摘要

本案例研究的目的是评估民用基础设施中使用的三种表面处理方法对环境的影响：喷砂，喷水和干冰清洗。该研究基于桥梁修复项目，该项目进行了钢筋混凝土墩盖的表面处理。该评估考虑了四个响应变量：二氧化碳（CO2）排放，燃料消耗，能源消耗和项目工期。结果表明，在喷砂和水清洗过程中，施工现场附近车辆交通产生的CO2排放是造成环境污染的主要因素。不利。然而，CO2从干冰升华贡献更翻译成80％和64％CO2比喷砂和水清洗，分别。与喷砂和喷水相比，干冰清洗使项目工期最短，燃料消耗分别减少了7.6％和13％。

工业清洗技术

关键字：干冰清洗机，二氧化碳，案例研究，混凝土结构，建筑材料，排放，环境问题，生命周期，修复，可持续发展，表面处理，清洗

简介

在许多工程应用中，混凝土和其他结构材料的表面处理是一项至关重要的任务，通常使用砂砾介质（例如沙子或高速推进的水）来完成。砂喷砂已在工业设置中被常规用于从复杂的除去腐蚀等化学残留物机械部件（斯特拉特福），而水的清洗或水力清洗已被用于去除油漆和涂料（Teimourian等人，）。在民用基础设施中，喷砂和喷水已被用于从诸如混凝土，钢铁和木材等基材中清除积聚的有机物和其他碎屑。实现清洁和均匀的基材是应用专用涂料和修补材料的重要先决条件。

喷砂会产生振动，产生很大的噪音，并产生废水云，其中包括灰尘，废砂和从基材上脱落的有机物。此外，沙粒还可以作为载体来运输污染物，例如铅基油漆残留物。

尽管喷砂由于其简单性而一直是主要的操作方法，但副产物被认为对现场人员有安全隐患，并且对周围环境有害。喷水已成为一种主要实践，并且在减少粉尘暴露方面是有利的，特别是对于包含铅基涂料或二氧化硅基涂料的表面而言。但是，污染物可能会被雾化和吸入（Rosenberg等等）。为了防止环境污染和保护现场工作人员的健康，喷砂和喷水都必须包括严格控制，谨慎处理，严格控制废水的收集，收集和处理。

图1：干冰清洗系统示意图图2：干冰清洗系统中CO2释放到大气中

为了避免许多与喷砂和喷水相关的问题，可以将冷冻的二氧化碳（干冰）颗粒用作喷砂介质（图1）。这种方法通常称为干冰清洗或冷冻清洗，由洛克希德公司（Strathe）开发。

干冰清洗将作为除尘和去除油漆的替代方法，以克服与喷沙相关的问题。所述碎片和所述基板是由三个独特事件破之间键：干冰丸粒的动能，微热冲击通过的低温诱导-79C（-F），以及随之而来的压力波（Stratford;Spuretal。）。使用干冰代替沙子或水的主要优点是，撞击后，颗粒立即升华（从固体变成气体），除除去污染物外几乎不产生废物。因此，除非环境条件允许，否则遏制措施（例如与喷砂和喷水有关的措施）不再是必不可少的。颗粒的升华还允许在复杂的空腔和结构接缝中进行表面处理，这些情况通常会捕获喷砂介质。

从可持续性的角度来看，干冰清洗的一个明显缺点是故意将CO2释放到大气中（图2）。干冰清洗的典型覆盖率（0.28m2/min）约为喷砂（0.79m2/min）的三分之一（；Foster），与喷水的覆盖率相似（0.14m）2/min），由设备制造商和文献报道。

但是，使用干冰进行表面处理的总时间可能比使用沙子或水要短，因为需要浪费在大多数情况下，可以消除围堵。项目工期的减少还减少了与现场施工设备和交通拥堵相关的CO2排放。因此，假设与喷砂或喷水相比，干冰清洗可提供更高程度的可持续性。

为了验证该假设，本案例研究通过量化CO2排放和燃料消耗这两个关键指标的环境影响，比较了干冰清洗，喷砂和水清洗对环境的影响。评估考虑了从施工过渡区开始的环境资源的承诺，直到在美国罗德岛进行的桥梁维修项目的最终处置（施工活动结束）为止。该分析包括（1）基线研究以识别对环境影响最大的变量，以及（2）敏感性分析以检查在基线研究中识别出的那些关键变量的变化。

方法

为了比较这些过程，本案例研究分析了在美国罗得岛州南金斯敦进行的桥梁维修项目。修复工作包括将纤维增强聚合物（FRP）覆盖层应用到支撑SilverSpringCove桥路面板的钢筋混凝土墩盖上。墩帽的基材需要适当的清洁和表面磨损（喷水），以使母材基材和复合材料覆盖层之间紧密接触（ACI）。干冰和喷砂在异地进行以进行比较。

环境评估包括三个主要步骤：目标定义和范围界定，清单编制和解释。目标定义和范围界定包括定义项目目标，所需信息的类型，使用/重复使用/维护，回收/废物管理协议以及标识材料。清单需要制定数据收集计划，收集数据以及评估和记录结果。解释步骤包括确定感兴趣的问题，评估数据的完整性，敏感性和一致性，并得出结论和建议。

此环境评估不是生命周期评估（LCA），生命周期清单（LCI）或生命周期影响评估（LCIA）。一个生命周期评估包括从地球上的原材料提取开始到整个使用期的过程，直到材料返回地球（结束）。该LCI用于量化能源和其他排放在生命周期的过程中。LCIA用于评估对人类健康和环境的潜在影响。

2.1目标和范围定义

案例研究的目的是确定每种表面处理方法（干冰清洗，喷砂或喷水）在哪种条件下在CO2排放，燃料和能源消耗以及项目工期方面表现更好。

研究范围

范围是确定最环保（具有等效的机械效率）的基材准备和清洁系统。功能单元是盐池路桥修复项目。

系统边界

该研究涵盖了这三个系统的实施过程，并测量了从项目开始到结束，从施工阶段到填埋场或废水处理厂的清洗介质最终处置所需的能源和CO2排放。

假设条件

基线研究的假设基于设备规格，收集的现场数据以及基于作者经验的近似值。这些包括：

在施工区附近，强制将车速降低64至32km∕h（40至20mph）会造成交通拥堵，从而增加燃料消耗和CO2排放量。

为了实现相同程度的表面清洁（侵蚀性），干冰清洗和水清洗分别比喷砂（4.45min/m2）需要更长的停留时间（8.97min/m2）和（7.18min/m2）。;的等效清洗覆盖率为0.11米2/分钟，0.14米2/分钟和0.22米2/分钟，分别。

每个墩盖长约15.5m（50.8ft），表面积为72.4m2（ft2），并支撑七个预应力混凝土梁。该桥由两条独立的车道组成-一个用于北行，另一个用于南行。两个墩盖在设计上都相同。

一条2车道的主干道通过了桥下并与桥柱平行。在指定的建筑区域内进行的修复活动使0.5公里（0.31英里）的道路上的车速（拥堵）从64kmh降至32kmh（40mph至20mph），降低了50％。

主动脉的平均每日交通流量为4,车/车道/天。这是基于联邦公路管理局（FHWA）在年收集的交通数据。

每个工作日允许进行8个小时的工作；因此，速度和交通拥堵的减少影响了每日交通的三分之一，即1,车/车道/天。

对于每升汽油（19.6lbgal），每升L的汽油释放约2.35kg的CO2气体。

额外0.kg的的CO2每公里（0.释放磅每辆车/英里）对于前述的在减速。对于0.5公里（0.英里）的路段，这等于0.千克（0.磅）。

所有表面处理方法均使用相同容量的类似建筑设备（柴油发电机和空气压缩机）。柴油耗油量为2.27L∕h（0.60gal∕h）（DieselService＆SupplyInc.）。

每个系统的每个墩盖需要搭建和拆除脚手架2.3天（RSMeans）。

材料（爆炸介质）从施工过渡区的运输方式和行进距离是相同的，没有考虑到CO2排放，燃料或能源消耗或项目工期。

假定废物副产品到垃圾填埋场或废水处理厂的行进距离可以忽略不计。尽管喷砂和喷水产生了更多的废物，但是所有方法产生的废物都以相同的距离运到其最终位置（垃圾填埋场或废水处理厂）。

干冰清洗的特定假设包括：

干冰清洗设备每小时消耗千克（磅）干冰（TOOICE突驰）。

清洗（或覆盖）速率为0.13m2/min（1.4ft2/min），这是根据作者的实际测量得出的。

估计喷砂设备将消耗约0.兆瓦·小时的能量（TOOICE突驰）。

与喷砂有关的假设包括：

除了脚手架，还沿着脚手架的周边建造了封闭的封闭区域，以容纳爆炸介质和尘埃云。每个墩盖的安装和拆卸每个需要0.39天（RSMeans）。

清洗过程中的覆盖率是0.22m2/min（2.4ft2/min），这是根据作者的实际测量得出的。

喷砂装置中消耗0MW能量。该设备使用气压运行，不需要额外的能量。

特定于水清洗的假设包括：

喷水装置每小时耗水千克（磅）（美国喷气机公司，年）。

清洗（或覆盖）速率为0.14m2/min（1.5ft2/min）（Schmid）。

喷丸设备估计为消耗大约1.60MW能量（OJHotryk的）。

2.2库存分析

干冰清洗过程的系统流程包括撞击时升华颗粒和释放到大气中的CO2气体。从基板脱落的污染物被运送到其最终位置（垃圾填埋场）。

喷砂过程的系统流程始于使用压缩空气将沙子推向基材，然后在使用后收集废物和沙子的混合物。废物被运送到最终位置进行处置。

喷水工艺的系统流程始于使用压缩空气将水清洗到基板上，并在使用后收集流下的污染物和水的混合物。废物被运送到最终位置进行处置。

对于每个系统，环境影响都分为几个项目阶段（或来源）：站点设置和解构，设备操作（使用），车辆流量，介质升华和过程废物的处置。更具体地说：

现场设置和拆除包括脚手架的安装和分解，围堵措施的设置和拆除以及杂物的拆除。

设备来源包括在实际喷砂清理混凝土表面期间设备的燃料消耗和CO2排放。由于喷砂的侵略性（去除具有指定厚度的混凝土层的能力）取决于喷砂介质的磨料特性，因此覆盖率（或保压时间）发生了变化。

由于该项目，车辆交通来源包括车辆交通产生的额外CO2排放。

介质升华源仅适用于干冰清洗系统，包括介质升华产生的总CO2排放量。

处置或工艺废物阶段包括废物的收集和运输到垃圾填埋场。

2.3影响评估

影响因素包括项目工期，CO2排放以及燃料和能源消耗。发现具有较小价值的喷砂工艺被认为对环境的影响最小。表1和表2分别显示了项目阶段的CO2排放量和能耗。

讨论与解释

3.1基线案例研究

项目工期

表1有助于对基线研究项目的工期进行等效比较。不管采用哪种喷砂介质，支架的设置和拆除总共需要9.4天。使用干冰的实际表面准备（喷砂）时间为10.8小时，而喷砂的实际喷砂时间为5.42小时和8.66小时。由于干冰清洗的时间几乎是喷砂的两倍，因此看来喷砂是更快的方法。但是，可以通过比较方法的总体项目工期来证明这种误解。喷砂需要12.2天，干冰需要11.0天天，喷水需要12.8天。

比较干冰和沙子，相差1.2天，对于使用干冰的场景，时间减少了10.4％。节省大量时间的原因是组合设置和取消密闭措施所需的1.6天，这对于干冰清洗来说是不必要的。由于干冰升华，与喷砂相比，整个项目工期减少了10.4％，与喷水相比减少了14.3％。这减少时间转化为减少交通延迟，因此，较少的CO2从车辆排放流量。

CO2排放

如表中所示1，干冰喷砂场景产生57.7kg的的CO2从安装和设备阶段kg的的CO2从车辆交通，和二千○七十七kg的的CO2直接从用干冰（升华），用于清洗总计公斤。喷砂项目在安装和设备阶段产生了28.9kg的CO2，并且从车辆交通中产生了1,kg的CO2，总共产生了1,kg。

喷水工程产生了46.2千克的CO2在设置和设备阶段，一千一百二十九千克的CO2从车辆交通，总共的一千一百七十六公斤。因此，喷砂比干冰清洗少了1,公斤，比喷水少了65公斤。这分别减少了64.2％和5.5％。喷砂过程中减少的CO2大部分来自喷砂持续时间。砂喷砂清理率约为两倍率干冰清洗或喷水这样可以有一个清洁时间更快，喷砂时间更短。如表1所示，在喷砂和喷水场景中，车辆流量占CO2排放总量的最大比例（干冰喷砂为31.2％，喷砂为97.4％，喷水为96.0％）。由于爆炸持续时间主要控制着总的CO2排放，因此通过干冰升华释放的CO2相当重要。

能源消耗

表2中的能耗分析从系统范围的角度考虑了能耗，其中包括来自车辆交通的贡献。能耗干冰清洗为20.7兆瓦清洗期间，和0.22MW处置（总共21.0MW）。喷砂和水清洗，能耗为比得上处置阶段（0.22干冰的MW）。然而，（砂）清洗阶段消耗22.9MW，比干冰消耗的能量多10.5％。对于水清洗，清洗阶段消耗25.6MW，这是更23.6％的能量比用于干冰。能源消耗的差异是由于项目工期较长，从而增加了喷砂和喷水系统的车辆通行量。

另外，设备级的喷砂设备增加了水清洗系统的总能耗。在所消耗的总能量的观点出发，干冰方案中使用21.0MW而喷砂方案中使用23.1MW和水清洗方案中使用的25.8万千瓦^h。当使用干冰清洗过程时，这些差异相当于减少了10.0％和23.2％的能量。

燃油消耗

不出所料，由于拥堵导致的车速降低增加了每辆车的燃油消耗。对于所有系统，假设增加量为每辆车0.L的燃油，如表1所示。在该项目期间，干冰清洗系统中的车辆额外消耗了升燃油，而喷沙系统的交通消耗了8.2％（总计升），而喷水情景消耗了14.4％（总计升）。

图3：方案1的灵敏度分析：跟踪车道数量图4：方案2的敏感性分析：日流量的变化

3.2灵敏度分析

基线研究的结果表明，对环境影响最大的变量来自交通中断。为了进一步检查此变量的敏感性，评估了两种情况：

场景1：行车线数量从0变到8（图3）。

方案2：每日平均流量从0到12,辆/车道变化（图4）。

方案1

交通车道的数量从0到8个车道不等，尽管平均日流量保持在4,辆/车道。零行车线对应的是没有通过道路的桥梁。因此，车辆交通不会受到影响。对于这些桥梁，交通干扰对环境的影响已消除，干冰升华的影响变得更加明显和显着。为了证明这种效果，请考虑图3中零车道的CO2排放。干冰清洗释放了2,公斤，而喷砂和水清洗则释放了2公斤。清洗微不足道。当车道数量增加到1时，喷砂和喷水方法贡献的CO2量几乎相等（kg）。

尽管随着车道数量的增加而略有不同（8个车道的流量约为4％），并且喷水贡献了更多的CO2，但这种趋势仍在继续。因此，如果交通不受施工影响或行车道的数量限制为1条，则喷砂和喷水释放的CO2较少。干冰清洗持续贡献更多的CO2而不是喷砂或喷水。这归因于通过升华额外释放的CO2。不管行车道的数量如何，喷水和喷砂的燃料消耗始终大于干冰清洗的燃料消耗。但是，差异很小（8条车道仅占10％）。这是预期的，因为建筑设备以恒定的速度消耗了燃料。总体项目工期较长的清洗方法将消耗更多的燃料。

方案2

为了检查环境影响对交通量变化的敏感性，平均每日交通流量在0到12,辆/车道之间变化（图4）。车辆/车道的最小值0对应于未跨越其他道路的桥梁。在这种情况下，交通流大致分为4车道，低流量/农村干线或8车道，高流量/城市干线或州际公路（FHWA）。图4表明，在日流量低于6,车/车道的情况下，喷砂和喷水释放的CO2比干冰喷发的少。

结论与建议

本研究报告中的分析根据实际的桥梁修复项目比较了喷砂，喷水和干冰清洗对环境的影响。对于特定的项目条件和假设，针对基线研究得出以下结论：

由于干冰清洗过程不需要采取围堵措施，因此其持续时间比喷沙的持续时间短了1.2天（9.8％），比喷水的持续时间短了1.8天（14％）。

干冰清洗过程允许通过升华直接释放CO2。它比喷砂方案释放的CO2多80％，比喷水方案多释放64％。

干冰清洗的燃料消耗比喷砂的燃料消耗低7.6％，比喷水的燃料消耗低13％。

在材料获取和处置阶段，所有过程消耗的能量相当，尽管干冰清洗所需的能量比喷水要少19％，而喷砂所需的能量比喷水（清洁）阶段要少10％。

由于与交通有关的CO2排放和燃料消耗占环境损害的大部分，因此两个响应变量对交通量的变化最为敏感。当在敏感性分析中进行探索时，结果得出以下结论：

随着行车道数量或车辆流量的减少，干冰升华产生的CO2排放变得更加明显，并占了该项目总CO2排放的主导。

随着行车道数量或车辆流量的增加，干冰清洗方法产生的燃料消耗始终较低。在8条车道和12,辆车/车道/天的情况下，干冰清洗比喷水低10％，而比喷砂低7％。

考虑到排放的CO2量，使用喷砂的表面处理方法可能是最环保的选择。如果项目工期，燃料和能源消耗以及碎屑量很重要，那么干冰清洗方法可能是更好的选择。在预计会有严重交通中断的城市项目中，使用喷砂进行表面处理可能是更好的选择。尽管干冰清洗确实会产生更多的二氧化碳排放，但它可能是在脆弱生态系统附近或难以使用封闭措施的桥梁上使用的首选替代方法。实行。喷水似乎是干冰和喷砂处理之间的合适中间选择。当然，这个假设结构修复要求，可使用指定的可实现清洗媒体。进一步的分析和研究可能涵盖经济因素和统计差异。

参考资料

ACI().GuidefortheDesignandConstructionofExternallyBondedFRPsystemsforstrengtheningconcretestructures

AmericanConcreteInstitute(ACI),FarmingtonHills,Michigan,UnitedStates.

ASTME().StandardGuideforSelectionofCleaningTechniquesforMasonry,Concrete,andStuccoSurfaces.ASTMInternational,Pennsylvania,UnitedStates.

Barth,M.andBoriboonsomsin,K.().“Real-worldco2impactsoftrafficcongestion.”ProceedingsoftheTransportationResearchBoard-87thAnnualMeeting,Washington,DistrictofColumbia,UnitedStates.

CodeofFederalRegulations().ProtectionofEnvironment.40CFR.CodeofFederalRegulations,Washington,DistrictofColumbia,UnitedStates.

TOOICE突驰科技().ROIEstimator.

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