蘇麗娜

（河北省高速公路京石改擴(kuò)建籌建處，河北 石家莊071051）

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類對(duì)環(huán)境資源的依賴與需求與日俱增，經(jīng)濟(jì)發(fā)展所帶來的環(huán)境惡化與資源缺乏問題日趨嚴(yán)峻。據(jù)統(tǒng)計(jì)，如果按照目前的消耗方式和水平，到2500 年地球上的所有主要的工業(yè)燃料將被消耗殆盡[1]。

因此，越來越多的國(guó)家開始通過各種創(chuàng)新及變革來協(xié)調(diào)人類與自然間的關(guān)系，探索環(huán)境保護(hù)的途徑與方法。節(jié)能與減排并列成為當(dāng)今世界能源研究的重點(diǎn)方向。

了解、掌握和評(píng)價(jià)建筑材料全壽命周期內(nèi)能源消耗和碳排放是開展建筑節(jié)能減排技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用的前提基礎(chǔ)。近些年，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者開展了一系列的研究并取得了豐碩成果。國(guó)外對(duì)于壽命周期評(píng)價(jià)的研究開展的比較早，文獻(xiàn)[2]介紹了近年來國(guó)外學(xué)者對(duì)于生命周期評(píng)價(jià)的相關(guān)研究及應(yīng)用。然而，目前就國(guó)內(nèi)而言，相關(guān)研究起步較晚，特別是對(duì)于作為資源高度集中的高速公路系統(tǒng)的壽命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)的研究還比較少，而對(duì)于高速公路改擴(kuò)建工程中的橋梁建設(shè)的能源消耗和排放系統(tǒng)評(píng)價(jià)的研究則更少。

本文是將壽命周期能耗和碳排放量評(píng)價(jià)的基本概念和理論框架運(yùn)用于高速公路橋梁改擴(kuò)建工程，以高性能混凝土為例，從原料物化階段、運(yùn)輸階段和現(xiàn)場(chǎng)施工階段對(duì)高速公路橋梁改擴(kuò)建的節(jié)能減排進(jìn)行探索性研究。

1 橋梁工程系統(tǒng)碳排放計(jì)算模型

進(jìn)行改擴(kuò)建橋梁的相關(guān)評(píng)價(jià)，首先要明確研究目標(biāo)。能耗-原材料橋梁改擴(kuò)建環(huán)境影響評(píng)價(jià)的主要目標(biāo)是確定橋梁改擴(kuò)建過程中對(duì)周圍環(huán)境碳排放所產(chǎn)生的影響。

從系統(tǒng)工程角度出發(fā)，橋梁在改擴(kuò)建過程中主要的碳排放來源為能源消耗和原材料物化兩類。其中，能源消耗包括原材料運(yùn)輸階段和橋梁現(xiàn)場(chǎng)施工階段；原材料制備則是原材料的原料開采、運(yùn)輸加工等工序。其中絕大部分碳排放來源于原材料物化階段。因此，能源消耗和原材料物化是研究碳排放的重點(diǎn)。而在改擴(kuò)建工程中，重點(diǎn)研究的是原材料物化、橋梁原料運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)施工兩個(gè)階段。

國(guó)內(nèi)龔志起[3]等人對(duì)水泥、鋼材的碳排放清單作過統(tǒng)計(jì)計(jì)算，而瀝青的碳排放清單來源于歐洲瀝青協(xié)會(huì)。表1列出了計(jì)算后每種原材料的溫室氣體排放系數(shù)。橋梁原材料生產(chǎn)加工階段的碳排放通過統(tǒng)計(jì)原材料使用量，結(jié)合表1 和公式（1）-（5）即可獲得。

表1 各種原材料的CO2排放系數(shù)（單位：kg/t）

式中：M為建筑材料的耗用量；i為建筑材料的種類；Ki為建筑材料i的溫室氣體的排放氣數(shù)。

式中：M為水泥用量；mwi為混凝土單位用水量；W C為對(duì)應(yīng)水膠比。

式中：M為石料和砂的用量；mcp為混凝土單位體積質(zhì)量，mwi為單位用水量，mci為水泥用量。

式中：m0為瀝青混凝土總質(zhì)量，ρ為油石比。

橋梁原料運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)施工階段溫室氣體排放主要來源于大型機(jī)械的使用及材料設(shè)備的運(yùn)輸，包含了固定燃燒源的碳排放。該過程的溫室氣體排放量與設(shè)備的工作效率以及所用的能源類型緊密相關(guān)。針對(duì)這部分碳排放，應(yīng)根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，對(duì)施工期內(nèi)所用設(shè)備耗用的能源類型及耗用量進(jìn)行詳盡地統(tǒng)計(jì)計(jì)算。橋梁原料運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)施工階段所排放的溫室氣體量可結(jié)合表2與公式（6）進(jìn)行計(jì)算。

式中：Ci為i類能源排放因子缺省值；N為機(jī)械臺(tái)班數(shù)；a為機(jī)械類別；P為能源類型為i的機(jī)械a；e為單位距離（km）單位質(zhì)量（t）的公路交通運(yùn)輸?shù)奶寂欧乓蜃樱ńy(tǒng)計(jì)施工過程所有運(yùn)輸活動(dòng)）；L為運(yùn)輸距離；m為運(yùn)輸物質(zhì)量；P為耗電量，G為電力平均碳排放系數(shù)。根據(jù)資料[4]可以得出每噸每公里公路運(yùn)輸?shù)奶寂欧乓蜃訛?3 770mg。同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)[5]，得到相關(guān)能源的排放因子缺省值。

表2 高速公路相關(guān)能源的排放清單

2 綠色高性能混凝土（GHPC）碳排放計(jì)算

混凝土是工程領(lǐng)域不可或缺的材料，綠色高性能混凝土（GHPC）更多地節(jié)約熟料水泥，降低能耗與環(huán)境污染，所摻加的細(xì)摻料以工業(yè)廢料為主，同時(shí)應(yīng)更大地發(fā)揮混凝土的高性能優(yōu)勢(shì)，減少水泥與混凝土的用量。

采用新技術(shù)的低碳高性能混凝土的水泥部分采用工業(yè)廢棄物替代，比如粉煤灰，礦渣。則每立方米混凝土的水泥用量減少至190 ～250 kg 之間，工業(yè)棄渣使用量達(dá)到190 ～210 kg，成分比例如圖1所示。

圖1 低碳高性能混凝土成分比例圖

摻入棄渣的混凝土經(jīng)過技術(shù)處理，能都充分達(dá)到普通高強(qiáng)C30、C40、C50 混凝土要求的各項(xiàng)指標(biāo)，而且棄渣的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于生產(chǎn)水泥的成本，最重要的是通過利用工業(yè)棄渣，減少了水泥的用量，既減少了環(huán)境保護(hù)的壓力，又節(jié)約了產(chǎn)能。

每立方米C30至C50混凝土減少水泥用量190～210kg，而生產(chǎn)水泥的石灰石在化合反應(yīng)中將會(huì)釋放大量CO2，不僅如此，生產(chǎn)水泥還將要消耗煤炭，電力等一系列不可再生能源。水泥工業(yè)是我國(guó)碳排放量的主要來源，因此降低水泥工業(yè)CO2排放是減排的重點(diǎn)之一。目前，普硅水泥的成本價(jià)格大約為450～500 元/t，而棄渣的成本大約為60～180 元/t，每立方米混凝土用棄渣0.19～0.21t，直接節(jié)省成本52～93元，此外，通常每生產(chǎn)1t水泥要排放1.2tCO2，折進(jìn)1m3混凝土為0.54tCO2，采用低碳高性能混凝土則約為0.3t，減排CO2數(shù)0.24t，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

圖2 普通混凝土與低碳高性能混凝土指標(biāo)對(duì)比圖

當(dāng)混凝土大規(guī)模應(yīng)用于高速公路建設(shè)時(shí)，其成效是十分可觀的。

3 實(shí)例應(yīng)用

以京石改擴(kuò)建工程沙河特大橋?yàn)槔?，進(jìn)行能耗和原材料碳排放計(jì)算，并分階段分析該橋橋梁排放情況，著重比較C30普通混凝土和C50普通混凝土在改用高性能混凝土后節(jié)能減排效果。該橋總長(zhǎng)1 081.0m，寬19.5×2m，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、樁基礎(chǔ)，橋面系使用瀝青混凝土完成。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋在高速公路中的應(yīng)用越來越普遍，因此選用沙河特大橋作為研究對(duì)象有很強(qiáng)的代表性。

經(jīng)沙河特大橋相關(guān)設(shè)計(jì)文件統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到主要工程數(shù)量如表3所示。

表3 沙河特大橋主要工程數(shù)量

由這些數(shù)據(jù)及表1 和公式（1）～（5）計(jì)算可得碳排放量為7.48×107kg。

而若是該工程的C30普通混凝土選用高性能混凝土，則原材料生產(chǎn)階段的碳排放將減少1.06×107kg/t。而若是該工程的C50普通混凝土選用高性能混凝土，則原材料生產(chǎn)階段的碳排放將減少2.64×106kg。全橋碳排放比較示意圖如圖3所示。

在基礎(chǔ)工程中，C30混凝土使用較多，在上部橋面系部位C50混凝土較多，圖4為兩類混凝土在使用高性能混凝土后的減排效果。

對(duì)沙河特大橋施工現(xiàn)場(chǎng)所用機(jī)械設(shè)備型號(hào)及數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)調(diào)查，所使用的燃料為柴油（見表4），結(jié)合表4和公式（2），可計(jì)算出運(yùn)輸原料以及施工階段碳排放為2.09×106kg。

圖3 全橋碳排放對(duì)比圖（單位：kg）

圖4 全橋碳排放對(duì)比圖（單位：kg）

表4 沙河特大橋主要施工設(shè)備機(jī)械臺(tái)班

根據(jù)研究目的，將原料物化階段，原料運(yùn)輸以及橋梁施工過程的碳排放進(jìn)行比較，如圖5所示。

4 結(jié)論

（1）在原材料物化階段，生產(chǎn)鋼材的碳排放量較大，故可通過減輕結(jié)構(gòu)自重以及增加預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的使用，減少鋼材用量來改善由于材料物化所帶來的溫室氣體排放量。

圖5 碳排放比例圖

（2）若使用高性能混凝土，則生產(chǎn)混凝土所產(chǎn)生的碳排放量將會(huì)大大減少，故可通過改良材料生產(chǎn)工藝過程，開發(fā)新型環(huán)保建筑材料來減少溫室氣體的排放量。

（3）在橋梁工程中，低強(qiáng)度普通混凝土較多，在改用高性能混凝土后減排效果比高強(qiáng)度混凝土替代效果明顯。因此在工藝允許情況下，首先考慮在低強(qiáng)度混凝土中應(yīng)用高性能混凝土達(dá)到減排預(yù)期效果。

（4）在兩個(gè)階段，超過90%的碳排放來源于原料物化階段。因此，通過改善原料生產(chǎn)工藝可以最大限度地達(dá)到減排效果。

（5）對(duì)于施工過程而言，碳排放量較少，主要考慮選用新工藝的節(jié)能材料來減低碳排放量。

[1] WU JUN. Research on Green Manufacturing- oriented Product Life Cycle Assessment and Key Technologies[D].Wuhan: HuaZhong University of Science and Technology,2004.

[2] ZAPATA P, GAMBATESE J A. Energy Consumption of Asphalt and Reinforced Concrete Pavement an Materials d Construction[J].Journal of Infrastructure Systems,2005,11(1):9-20.

[3] 龔志起.建筑材料壽命周期中物化環(huán)境狀況的定量評(píng)價(jià)研究[D].北京：清華大學(xué)，2004.

[4] 楊建新，徐成，王如松.產(chǎn)品壽命周期評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用[M].北京：氣象出版社，2002.

[5] JIM PENMAN,MICHAEL GYTARSKY, TAKA HIRAISHI, etc. 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories [M]. Miura, Kanagawa Prefecture: Japan′s Institute for Global Environmental Strategies, 2006: 14-30.