柴明明,李 明,齊桂才,王 騰
(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400074;2.江西贛粵高速公路股份有限公司九景高速公路管理處,江西 九江 332000;3.上饒市公路管理局婺源分局,江西 上饒 333200)
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就地?zé)嵩偕鸀r青路面建設(shè)期碳排放分析
柴明明1,李明2,齊桂才3,王騰1
(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶400074;2.江西贛粵高速公路股份有限公司九景高速公路管理處,江西九江332000;3.上饒市公路管理局婺源分局,江西上饒333200)
為分析就地?zé)嵩偕鸀r青路面建設(shè)期產(chǎn)生的碳排放,采用生命周期分析方法,將建設(shè)期劃分為材料生產(chǎn)和路面施工兩個階段,根據(jù)碳排放系數(shù)與活動數(shù)據(jù)相乘原理建立碳排放模型。結(jié)合工程實(shí)例計算路面建設(shè)期的碳排放,量化不同新料摻比、舊料運(yùn)距及利用率下的碳排放,對比分析4種路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)的碳排放強(qiáng)度。結(jié)果表明:材料生產(chǎn)和路面施工階段碳排放占比20%和80%;就地?zé)嵩偕铝蠐奖忍岣?%,碳排放增加2%;舊料利用率100%的廠拌熱再生與就地?zé)嵩偕寂欧畔嗟葧r的舊料運(yùn)距為42km,只有舊料運(yùn)距高于42km時,就地?zé)嵩偕寂欧挪疟葟S拌熱再生少,當(dāng)舊料利用率低于75%時,無論舊料運(yùn)距長短,就地?zé)嵩偕寂欧哦急葟S拌熱再生少;與就地?zé)嵩偕啾龋⒈硖?、超薄罩面和銑刨重鋪碳排放?qiáng)度增幅分別為53%,72%和79%。
環(huán)境工程;碳排放;生命周期分析;就地?zé)嵩偕鸀r青路面
目前,全球性能源緊張及氣候變化已成為社會普遍關(guān)注的重大問題,節(jié)能減排已成為國際社會的共同責(zé)任。我國“十二五”期間道路建設(shè)瀝青混合料的年需求量超過1億t,CO2年排放量達(dá)到450萬t[1],隨著道路大范圍的進(jìn)入維修期,傳統(tǒng)的銑刨重鋪方法會造成大量材料廢棄、環(huán)境污染、碳排放量急劇增加。2020年全國公路路面舊料循環(huán)利用率要達(dá)到90%以上[2],近年來新興路面維修養(yǎng)護(hù)工藝如就地?zé)嵩偕夹g(shù)可100%回收利用原瀝青路面舊料,此技術(shù)可在提高資源利用率的同時減少碳排放。
國內(nèi)外主要采用生命周期分析方法(LCA)開展道路碳排放的量化分析研究,基于LCA和DarrellCass[3]等研究了一條州際干線公路大修工程中材料生產(chǎn)、運(yùn)輸和機(jī)械施工的能耗及環(huán)境影響;QaziAurangzeb[4]等分析了舊瀝青混合料含量對環(huán)境的影響,包括能量消耗和溫室氣體的排放;尚春靜[5]等研究了高速公路水泥混凝土路面在建筑材料生產(chǎn)、建造、養(yǎng)護(hù)和拆除廢棄4個階段能耗和排放;王賢衛(wèi)[6]等研究了高速公路建設(shè)過程中路基、路面、橋涵和隧道工程在材料生產(chǎn)、材料運(yùn)輸和機(jī)械施工3個階段的CO2排放。這些研究主要集中在新建道路的碳排放,針對就地?zé)嵩偕鸀r青路面建設(shè)期的碳排放并無具體研究。
本文采用生命周期分析方法,采取碳排放系數(shù)與活動數(shù)據(jù)相乘原理,建立就地?zé)嵩偕鸀r青路面建設(shè)期碳排放計算模型,結(jié)合工程實(shí)例計算路面建設(shè)期碳排放,量化不同新料摻比、不同舊料運(yùn)距及利用率下的碳排放,對比分析4種常用高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)的碳排放。
基于生命周期分析法,就地?zé)嵩偕鸀r青路面的建設(shè)期界定為材料生產(chǎn)和路面施工兩階段,見圖1,建設(shè)期碳排放的計算模型包括兩階段的碳排放總和。
(1)
(2)
(3)
式中,P,Pcl,Psg分別為就地?zé)嵩偕鸀r青路面建設(shè)期、材料生產(chǎn)階段、路面施工階段碳排放量;mi為原材料的使用量;si為原材料的碳排放系數(shù);i為各種原材料;n為原材料種類數(shù);mj為加熱路面的總量;ΔT為路面升高的溫度;p為加熱機(jī)碳排放系數(shù);xj,ms為施工機(jī)械活動數(shù)據(jù);vj,fs為施工機(jī)械碳排放系數(shù);j,s為各路面施工機(jī)械;t,u為施工機(jī)械種類數(shù)。
圖1 就地?zé)嵩偕鸀r青路面建設(shè)過程劃分Fig.1 Division of hot in-place recycling asphalt pavement construction process
結(jié)合某高速公路就地?zé)嵩偕鸀r青路面試驗(yàn)路工程,通過分析碳排放系數(shù)和活動數(shù)據(jù),計算路面建設(shè)期的碳排放。
2.1碳排放系數(shù)
通過各能源缺省排放因子[7]和凈發(fā)熱值[8],考慮目前我國的發(fā)電情況[9],結(jié)合CO2,CH4,N2O的全球變暖潛值,得到以CO2為計算代表的能源的碳排放系數(shù):柴油3.171kg/kg,汽油2.996kg/kg,重油3.247kg/kg,電能0.785kg/(kW·h)。
查閱相關(guān)文獻(xiàn)[10-15]得到建設(shè)期各過程的能源消耗量,結(jié)合能源的碳排放系數(shù),計算得到各過程碳排放系數(shù)見表1。
2.2活動數(shù)據(jù)
就地?zé)嵩偕鸀r青路面試驗(yàn)路工程完成路面實(shí)體1 210.64m3,再生后路面密度2.475t/m3,新料摻比10%,新料瀝青含量5.1%,瀝青、集料、混合料運(yùn)距分別為70,27,45km。再生設(shè)備為鞍山森遠(yuǎn)集團(tuán)的SY4500再生機(jī)組(3臺加熱機(jī)、1臺銑刨機(jī)和1臺復(fù)拌機(jī)),攤鋪機(jī)使用的是4.5m以內(nèi)的攤鋪機(jī),光輪壓路機(jī)和振動壓路機(jī)使用的是15t以內(nèi)、輪胎壓路機(jī)為16~20t。
表1 就地?zé)嵩偕ㄔO(shè)期各過程碳排放系數(shù)Tab.1 Carbon emission coefficients of hot in-place recyclingasphalt pavement construction at different stages
3.1就地?zé)嵩偕鸀r青路面建設(shè)期碳排放分析
由圖2可知,就地?zé)嵩偕鸀r青路面試驗(yàn)路工程材料生產(chǎn)和路面施工階段產(chǎn)生碳排放占建設(shè)期總排放的20%和80%,路面施工階段是就地?zé)嵩偕鸀r青路面建設(shè)期碳排放的主要組成部分。材料生產(chǎn)階段的碳排放主要集中在原材料的生產(chǎn)和混合料的拌和,碳排放占比39%和41%;路面施工階段的碳排放主要來源于就地?zé)嵩偕O(shè)備(加熱機(jī)、銑刨機(jī)、復(fù)拌機(jī)),碳排放占比90%,其中加熱機(jī)產(chǎn)生碳排放占比66%。從碳排放角度來看,需選用高效節(jié)能的就地?zé)嵩偕鷻C(jī)組。
圖2 就地?zé)嵩偕鸀r青路面建設(shè)期碳排放Fig.2 Carbon emission of hot in-place recycling asphalt pavement construction
3.2不同新料摻比下碳排放分析
就地?zé)嵩偕夹g(shù)可以實(shí)現(xiàn)舊料的100%利用,但新料的摻量卻根據(jù)工程而定,不同新料摻比下1 000m3路面實(shí)體產(chǎn)生的碳排放見圖3,可知新料摻比為15%,10%,5%時碳排放分別為63 153,56 601,50 688kg,碳排放增長率與新料摻比呈線性正相關(guān),新料摻比提高1%,碳排放增加2%。
圖3 就地?zé)嵩偕鸀r青路面不同新料摻比下的碳排放Fig.3 Carbon emission of hot in-place recycling asphalt pavement with different new material ratios
3.3不同舊料運(yùn)距及利用率下的碳排放分析
廠拌熱再生碳排放隨舊料運(yùn)距增大而逐漸增加,就地?zé)嵩偕窃诂F(xiàn)場100%利用舊料,碳排放保持不變。1t舊料不同運(yùn)距及利用率下產(chǎn)生的碳排放見圖4,就地?zé)嵩偕a(chǎn)生碳排放20kg。
圖4 舊料不同運(yùn)距及利用率下的碳排放Fig.4 Carbon emission with different old material haul distances and utilization rates
(1)舊料利用率100%的廠拌熱再生在舊料運(yùn)距為0時產(chǎn)生碳排放10kg,當(dāng)運(yùn)距為42km時,廠拌和就地?zé)嵩偕a(chǎn)生碳排放相等。從碳排放環(huán)保角度出發(fā),只有當(dāng)運(yùn)距大于42km時,就地?zé)嵩偕庞袃?yōu)勢。
(2)舊料運(yùn)距為0時,舊料利用率為70%,80%,90%的廠拌熱再生產(chǎn)生碳排放為22,18,14kg,碳排放增長量與舊料利用率呈線性負(fù)相關(guān),利用率減少10%,碳排放增加4kg,采用內(nèi)插法,得到舊料利用率為75%的廠拌熱再生產(chǎn)生碳排放為20kg,和就地?zé)嵩偕a(chǎn)生碳排放相等。故舊料利用率低于75%時,無論運(yùn)距長短,就地?zé)嵩偕葟S拌熱再生更具有減排優(yōu)勢。
3.4不同養(yǎng)護(hù)技術(shù)碳排放對比分析
選取3種常用高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)行碳排放對比分析,分別是銑刨重鋪技術(shù)、超薄罩面技術(shù)和微表處技術(shù),分析設(shè)定:
(1)銑刨重鋪技術(shù),工程量1 210.64m3,新料2 996.33t,瀝青含量4.8%,粘層油用量0.464kg/m3,運(yùn)距115km。銑刨機(jī)采用維特根2 000,舊料運(yùn)距11km,預(yù)計使用壽命4a。
(2)超薄罩面技術(shù),采用NovaChip?Type-B級配,工程量605.32m3,新料1 498.17t,瀝青含量5.0%,粘層油用量0.8kg/m2。罩面機(jī)械為中交西筑ZT600型專用攤鋪機(jī),預(yù)計使用壽命4a。
(3)微表處技術(shù),采用MS-3級配,工程量272.39m3,礦料用量18kg/m2,其他材料用量為瀝青:填料(水泥)∶水∶礦料=7.2∶1.5∶10∶100,施工機(jī)械為河南高遠(yuǎn)HGY5311TXJ微表處攤鋪車,預(yù)計使用壽命3a。
就地?zé)嵩偕访娴念A(yù)計使用壽命為3a,4種常用高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)的碳排放強(qiáng)度見圖5,就地?zé)嵩偕奶寂欧艔?qiáng)度為19kg/(m3·a),為4種技術(shù)最少,其次是微表處、超薄罩面,產(chǎn)生碳排放最多的是銑刨重鋪。微表處、超薄罩面和銑刨重鋪技術(shù)碳排放強(qiáng)度增幅分別為53%,72%和79%。
圖5 4種養(yǎng)護(hù)技術(shù)碳排放強(qiáng)度Fig.5 Carbon emission of 4 maintenance technologies
銑刨重鋪、超薄罩面和微表處建設(shè)期的碳排放主要來源于材料生產(chǎn)階段,與就地?zé)嵩偕喾?,主要原因是就地?zé)嵩偕俜职倮寐访媾f料,減少了原材料的生產(chǎn)和運(yùn)輸。
本文就地?zé)嵩偕鸀r青路面建設(shè)期劃分為材料生產(chǎn)和路面施工兩個階段,采用LCA方法,建立了碳排放計算模型,結(jié)合工程實(shí)例計算了建設(shè)期的碳排放,主要結(jié)論如下:
(1)案例計算結(jié)果顯示,材料生產(chǎn)和路面施工階段產(chǎn)生的碳排放分別占建設(shè)期總碳排放的20%和80%,路面施工階段的碳排放主要來源于就地?zé)嵩偕O(shè)備尤其是加熱機(jī),材料生產(chǎn)階段的碳排放主要來自原材料的生產(chǎn)和混合料的拌和。
(2)就地?zé)嵩偕夹g(shù)碳排放增長率與新料摻比呈線性正相關(guān),新料摻比每提高1%,碳排放增加2%。
(3)就地?zé)嵩偕夹g(shù)利用1t舊料產(chǎn)生碳排放20kg。舊料100%利用的廠拌熱再生與就地?zé)嵩偕寂欧畔嗟葧r的舊料臨界運(yùn)距為42km,當(dāng)舊料運(yùn)距高于42km時,就地?zé)嵩偕葟S拌熱再生才有優(yōu)勢。隨著舊料利用率減少,臨界運(yùn)距隨著縮短,舊料75%利用的廠拌熱再生臨界運(yùn)距減少為0km,無論運(yùn)距長短,就地?zé)嵩偕葟S拌熱再生有優(yōu)勢。
(4)路面建設(shè)期碳排放強(qiáng)度:就地?zé)嵩偕?微表處<超薄罩面<銑刨重鋪。就地?zé)嵩偕寂欧艔?qiáng)度為19kg/(m3·a),微表處、超薄罩面和銑刨重鋪技術(shù)碳排放增幅分別為53%,72%和79%。
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Analysis of Carbon Emission during Hot In-place Recycling Asphalt Pavement Construction
CHAI Ming-ming1,LI Ming2,QI Gui-cai3,WANG Teng1
(1.SchoolofCivilEngineering,ChongqingJiaotomgUniversity,Chongqing400074,China;2.JiujiangExpresswayAdministrationofJiangxiGanyueExpresswayCo.,Ltd.,JiujiangJiangxi332000,China;3.WuyuanBranchofShangraoHighwayAdministration,ShangraoJiangxi,333200,China)
Toanalysethecarbonemissionofhotin-placerecyclingasphaltpavementduringconstructionperiod,theconstructionperiodisdividedintomaterialproductionandpavementconstructionbyusingthelifecycleanalysismethod,andthecarbonemissionmodelisestablishedaccordingtothemultiplicationprincipleofcarbonemissioncoefficientandactivitydata.Combiningtheengineeringexample,thecarbonemissionofpavementconstructioniscalculated,thecarbonemissionwithdifferentnewmaterialratios,differentrecycledmaterialhauldistancesandutilizationratesofrecyclingasphaltmixturearequantified,andthecarbonemissionof4pavementmaintenancetechnologiesarecompared.Theresultshowsthat(1)carbonemissionofmaterialproductionandpavementconstructionaccountfor20%and80%respectively; (2)carbonemissionincreasesby2%withtheincreasesofhotin-placerecyclingnewmaterialratioby1%; (3)whenhotmixplantrecyclingwith100%utilizationrateofrecycledasphaltmixtureproducestheequalcarbonemissionwithhotin-placerecycling,recycledasphaltmixturehauldistanceis42km,onlywhenthehauldistanceisover42km,thecarbonemissionofhotin-placerecyclingislessthanthatofhotmixplantrecycling,whentheutilizationrateofrecycledasphaltmixtureislowerthan75%,thecarbonemissionofhotin-placerecyclingisalwayslessthanthatofhotmixplantrecyclingnomatterhowlongthehauldistanceis; (4)comparedwithhotin-placerecycling,theincreaseamplitudesofcarbonemissionaboutmicrosurfacing,ultra-thinoverlayandmillandresurfaceasphaltpavementis53%,72%and79%respectively.
environmentengineering;carbonemission;lifecycleanalysis;hotin-placerecyclingasphaltpavement
2016-05-24
重慶市科學(xué)技術(shù)委員會科技項目(cstc2015jcs30001); 江西省交通科技項目(2015B0050);重慶市交通委員會科技項目(2015JDH-0174);重慶市研究生科研創(chuàng)新項目(CYB14089)
柴明明(1993-),女,河北衡水人,碩士研究生.(CMMTGMH@163.com)
10.3969/j.issn.1002-0268.2016.10.023
X734
A
1002-0268(2016)10-0148-05