ECC路面面層的生命周期評(píng)價(jià)和成本分析

熊曉立,楊政險(xiǎn),羅盛洋,林佳福,董世林

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院先進(jìn)土木工程材料福建省高校研究中心,福州 350108)

0 引 言

全球變暖是人類(lèi)面臨的最復(fù)雜的環(huán)境挑戰(zhàn)之一,從19世紀(jì)中旬到21世紀(jì)初,地球表面溫度上升了1.09 ℃[1]。在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上,中國(guó)正式提出了在2030年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”,在2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)[2]?；炷潦且环N高耗能高污染的脆性材料,具有開(kāi)裂后耐久性差和水泥含量高的缺點(diǎn)。水泥制造是一個(gè)高碳排放的行業(yè),其碳排放量占全球二氧化碳排放量的5%～8%。據(jù)報(bào)道,在2022年,我國(guó)水泥產(chǎn)量為21.3億噸[3]。因此,為了實(shí)現(xiàn)建筑和道路行業(yè)的“碳中和”,必須減少水泥的使用。其中一種方法是引入輔助膠凝材料(supplementary cementitious materials, SCM)來(lái)替代水泥,包括粉煤灰(fly ash, FA)、?；郀t礦渣(ground granulated blast furnace slag, GGBFS)、硅灰以及偏高嶺土等[4-5]。另外,混凝土結(jié)構(gòu)和路面(剛性路面)由于易開(kāi)裂和抗拉強(qiáng)度低,存在著耐久性差的問(wèn)題。為此,Li[6]發(fā)明了超高延性水泥基復(fù)合材料(engineered cementitious composites, ECC)。ECC的平均裂縫寬度低于60 μm,在拉伸應(yīng)力下的應(yīng)變能力超過(guò)2%[7]。圖1展示了ECC在拉應(yīng)力作用下的應(yīng)變硬化行為和微裂縫開(kāi)展模式。在首次開(kāi)裂后,隨著應(yīng)變?cè)黾?應(yīng)力逐漸恢復(fù)并超過(guò)了開(kāi)裂應(yīng)力,超過(guò)纖維橋接能力后,應(yīng)力開(kāi)始單調(diào)下降[8]。

圖1 ECC的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.1 Typical stress-strain curve of ECC

ECC的原材料主要包括水泥、SCM、水、石英砂(silicon-sand, SCS)、纖維、高效減水劑(superplasticizer, SP)和增稠劑(hydroxypropyl methylcellulose, HPMC)。值得注意的是,ECC一般不含粗骨料(coarse aggregate, CA),并且含有較低的砂膠比,這些原因?qū)е翬CC的膠凝材料占比較高。在ECC中常用的纖維包括聚乙烯醇纖維(polyvinyl alcohol fiber, PVAF)、聚乙烯纖維(polyethylene fiber, PEF)、聚丙烯纖維(polypropylene fiber, PPF)和玄武巖纖維(basalt fiber, BF)。為降低水泥用量,Wang等[9]將大量的FA加入ECC中,發(fā)現(xiàn)制得的復(fù)合材料M45(FA-PVAF)能達(dá)到3%～4%的極限拉伸應(yīng)變和4.5 MPa以上的抗拉強(qiáng)度。Said等[10]測(cè)試了不同PEF含量對(duì)ECC抗彎能力和抗壓強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)摻入2%(體積分?jǐn)?shù))PEF的ECC(FA-PEF)的抗壓強(qiáng)度能達(dá)到47.53 MPa,四點(diǎn)抗彎強(qiáng)度為6.41 MPa,極限跨中撓度為49.95 mm。Chen等[11]制備了摻入GGBFS的ECC(GGBFS-PVAF),其中水泥替代量為60%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),GGBFS-PVAF在單軸拉伸試驗(yàn)中表現(xiàn)出了明顯的應(yīng)變硬化行為,抗拉強(qiáng)度為4.68 MPa,抗壓強(qiáng)度為56 MPa。?zkan等[12]研究了PVAF和BF復(fù)摻對(duì)ECC力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)含0.5%(體積分?jǐn)?shù))PVAF+1.5%(體積分?jǐn)?shù))BF的ECC(FA-PVAF-BF)在28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度和彎拉強(qiáng)度分別為50.0和6.8 MPa。Tan等[13]研究了含PPF的ECC(FA-PPF),發(fā)現(xiàn)PPF在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中起到橋接和耗能作用,有利于ECC的裂紋寬度控制和應(yīng)變硬化,其中含2%(體積分?jǐn)?shù))PPF的ECC在28 d的彎拉強(qiáng)度為7.5 MPa。

ECC路面雖然初期受環(huán)境影響較大,但是耐久性能優(yōu)異[14-15],在較長(zhǎng)的使用壽命內(nèi)可能實(shí)現(xiàn)比剛性混凝土路面更高的環(huán)保性。生命周期評(píng)價(jià)(life cycle assessment, LCA)是分析和評(píng)估產(chǎn)品整個(gè)生命周期內(nèi)對(duì)環(huán)境的影響,特別適用于對(duì)ECC進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)估。Qian等[16]對(duì)含F(xiàn)A的ECC和普通剛性混凝土路面面層進(jìn)行了使用壽命和環(huán)保性分析,發(fā)現(xiàn)與剛性混凝土面層相比,ECC面層厚度較小,且有更長(zhǎng)的使用壽命(40年),所以ECC面層的可持續(xù)性更高。根據(jù)Pranav等[17]的研究發(fā)現(xiàn),在整個(gè)生命周期中,相比于普通剛性混凝土面層,含有FA和金剛砂的ECC面層能夠節(jié)約1.99%的成本,同時(shí)降低約1.22%的電力消耗、11.57%的氣體排放以及1.04%的全球增溫潛勢(shì)(global warming potential, GWP)。Van den Heede等[18]對(duì)ECC制備的橋面鋪裝層的GWP進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)具有60年使用年限的ECC修復(fù)層與使用年限為25年的普通剛性混凝土橋面板相比,能夠減少約80%的GWP。

為進(jìn)一步量化ECC在道路領(lǐng)域的環(huán)保性,本研究基于上海市的城市次干道,使用SimaPro 9.0軟件,采用ReCiPe (2016)的評(píng)估方法,從GWP、人類(lèi)健康(human health)損害、生態(tài)系統(tǒng)(ecosystems)損害和資源(resources)損害幾個(gè)方面,對(duì)含不同SCM(FA和GGBFS)和不同纖維(PVAF、PEF、PPF和BF)的六種典型ECC路面面層進(jìn)行LCA,并用綜合單價(jià)法對(duì)ECC面層進(jìn)行成本分析。本研究旨在為ECC材料的評(píng)估和推廣提供參考。

1 目標(biāo)和范圍

1.1 系統(tǒng)邊界

本研究的系統(tǒng)邊界涵蓋了路面面層從原材料生產(chǎn)到維護(hù)階段的全過(guò)程,按生命周期階段可分為四個(gè)主要階段:原材料獲取階段、運(yùn)輸階段、施工階段和維護(hù)階段。雖然完整的“從搖籃到墳?zāi)埂钡腖CA通常還包括使用壽命終止階段,但是目前鮮有關(guān)于ECC路面的拆除和回收的報(bào)告。因此,使用壽命終止階段沒(méi)有被規(guī)劃到本研究的LCA范圍內(nèi)。值得注意的是,本文只研究路面面層,不涉及墊層、基層和其他道路附屬設(shè)施。表1為參照混凝土(C-REF)面層、參照ECC(ECC-REF)面層和五種典型混合ECC面層的配合比。根據(jù)《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 37—2012),用于建造中等交通等級(jí)路面面層的水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度應(yīng)分別不低于30和4.5 MPa,所選ECC材料均滿(mǎn)足這一要求。作為參照組,C-REF的配合比與滿(mǎn)足該標(biāo)準(zhǔn)的普通混凝土C30的配合比相同[17]。ECC-REF采用不含任何SCM的PVAF基ECC材料[19]。另外,剩下五種典型ECC面層(FA-PEF、FA-PVAF、GGBFS-PVAF、FA-PVAF-BF以及FA-PPF)所用ECC材料在引言部分均有介紹。

表1 參照混凝土和ECC路面面層的配合比Table 1 Mix proportion of C-REF and ECC pavement overlay

1.2 功能單元

本研究基于上海市城區(qū)內(nèi)的一條中等交通量的次干道(雙向四車(chē)道,道路設(shè)計(jì)速度為50 km/h),選用長(zhǎng)為1 km、寬為30 m的路面面層作為功能單元。Qian等[16]通過(guò)有限元分析和疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)ECC面層的厚度為65 mm時(shí),其使用壽命可達(dá)40年。雖然普通混凝土路面面層的設(shè)計(jì)年限為20年(CJJ 37—2012),為了對(duì)ECC路面面層進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià),選擇兩種面層的使用壽命均為40年。這意味著在第20年左右,普通混凝土面層需進(jìn)行重建。根據(jù)《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 169—2012)對(duì)中等交通量的次干道水泥混凝土面層厚度的要求,本文選擇C-REF厚度為210 mm。對(duì)于ECC路面面層的厚度尚無(wú)相關(guān)規(guī)范,根據(jù)Smith等[20]的研究,無(wú)筋混凝土路面面層的最小厚度不應(yīng)小于100 mm。因此,本研究假定ECC面層的厚度為100 mm。路面的設(shè)計(jì)橫截面如圖2所示,其中路基為黏土土質(zhì)。墊層和基層都符合CJJ 37—2012的要求,其設(shè)計(jì)和分析過(guò)程超出了本研究的范圍,這里不再討論。

圖2 兩類(lèi)路面的橫截面Fig.2 Cross section of two types of pavement

2 生命周期清單分析

2.1 原材料獲取階段

Ecoinvent 3數(shù)據(jù)庫(kù)中已經(jīng)存在幾種原材料的數(shù)據(jù),包括水泥(cement)、?；郀t礦渣(GGBFS)、石英砂(SCS)、河沙(river sand, RS)、粗骨料(CA)、水(water)、高效減水劑(SP)、增稠劑(HPMC)以及聚丙烯纖維(PPF)。比利時(shí)水泥聯(lián)合會(huì)發(fā)布的含有粉煤灰的復(fù)合水泥的環(huán)境產(chǎn)品聲明(EPDs)中顯示FA的制備沒(méi)有上游環(huán)境影響[19]。據(jù)報(bào)道,制備1 t FA需要大約9.3 kWh[21]的電力。此外,假定發(fā)電廠和工廠之間的運(yùn)輸距離為10 km。聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA)顆粒的制備過(guò)程包括乙烯酯的聚合和酯化反應(yīng)。Jungbluth等[22]為PVA顆粒進(jìn)行了非常詳細(xì)的生命周期清單分析(life cycle inventory analysis),將PVA顆粒熔化,并進(jìn)行濕法紡絲,可以得到PVAF。Akbar等[21]收集了有關(guān)用PVA顆粒制備PVAF的數(shù)據(jù)。BF是一種用熔化的玄武巖生產(chǎn)的纖維,其生產(chǎn)過(guò)程與玻璃纖維的生產(chǎn)過(guò)程相似。Akbar等[21]從玻璃纖維的生產(chǎn)中推衍出生產(chǎn)BF的清單。本研究對(duì)各個(gè)原材料數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總整理,得到了各ECC路面和C-REF的原材料清單,結(jié)果如表2所示。

表2 原材料獲取階段的清單Table 2 Inventory of raw material acquisition stage

2.2 運(yùn)輸與施工階段

考慮到大部分原材料來(lái)自上海本地的工廠,將卡車(chē)作為主要的運(yùn)輸工具。根據(jù)百度地圖估算了生產(chǎn)工廠和施工現(xiàn)場(chǎng)之間的距離,每種原材料的平均運(yùn)輸距離為100 km。運(yùn)輸階段的清單見(jiàn)表3。施工階段的工作量包括使用攪拌車(chē)將混凝土從攪拌站運(yùn)輸?shù)焦さ?以及混凝土澆筑設(shè)備的操作,但不包括人工勞動(dòng)和施工機(jī)械的運(yùn)輸。攤鋪過(guò)程中,振動(dòng)壓實(shí)是必要的。與普通混凝土面層需要用切縫機(jī)切割不同,ECC面層可以直接鋪設(shè)。對(duì)于面層施工過(guò)程中所涉及的各種機(jī)械以及所需班次,可以參考《公路工程預(yù)算定額(上、下冊(cè))》(JTG/T 3832—2018)。此外,參考《公路工程機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額》(JTG/T 3833—2018)提供的每種機(jī)械的能耗信息,得到了施工階段消耗的柴油和電力的清單,如表4所示。其他種類(lèi)的ECC面層在運(yùn)輸階段的清單與ECC-REF相同。

表3 卡車(chē)運(yùn)輸清單Table 3 Inventory of transportation by truck

表4 施工階段的清單Table 4 Inventory of construction stage

2.3 維護(hù)階段

在C-REF和ECC面層達(dá)到特定的損壞指數(shù)后,需對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的維修。Qian等[16]的有限元模擬結(jié)果顯示(見(jiàn)圖3),在40年的跨度內(nèi),普通剛性混凝土面層需要重建一次,并維修兩次,而ECC面層只需要修理一次。因此設(shè)定C-REF在第11年和第33年需要進(jìn)行維修,在第22年需要進(jìn)行重建。普通混凝土面層的維修方法參照文獻(xiàn)[23],采用組合式水泥混凝土加鋪,對(duì)面層表面進(jìn)行打磨和噴砂處理,然后涂上一層環(huán)氧樹(shù)脂黏結(jié)劑,再在上面鋪上一層24 mm的C30混凝土。而重建方法即先對(duì)混凝土面層進(jìn)行拆除,再進(jìn)行重建。C-REF拆除的工作量參照李肖燕[24]的研究,拆除所用的機(jī)械為破路機(jī)和機(jī)動(dòng)空壓機(jī)。假定這六種ECC路面具有相同的耐久性能,只需在第23年時(shí)進(jìn)行修理。ECC-REF的修理方法參考了文獻(xiàn)[25],即先對(duì)ECC面層進(jìn)行人工碾壓清理,然后用灌縫機(jī)對(duì)ECC面層的裂縫進(jìn)行環(huán)氧樹(shù)脂填充。假設(shè)ECC面層每5 m有一個(gè)橫向接縫,每條車(chē)道有一個(gè)縱向接縫,每100 m的裂縫處理需要25 kg的環(huán)氧樹(shù)脂來(lái)填充。表5總結(jié)了維修階段的LCI。其他種類(lèi)的ECC面層在維護(hù)階段的清單與ECC-REF相同。

表5 維護(hù)階段的清單Table 5 Inventory of maintenance stage

圖3 普通剛性混凝土和ECC面層的時(shí)間線、損壞指數(shù)和維修時(shí)間表[16]Fig.3 Timeline, distress index and maintenance schedule for normal rigid concrete and ECC overlay[16]

3 生命周期影響評(píng)價(jià)

在生命周期影響評(píng)價(jià)(life cycle impact assessment, LCIA)階段,本研究運(yùn)用的方法為ReCiPe,其基本模型框架如圖4所示。ReCiPe在生命周期清單分析中包括22種中點(diǎn)影響(包括GWP)和3種終點(diǎn)損害。其中終點(diǎn)損害包括人類(lèi)健康(human health)損害、生態(tài)系統(tǒng)(ecosystems)損害和資源(resources)損害。人類(lèi)健康損害的單位是傷殘調(diào)整壽命年(disability adjusted life years, DALYs),它是指從發(fā)病到死亡所損害的全部健康壽命年。生態(tài)系統(tǒng)損害的單位是生物種群的潛在減少值(loss of species in a year, species.year),表明在單位年內(nèi)特定區(qū)域內(nèi)的物種損害。此外,資源損害以美元貨幣($)為單位[26]。ReCiPe的精髓在于它能夠通過(guò)一個(gè)端點(diǎn)特征模型將中點(diǎn)影響和終點(diǎn)損害聯(lián)系起來(lái)。通過(guò)使用一組終點(diǎn)損害因子,將中點(diǎn)影響結(jié)果轉(zhuǎn)換為終點(diǎn)損害結(jié)果。具體轉(zhuǎn)換過(guò)程如式(1)所示[27]。

圖4 ReCiPe方法的模型Fig.4 Model of ReCiPe method

(1)

3.1 ReCiPe中點(diǎn)影響評(píng)價(jià)結(jié)果

增暖潛勢(shì)(global warming potential, GWP)是ReCiPe方法中最重要的中點(diǎn)影響評(píng)價(jià)之一。GWP以單位CO2排放量作為基準(zhǔn)值,其他溫室氣體換算成CO2eq。圖5展示了原材料獲取階段的GWP評(píng)價(jià)結(jié)果。在原材料獲取階段,ECC-REF的GWP最高,達(dá)到了3.3 kt CO2eq,明顯高于C-REF的GWP(2.2 kt CO2eq)。含輔助膠凝材料和環(huán)保纖維的混合ECC的GWP較低,特別是FA-PPF所產(chǎn)生的GWP(1.7 kt CO2eq),其只占C-REF的GWP的77.3%。另外在膠凝材料方面,水泥的GWP的占比在所有路面面層原材料中都是最高的。特別是對(duì)于C-REF,水泥的GWP占到了全部原材料GWP的92.3%。而在ECC-REF中,水泥的GWP也占到了70%。另外SCM的加入大幅降低了膠凝材料GWP的占比。在含SCM的ECC中,膠凝材料的GWP在56.7%～84.4%。在纖維方面,四種纖維所產(chǎn)生的GWP的關(guān)系是PVAF>PEF>PPF>BF,特別是PPF和BF所產(chǎn)生的GWP的占比很小,只占FA-PPF和FA-PVAF-BF的GWP的10.9%和4.3%。

圖5 參照混凝土和ECC面層在原材料獲取階段的全球增溫潛勢(shì)Fig.5 GWP of C-REF and ECC overlay at raw material acquisition stage

圖6展示了生命周期的C-REF和ECC面層的GWP評(píng)價(jià)結(jié)果。值得注意的是,由于C-REF在第22年需要重建(見(jiàn)圖3),這使得其產(chǎn)生的GWP在40年的使用壽命內(nèi)翻倍,最終遠(yuǎn)大于各ECC面層。研究還發(fā)現(xiàn),不管是C-REF,還是各ECC面層,其原材料獲取階段所產(chǎn)生的GWP都遠(yuǎn)大于其他階段。這一點(diǎn)和查蓉昕[24]的研究結(jié)果相似。因此,為降低參照混凝土和ECC面層的碳排放量,關(guān)鍵是要采用更環(huán)保的原材料。和ECC-REF相比,輔助膠凝材料和環(huán)保纖維(PPF和BF)的摻入使得混合ECC的GWP大幅下降。FA-PEF、FA-PVAF、GGBFS-PVAF、FA-PVAF-BF和FA-PPF在40年的使用壽命內(nèi)的GWP分別為2.80、2.64、2.56、2.09和1.79 kt CO2eq,僅為C-REF GWP的49.3%、46.5%、45.1%、36.8%和31.5%。這說(shuō)明在長(zhǎng)壽命路面領(lǐng)域,混合ECC材料具有良好的碳減排優(yōu)勢(shì)。

圖6 參照混凝土和ECC面層在生命周期內(nèi)的全球增溫潛勢(shì)Fig.6 GWP of C-REF and ECC overlay within life cycle

3.2 ReCiPe終點(diǎn)損害評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2.1 原材料獲取階段

對(duì)SimaPro 9.0中ReCiPe方法的終點(diǎn)損害評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(見(jiàn)式(1)),得到了不同面層的各項(xiàng)環(huán)境損害值,結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?在人體健康、生態(tài)系統(tǒng)和資源損害方面,ECC-REF的損害都是最高的,分別是C-REF的1.61倍、1.60倍以及3.08倍,這主要是因?yàn)閾饺肓舜罅克嗪蚉VAF。類(lèi)似于GWP的結(jié)果,當(dāng)加入SCM和環(huán)保纖維(PPF和BF)后,各終點(diǎn)損害分?jǐn)?shù)開(kāi)始下降,特別是FA-PVAF-BF和FA-PPF,最終其在人體健康和生態(tài)系統(tǒng)損害方面優(yōu)于C-REF,而在資源損害方面和C-REF相當(dāng)。

另外,在人體健康和生態(tài)系統(tǒng)方面,水泥的環(huán)境損害是最高的,占到了86%以上,其次是PVAF。Radwan等[28]的研究也指出,在原材料階段水泥的環(huán)境損害最為嚴(yán)重。在資源方面,PVAF的環(huán)境損害是最高的,其次是水泥。PVAF在資源方面的高損害主要是因?yàn)槠渖a(chǎn)需要大量使用不可再生資源,如天然氣和柴油。相比于PVAF和PEF,BF和PPF是環(huán)境損害較小的環(huán)保纖維。值得注意的是,ECC面層材料中僅水泥和PVAF環(huán)境損害之和就占到了全部原材料的90%以上。所以為了降低環(huán)境損害,必須限制ECC材料的水泥和PVAF用量。

3.2.2 生命周期

表6展示了特征化和歸一化處理后的全階段C-REF和ECC路面面層的終點(diǎn)損害。ECC高耐久性為其環(huán)保性帶來(lái)了巨大優(yōu)勢(shì),如超長(zhǎng)的使用年限和較低的維護(hù)頻率,這使得ECC面層在生命周期內(nèi)的環(huán)境影響遠(yuǎn)低于C-REF。具體而言,ECC-REF在人體健康、生態(tài)系統(tǒng)和資源方面的環(huán)境損害分別只占到C-REF的62.1%、61.9%和58.0%。由于SCM和環(huán)保纖維的加入,混合ECC面層在全階段范圍內(nèi)的各項(xiàng)終點(diǎn)損害比ECC-REF低,特別是FA-PPF,其各方面的損害幾乎只占到ECC-REF的二分之一。此外,FA-PVAF對(duì)人體健康、生態(tài)系統(tǒng)和資源方面的環(huán)境損害分別占C-REF的49.0%、48.7%、51.8%,GGBFS-PVAF對(duì)人體健康、生態(tài)系統(tǒng)和資源方面的環(huán)境損害分別占C-REF的51.3%、48.7%、52.5%,這表明FA和GGBFS在長(zhǎng)期內(nèi)的環(huán)保性表現(xiàn)相似。另外,在纖維的環(huán)保性方面,對(duì)比FA-PVAF-BF、FA-PPF、FA-PEF、FA-PVAF可以看出,BF的環(huán)保性最優(yōu),而PVAF的環(huán)保性最差。纖維長(zhǎng)期環(huán)保性的具體優(yōu)劣順序?yàn)锽F>PPF>PEF>PVAF。

表6 參照混凝土和ECC面層在生命周期內(nèi)的終點(diǎn)損害Table 6 End point damage of C-REF and ECC overlay within life cycle

為進(jìn)一步降低生命周期的環(huán)境損害,未來(lái)研究仍需從ECC材料微觀力學(xué)理論入手,通過(guò)復(fù)摻SCM減少水泥用量,控制基體的斷裂韌性以及改善其纖維與基體間黏結(jié),從而更有效地限制裂縫的擴(kuò)展,進(jìn)一步提高其耐久性,延長(zhǎng)ECC面層的使用壽命。此外,也要利用多尺度復(fù)摻的原理,盡量提升環(huán)保性表現(xiàn)好的BF和PPF摻量,減少PEF和PVAF的使用。

4 成本分析

經(jīng)過(guò)對(duì)上海周邊市場(chǎng)和工廠的調(diào)研,得到截至2023年各原材料的價(jià)格,匯總結(jié)果如表7所示。另外,上海本地的貨運(yùn)價(jià)格為800/t。本文采用綜合單價(jià)法對(duì)各ECC面層的造價(jià)進(jìn)行了分析,結(jié)果如表8所示。值得注意的是FA-PEF在原材料階段的價(jià)格最高,甚至是C-REF的兩倍,這主要是因?yàn)镻EF單價(jià)過(guò)高(見(jiàn)表7),另外,三種高PVAF摻量的ECC(ECC-REF、FA-PVAF和GGBFS-PVAF)的原材料價(jià)格與C-REF相比也不占優(yōu)勢(shì)。而FA-PVAF-BF和FA-PPF的原材料價(jià)格遠(yuǎn)低于C-REF,分別只占其原材料成本的69.2%和24.2%?？梢?jiàn)降低ECC面層成本的關(guān)鍵是選用低成本的纖維。另外,在40年的使用壽命內(nèi),C-REF的重建使其成本幾乎翻了一倍。相反,不同的ECC面層因其超長(zhǎng)的使用壽命均體現(xiàn)出明顯的成本優(yōu)勢(shì),ECC面層在生命周期內(nèi)的成本只占C-REF的9.6%～63.1%。

表7 參照混凝土和ECC面層的原材料市場(chǎng)價(jià)格Table 7 Market price of raw materials for C-REF and ECC overlay

表8 參照混凝土和ECC面層的成本比較Table 8 Cost comparison of C-REF and ECC overlay

5 結(jié) 論

1)各ECC面層和C30混凝土面層的環(huán)境影響都集中在原材料獲取階段。在此階段,ECC-REF的GWP是C-REF的1.5倍。高水泥和高PVAF含量是ECC-REF GWP高的主要原因,水泥和PVAF的GWP之和占原材料獲取階段GWP的94.8%。由于PEF對(duì)GWP的影響小于PVAF,FA-PEF的GWP與ECC-REF相比減少了19%。此外,粉煤灰、礦渣、PPF和BF的加入能大幅降低ECC面層的GWP,特別是FA-PVAF-BF和FA-PPF,其GWP分別只占ECC-REF的60.6%和51.5%。終點(diǎn)損害評(píng)價(jià)結(jié)果表現(xiàn)出和GWP結(jié)果相似的規(guī)律。

2)在生命周期內(nèi)(40年使用壽命),由于ECC路面具有維護(hù)率低的優(yōu)點(diǎn),各ECC面層的GWP和終點(diǎn)損害都遠(yuǎn)小于C-REF。其中,ECC-REF面層的GWP只占C-REF的60.6%,人類(lèi)健康、生態(tài)系統(tǒng)和資源損害分別只占C-REF的62.1%、61.9%、58.0%。在成本方面,雖然ECC面層在短期內(nèi)不占優(yōu)勢(shì),但在后期由于其超長(zhǎng)的使用壽命而體現(xiàn)出明顯的成本優(yōu)勢(shì),各ECC面層在生命周期內(nèi)的成本只占C-REF的9.6%～63.1%。

3)從長(zhǎng)期來(lái)看,在路面面層領(lǐng)域ECC材料是一種比普通混凝土更綠色和經(jīng)濟(jì)的材料。在雙碳政策的背景下,ECC材料值得大力推廣。