Simplified Environmental Study on Innovative Bridge Structure

The aim of this paper is to present a simplified life cycle assessment on an

innovative bridge structure, made of wood and ultra high performance concrete, which combines mechanical performance with minimum environmental impact.

The environmental analysis was conducted from cradle to grave using the Life Cycle Assessment method. It was restricted to energy release and greenhouse gas emissions. Assumptionsare detailed for each step of the analysis. For the wood endof-life, three scenarios were proposed: dumping, burning, and recycling. Results show that the most energy needed is in the production phase, which represents 73.4% of the totalamount. Analysis shows that the renewable energy is about 70% of the production energy. Wood, through its biomass CO₂,contributes positively to the environmental impact. It was concluded that no scenario can be the winner on both impacts.Indeed, the end-of-life wood recycling gives the best impacton CO₂ release, whereas burning wood, despite its remarkableenergy impact, is the worst. According to the emphasis given to each impact, designers will be able to choose one or the other.

1. Introduction

Nowadays, industry is more interested in reducing the environmental impact of its products as a consequence of global warming. Much research has been done in the residential sector comparing the environmental impact of various civil engineering structures.

The aim of this project is to bring elements that allow the owner and the constructor to make decisions regarding the new transportation infrastructure and the selection of materials. It is reasonable to assume that structural innovation may be developed in the future only after being environmentally assessed. Thus, in this paper, we studied a new structure that has also shown its structural potential(1, 2).

The study relates to 25m span bridge structures. The work studied supports a 10 m roadway with two lanes. The structure is suitable to mean span, given that bridges with span varying between 10 and 25m represent about 80% of the transportation infrastructure in Europe (3). This structure is inspired by that presented by Tanis et al. (2) for a 10 m span. The structure includes a 7cm thickness UHPC slab fastened on 14 wood beams of 1.2 m in height, 24 cm in width, separated by 51 cm of clear space.

Alife cycle assessment (LCA) of this type of bridge structure is carried out in order to evaluate the total environmental impact produced during the entire bridge life cycle, considering, according to ref 4, a typical service life duration (TLD) of the bridge of 100 years. In the whole analysis, we do not take into consideration the foundations and the fitting out of the structure, i.e., barriers, sidewalk, pavement, waterproofing material and so on. The functional unit considered is a 25 m span bridge deck supporting roads or motorways with medium flow rates of lorries, which corresponds to traffic category number 2, according to ref 5.We decided to limit our analysis to the total energy and the greenhouse gas emissions, the latter being indicated by the carbon dioxide equivalent.

In the first part of this article, we present data related to the materials used. The assumptions made and the limits of our study are also presented. In the final part, we present the results of our study related to the CO2 release and energy use throughout the whole life cycle of the structure. Different assumptions related to wood end-of-life and their consequences on the LCA are also presented.

1. LCA and Materials Data

2.1. Production Phase. The ISO standards 14040 (20) and ISO 14044 define LCA methodology which is used in the research and development (Ramp;D) sector. On the other hand, the ISO 14025 standard defines environmental product declaration (EPD), and gives more precise rules for different types of product. In France, a standard (NF P01 010 (21)) was put in place in December 2004; it defines methodological rules and indicators for EPDs in the building sector.

EPDs deal with a unit function that is a structural element with specified dimensions. In our project, we used the EPDs of the glulam girder (6), that of the concrete wall (7) and the LCI of engineering steel. LCI, life cycle inventory, is a phase of LCA including the compilation and the quantification of inputs and outputs for a given system of products in its entire life cycle.

According to the French EPD of the glulam girder (6), the unit function of wood is taken as a part of a beam of 0.28m³ in volume. Assuming that the data remain proportional to the volume, which is reasonable because the same industrial techniques are required, we extrapolated the production energy for a cubic meter of wood.

Extrapolating the data in the wood EPD for a unit function to one cubic meter, we obtain a quantity of -0.48 t of CO₂ released/m³ of wood and a total energy (T.E.) of 19 000 MJ/ m³ of wood.The total energy is composed of renewable energy and nonrenewable energy. The French EPD of the glulam girder considers that 62% of the renewable energy is due to photosynthesis, 34% comes from wood byproduct used for heating energy in sawmills, and 4% is the renewable part of electricity production (hydroelectricity and so on). Hence, the non renewable energy (N.R.E.) is only about 5500 MJ/m³ of wood.

UHPC is a high performance material, with a compressive strength of 150 MPa, which is 5 times greater than that of building concrete. This material contains engineering steel fibers, silica fume that is a byproduct of the silicon industry, cement, fine aggregates, a water reducing agent, and water. It requires 1000 kg cement/m³, whereas building concrete requires only 350 kg cement/m³. There are no environm

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创新桥梁结构的简化环境研究

本文的目的是结合机械性能与最小的环境影响提出一的个针对木材和超高性能混凝土创新的桥梁结构简化的生命周期评估方法。

环境分析是从摇篮到坟墓的进行的生命周期评估方法。它被限制在能源释放和温室气体排放。假设做了详细分析的每一步。对于木材结束生命，提出三个方面：倾倒、焚烧，并回收。结果表明，大部分所需要的能量是在生产阶段，占了总量的73.4%。分析表明，可再生能源占生产能源的70%左右。木材，通过其生物量的二氧化碳，对环境作出积极的贡献。得出的结论是没有在任何方面都取得最优效果的可能。的确，废旧木材回收利用对CO₂的释放提供了最佳的影响，然而燃烧木头，尽管其影响效果显著，但却是最糟糕的。基于对每一个影响的重点分析，设计师可能够选择一个或另一个。

1. 简介

现在，因为全球变暖的后果，工业更感兴趣的是减少其产品的环境影响。在住宅区对各种土木工程结构的环境影响的研究已经完成了。

这个项目的目的是为了让业主和建造者关于新的运输基础设施和材料的选择做出决定提供依据。这是合理的推断，在环境评估后结构创新可能会在未来取得发展。因此，在本文中我们研究了一个新的结构，也显示了它的结构潜力（1，2）。

这项研究涉及25米跨度桥梁结构。研究的工作，支持10米的巷道与双车道。该结构是合适的平均跨度，考虑到欧洲交通基础设施给定的桥梁跨度在10和25米之间的约占80%（3）。这种结构的灵感源于坦尼斯等人（2）为10米跨度桥提出的。该结构包括一个7cm厚板紧固在14块高1.2米，宽24厘米，相隔51厘米电池UHPC梁上。

根据参考文献4，一个典型的服务寿命（TLD）100年的桥，为了对该类桥梁结构进行再整个桥梁生命周期总的环境影响的考虑评估提出了生命周期评价（LCA）。在整体分析中，我们不考虑结构的基础和结构，即障碍、人行道、路面、防水材料等。该功能单元是一个跨度25米的桥面支撑公路或高速公路的卡车中的流量，相当于流量2类，根据编号5。我们决定把我们的分析限制在总的能源和温室气体排放，后者由二氧化碳当量表示。

在本文的第一部分，我们提出相关的材料使用。我们的研究同时提出的假设和限制。在最后一部分中，我们提出了我们的关于二氧化碳释放和能源使用在整个生命周期中的结构的研究结果。也提出与LCA相关的关于木材报废及其后果的不同假设。

2.ACL数据和材料

2.1.生产阶段。国际标准ISO 14040（20）和ISO14044定义的LCA方法用于研究与发展（R＆D）部门。另一方面，ISO 14025标准定义了环境产品声明（EPD），并给出了不同类型的产品更精确的规则。在法国，一个标准（NFP010（21））也将在2004年十二月定义建筑业的EPDS规则和指标。

EPDS处理单元的功能是规定结构元件的尺寸。在我们的项目中，我们使用的胶合梁EPDS（6）混凝土墙（7）和钢制工程清单。LCI生命周期清单，是一个阶段的LCA包括汇编和一个给定的产品在其整个生命周期中的输入和输出的量化。

根据环保署一单元功能一立方米的数据外推，我们获得大量-0.48 T的二氧化碳/立方米木材和总能量（TE）19 000 MJ/m³木材。总的能量是由可再生能源和不可再生能源组成。法国环保署的对于胶合梁认为，可再生能源的62%是由于光合作用，34%来自木材副产品用于锯木厂加热能源，4%是电力生产的可再生能源部分（水电等）。因此，非可再生能源（n.r.e.）只有5500 MJ/m³木材。

超高性能混凝土是一种高性能的材料，抗压强度为150 MPa，是建筑混凝土的5倍。这种材料包含工程钢纤维，硅灰，是硅工业的副产品，水泥，细骨料，减水剂，水。它需要1000公斤水泥/立方米，而建筑混凝土仅需350公斤水泥/立方米。在这个新材料上没有环境数据，所以我们在计算的基础上的做了各部分贡献的组件的总和如下所示。

表1.其组成部分的贡献（每立方米的UHPC）

从源头到混合工厂.

表2.收集的数据对能源和CO₂释放试验成分与混合

我们认为一个相距400公里的骨料采石场和搅拌厂和相距500公里之间的水泥厂和搅拌厂。对于纤维和硅灰运输估计也为500公里。工厂里应该有水。由于减水剂使用为少量（8公斤干／m³ UHPC），稍后我们将看到，我们可以忽略它的影响（表1）。

根据材料的特殊性设置了距离的假设。例如UHPC是由高性能石英砂制备，这在欧洲的一些地区是可用的。同样，只有几个法国水泥厂达到所需的材料的电阻要求。

每立方米的超高性能混凝土是由水泥1000公斤、水200公斤、250公斤的硅灰，750公斤集料和195公斤的纤维混合而成。在混合阶段，认为15 MJ/m³的能源和二氧化碳排放量为70克/吨（或大于10倍C₄₀ / ₄₅）（从LCPC南特内部资料）。因此CO₂总释放量约1107公斤的二氧化碳/立方米的UHPC和生产的总能量约为8229焦耳/立方米的超高性能混凝土。详细计算见表1。

数据的骨料，水泥，工程钢，和减水剂与这些材料的生产如表2所示。工程用钢的数据LCI来自国际钢铁协会IISI（19）。他们认为40%钢被回收。数据来自内部研究与减水剂的SIKA数据2005。由于硅粉是硅工业的副产品，我们认为它的影响是由于其运输到UHPC搅拌设备产生的。

关于水泥，Gartner（8）认为CO₂释放和所有水泥类生产能源为美国平均水平。他给出了一个每吨能量为4.2 GJ ，CO₂释放815公斤的熟料。下表中给出的值来自法国水泥业；因为我们处理的纯波特兰水泥CEM I与它们接近，但略高于Gartner.

数据的胶水用来连接混凝土板胶合木梁，取SIKA产业。能源消耗是45.5 GJ/m³的胶水和CO₂释放为10600公斤/立方米的胶。

2.2.运输阶段。这一阶段需要到现场从工厂的木头横梁和UHPC板运输的思考。交通能源是一个关于距离的函数，不同于一个材料到另一个，从这些材料和运输工具的可用性讲。例如，木材和钢材一般都是经过长距离的运输，而普通混凝土通常是靠近工作地点的。UHPC材料运输距离不过通常多大于普通混凝土，正如最近法国UHPC桥梁施工观测那样（例如扩大鲁昂桥）。

在法国标准FD P 01-015（9）基于ISO 14040-14044系列计算出交通运输阶段的能量。它再现了LCI在法国和欧洲的数据能量以及交通能源和指定数据的使用规则。

从一种运输方式到另一种运输方式的运输能量差别很大。接近0.11kJ /公里公斤船，0.7kJ /公里公斤卡车，和0.1kJ /公里公斤铁路。对于道路运输，可按给定的公式估算某产品的运输与燃料的消耗量。下面，给出了一辆卡车需要装载24吨时的柴油燃料的量，每100公里消耗38升柴油。这一消费量约为3/2，38升为空卡车。根据FD P 01-015代码（9），认为30%的卡车空车返回他们的出发点。因此，消耗的柴油燃料的量与运输产品的数量关系式是；产品（吨）和运输距离（公里）的总数量关系，以及由卡车运输的实际负载，包括包装和托盘（吨）的总重量。

因此，能量以柴油机净热值计算为（NCV）42000 MJ / T.

另一方面，我们认为一辆卡车释放的二氧化碳是成比例的，其消耗的比例是2.7公斤的二氧化碳/升标准燃料（10）。我们考虑的UHPC 300公里的运输距离和木材木，根据法国土厂的分布。

2.3.施工阶段。这种结构的特殊性和优点在于它是轻到可以放置在一个高容量的起重机上。这是提出的创新的解决方案。一般情况下，桥梁是建立在现场的脚手架上，这需要几个月。因此，建设阶段预期的影响是全球评估的最低的解决方案。

这座桥的装配是在360平方米（相对于桥的尺寸）临时厂房附近的工作地点完成的。事实上，一个加热的隧道温室是适合这种工作的由于其轻和易于装配的原因。粘贴操作UHPC板木梁在零上20度进行；为此，需要使用由发电机组供电发电机。据法国环境与能源管理局（ADEME）数据（11），我们认为能量损失的平均值是300千瓦时/平方米年。于是5天装配需要5.3 GJ总能量。

Liebherr构造函数的移动式起重机电梯运行数据（12）。500千瓦功率的起重机（LTM 1500-8.1模型必须要把重量接近100吨的桥面拉到位。这个模型是在五个独立卡车上分别完成的。它在法国并不普遍，因此，我们认为一个约400公里的运输距离，需要消耗912升的天然气。能量和二氧化碳是根据第2.2段详细的方法计算的。起重机运输的能源量是45 GJ。桥面竖立一天（6小时）。安装大约需要10.8 GJ能量。总共，施工阶段需要61.1 GJ能量。

对于起重机和发电机的平均有效功率为42%，柴油组42000 mJ / T，比重0.845。因此，二氧化碳释放，0.96吨是发电机，1.95吨是甲板安装，2.46吨是起重机运输。总的建设阶段释放5.37吨二氧化碳。

2.4.维护阶段。因为我们正在处理一个创新的结构，没有任何数据可供其参考。唯一的解决办法似乎是通过在生命周期中更换的材料的数量来计其影响。这一总量不存在于文献中。然而，我们认为2个主要材料，其中的甲板上，假设甲板元件可以单独更换。

第一，UHPC是一个超耐用的材料。我们假设，它是预期寿命100年不需要维护的桥梁。为了证明这一假设，值得一提的是，UHPC的孔隙率小于2%和空气渗透率小于1times;10^-20 m²（13），这是远低于那些由baroghel bouny非常高耐久性混凝土的（14）。事实上，baroghel bouny从低到高给出了五类“潜在”混凝土耐久性评估。法国土木工程协会AFGC批准她的假设。高的一类对应混凝土孔隙水之6%

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