huán)境排放計(jì)算采用排放因子法。結(jié)果表明：原材料生產(chǎn)階段，爐渣瀝青路面與普通瀝青路面相比，總體能耗增加17.4%，其中，基質(zhì)瀝青與 SBS 改性瀝青能耗分別增加33%、5.6%，但是天然集料能耗減少20.8%，同時(shí)新增爐渣集料能耗，約占爐渣瀝青路面總能耗的3.15%;在未計(jì)入減排效率的前提下，CO2、N2O、CH4總排放分別增加30.3%、48.3%、47.2%。

關(guān)鍵詞：道路工程;生活垃圾焚燒爐渣;生命周期評(píng)價(jià);能耗與排放;瀝青混合料

中圖分類(lèi)號(hào)：U414? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1006—7973（2022）04-0155-03

隨著垃圾分類(lèi)在全國(guó)普遍推行，對(duì)回收的生活垃圾經(jīng)過(guò)焚燒產(chǎn)生的爐渣進(jìn)行資源化處理與利用是當(dāng)前的焦點(diǎn)。生活垃圾焚燒爐渣[1]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“爐渣”）是生活垃圾焚燒后的主要固態(tài)產(chǎn)物，組成成分有燒結(jié)熔渣、玻璃、陶瓷、金屬、磚石及未燃燒物等，屬于輕集料的范疇。爐渣經(jīng)過(guò)濕法或干法工藝[2]處理后得到爐渣集料和爐渣粉料兩種產(chǎn)物，可以投入資源化再利用[3]。

目前爐渣集料可摻入到水泥碎石或?yàn)r青混合料中。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，水泥穩(wěn)定爐渣碎石養(yǎng)生齡期越長(zhǎng)、水泥用量越大、養(yǎng)生溫度越高，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度越高[4]。爐渣集料摻入到瀝青混合料中，馬歇爾試驗(yàn)參數(shù)滿足規(guī)范要求[5];AC-20中爐渣集料替代天然集料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、SMA-13中為5%～10%時(shí)可降低老化對(duì)低溫抗裂性能的不利影響，并且瀝青混合料疲勞壽命較高[6]。凍融循環(huán)劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，在凍融循環(huán)過(guò)程中，爐渣的特性有利于增大混合料的內(nèi)摩阻角，使得爐渣瀝青混合料具有更高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[5]。

毋庸置疑，爐渣的資源化再利用在固廢處置和節(jié)約自然資源方面都是有利的。從低碳環(huán)保的角度來(lái)看，在大規(guī)模推廣爐渣應(yīng)用到道路工程之前，對(duì)其能耗與環(huán)境排放進(jìn)行定量分析與評(píng)價(jià)也是十分必要的。國(guó)內(nèi)外主要采用生命周期評(píng)價(jià)法[7，8]（Life-Cycle Assessment， LCA）對(duì)工程能耗與環(huán)境排放進(jìn)行分析。1996年芬蘭學(xué)者等[9]首次將生命周期評(píng)價(jià)法應(yīng)用到道路方面。潘美萍[10]、李肖燕[11]基于 LCA 對(duì)瀝青路面和水泥混凝土路面的能耗及碳排放做了相關(guān)研究;吳廣文等[12]應(yīng)用 LCA 對(duì)瀝青路面地?zé)嵩偕┕ぜ夹g(shù)的能耗及排放進(jìn)行了計(jì)算;吳爽[13]基于 LCA 對(duì)熱拌瀝青路面與溫拌瀝青路面進(jìn)行全生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究。

綜上，國(guó)內(nèi)外對(duì)于爐渣瀝青路面的研究仍處于初級(jí)階段，尤其是缺乏爐渣瀝青路面生命周期內(nèi)能耗、環(huán)境排放的相關(guān)研究。本文以爐渣瀝青路面面層為研究對(duì)象，通過(guò)生命周期評(píng)價(jià)法進(jìn)行對(duì)其原材料的生產(chǎn)階段進(jìn)行能耗與環(huán)境排放的計(jì)算分析，并以普通瀝青路面面層作為對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比分析，為爐渣集料在瀝青路面的使用提供參考。

1系統(tǒng)模型

1.1生命周期評(píng)價(jià)

LCA 是對(duì)產(chǎn)品系統(tǒng)整個(gè)生命周期的輸入、輸出及潛在環(huán)境影響的匯集和評(píng)價(jià)。根據(jù) ISO14040標(biāo)準(zhǔn)[14]定義的技術(shù)框架，LCA評(píng)價(jià)過(guò)程包括定義目標(biāo)與確定范圍、清單分析、影響評(píng)價(jià)和生命周期解釋4部分。

爐渣瀝青路面進(jìn)行 LCA 評(píng)價(jià)具體步驟：①明確產(chǎn)品系統(tǒng)。本文的研究對(duì)象為爐渣瀝青路面面層，對(duì)照組為普通瀝青路面;②確定原材料消耗量;③確定系統(tǒng)邊界。整個(gè)爐渣瀝青路面生命周期可劃分為原材料生產(chǎn)、施工建設(shè)、運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)和結(jié)構(gòu)拆除4個(gè)階段，研究邊界選取原材料生產(chǎn)階段;④確定路面 LCA 能耗與排放模型以及計(jì)算方法;⑤進(jìn)行 LCA 清單分析;⑥ LCA 清單結(jié)果解釋。

1.2模型假設(shè)

擬建公路為雙向四車(chē)道的一級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度為80km/h，路基寬27m，路面寬24m，其中包括：2×0.5m 土路肩+2×3m 硬路肩+4×3.75m 行車(chē)道+2m 中央分隔帶，瀝青路面設(shè)計(jì)使用年限為15年。研究對(duì)象為瀝青路面面層。瀝青路面上、中、下面層選取的 SMA-13、AC-16、AC-20等3種瀝青混合料類(lèi)型，且厚度分別為4cm、6cm、8cm。如圖1所示。

2瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)已有研究結(jié)論，擬定爐渣瀝青路面中摻加爐渣的粒徑范圍和摻量如下： SMA-13中摻入爐渣集料的粒徑范圍為0～2.36mm，摻量為10%（礦料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）;AC-16、AC-20中摻入爐渣集料的粒徑范圍為0～9.5mm，摻量為20%。

AC 瀝青混合料采用中海70#基質(zhì)瀝青， SMA 瀝青混合料采用韓國(guó) SK 公司的 I-D 型 SBS 改性瀝青。 SMA-13、AC-16、AC-20等3種瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)均采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法，各種瀝青混合料的油石比及毛體積相對(duì)密度如表1所示。

3能耗與排放

能耗計(jì)算采用定額法，環(huán)境排放計(jì)算采用排放因子

法。計(jì)算公式如式（1）所示。

（1）

式中：E—排放量，kg;a—活動(dòng)數(shù)量，kg;EF—排放因子，g·kg-1;ER—減排效率。

在原材料生產(chǎn)階段與路面建設(shè)階段，同一種類(lèi)原材料的不同生產(chǎn)廠商采取的減排效率不同，不同型號(hào)的生產(chǎn)機(jī)械減排效率也不同，所以在計(jì)算中不計(jì)入減排效率。瀝青路面工程中原材料能耗及排放因子如表2所示。

按照1.2節(jié)的模型假設(shè)，1km 瀝青路面面層建設(shè)需要的混合料總體積為4320m3，其中包括 AC-20瀝青混合料1920m ，AC-16瀝青混合料1440m ，SMA-13瀝33青混合料960m3。原材料具體消耗量如表3所示。能耗與排放結(jié)果如表4所示。

通過(guò)表4可以看出，在原材料生產(chǎn)階段，爐渣瀝青路面能耗較普通瀝青路面增加17.4%。其中，爐渣瀝青路面基質(zhì)瀝青能耗增加33%， SBS 改性瀝青能耗增加5.6%，天然集料能耗減少20.8%，同時(shí)新增爐渣集料能耗131294.16MJ，約占爐渣瀝青路面總能耗的3.15%。環(huán)境排放方面，爐渣瀝青路面 CO2、N2O 與 CH4排放分別增加30.3%、48.3%、47.2%。這是由于爐渣集料的加入，使得基質(zhì)瀝青與 SBS 改性瀝青用量增加，雖然天然集料的用量有所減少，但是爐渣集料用量遠(yuǎn)高于兩種路面中天然集料的差量，且其單位能耗與排放均高于天然集料。

4結(jié)論

本文采用生命周期評(píng)價(jià)法，對(duì)爐渣瀝青路面的原材料生產(chǎn)階段進(jìn)行能耗與排放的計(jì)算與分析，并以普通瀝青混合料作為對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果可知，在未計(jì)入減排效率的前提下，爐渣瀝青路面較普通瀝青路面 CO2、N2O、CH4排放分別增加30.3%、48.3%、47.2%。由于生活垃圾焚燒爐渣的資源化利用能夠大量消耗生活垃圾焚燒爐渣，有效解決固體廢棄物再利用問(wèn)題，同時(shí)還能夠緩解天然集料的資源緊張問(wèn)題，因此應(yīng)考慮降低爐渣瀝青路面的能耗與排放，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣爐渣瀝青路面的建設(shè)。由于爐渣集料的加入，各種原材料用量都有不同程度的變化，作為爐渣瀝青路面與普通瀝青路面之間能耗與排放變量，可通過(guò)調(diào)整原材料的減排效率，使得爐渣瀝青路面排放量減少，提高其綠色度。

參考文獻(xiàn)：

[1]王琎晨.生活垃圾焚燒爐渣性質(zhì)特點(diǎn)及在瀝青混合料中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].石油瀝青 ， 2017， 31（3）：54-59.

[2]黃炳輝.生活垃圾焚燒爐渣分選處理工藝研究[J].綠色科技 ， 2013（7）：215-216.

[3]章驊 ， 何品晶.城市生活垃圾焚燒灰渣的資源化利用[J].環(huán)境衛(wèi)生工程 ， 2002， 10（1）：6-10.

[4]劉棟 ， 李立寒 ， 崔華杰.水泥穩(wěn)定爐渣碎石的強(qiáng)度性能[J].建筑材料學(xué)報(bào) ， 2014， 17（3）：538-542.

[5]孫瑜 ， 李立寒 ， 黃崇偉.垃圾焚燒爐渣瀝青混合料的基本性能[J].建筑材料學(xué)報(bào) ， 2020， 23（8）：978-983.

[6]劉棟 ， 李立寒 ， 楊昆.生活垃圾焚燒爐渣瀝青混合料的耐久性能[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2016， 44（1）：100-106.

[7]樊慶鋅 ， 熬紅光 ， 孟超.生命周期評(píng)價(jià)[J].環(huán)境科學(xué)與管理 ， 2007， 32（6）：177-180.

[8]藺瑞玉 ， 沙愛(ài)民 ， 楊發(fā)林等.瀝青路面溫室氣體排放評(píng)價(jià)方法[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2014， 34（6）：19-26.

[9]? ，??? K. Environmental Adaptation of Concrete Environmental Impact of Concrete and Asphalt Pavements[R]. Technical Research Center of Finland. Research Notes 1752， 1996.

[10]潘美萍.基于 LCA 的高速公路能耗與碳排放計(jì)算方法研究與應(yīng)用[D].廣州：華南理工大學(xué) ， 2011.

[11]李肖燕.基于 LCA 的水泥路面與瀝青路面環(huán)境影響評(píng)價(jià)[D].南京：東南大學(xué) ， 2015.

[12]吳廣文 ， 魏高飛 ， 仰建崗.瀝青路面就地?zé)嵩偕┕ぜ夹g(shù)能耗與碳排放計(jì)算[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版）， 2018，12：39-42.

[13]吳爽.基于 LCA 的熱拌與溫拌瀝青路面環(huán)境影響評(píng)價(jià)[D].南京：東南大學(xué) ， 2015.

[14]ISO International Standard 14040. Environmental Management-Life Cycle Assessment-Principles and Framework. International Organization for Standard Organization （ISO）， 2006.

基金項(xiàng)目：上海市青年科技英才揚(yáng)帆計(jì)劃資助項(xiàng)目（20YF1431900）