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)

?

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

0　引言

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。

1　就地?zé)嵩偕ㄔO(shè)期碳排放計算模型

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

2　工程實(shí)例

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　工程實(shí)例碳排放分析

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。

4　結(jié)論

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%。

[1]吳軍偉. 道路工程碳排放量計算與分析模型的發(fā)展與應(yīng)用[J]. 城市道橋與防洪，2011(7)：248-250，274，20.

WUJun-wei.DevelopmentandApplicationsofCarbonEmissionsCalculationandAnalysisModelsinRoadEngineering[J].UrbanRoadsBridges&FloodsControl，2011(7)：248-250，274，20.

[2]交通運(yùn)輸部. 關(guān)于加快推進(jìn)公路路面材料循環(huán)利用工作的指導(dǎo)意見[EB/OL]. [2012-09-27].http://www.mot.gov.cn/sj/gonglj/gongluyh_glj/201408/t20140813_1668887.html.MinistryofTransport.WorkGuidanceonAcceleratingUtilizationofRecyclingRoadPavementMaterial[EB/OL]. [2012-09-27].http://www.mot.gov.cn/sj/gonglj/gongluyh_glj/ 201408/t20140813_1668887.html.

[3]ZAPATAP，GAMBATESEJA.EnergyConsumptionofAsphaltandReinforcedConcretePavementMaterialsandConstruction[J].JournalofInfrastructureSystems，2005，11(1)：9-20.

[4]AURANGZEBQ，AL-QADIIL，OZERH，etal.HybridLifeCycleAssessmentforAsphaltMixtureswithHighRAPContent.Resources[J].ResourcesConservation&Recycling，2014，83(1)：77-86.

[5]尚春靜，張智慧，李小冬. 高速公路生命周期能耗和大氣排放研究[J]. 公路交通科技，2010，27(8) ：149-154.

SHANGChun-jing，ZHANGZhi-hui，LIXiao-dong.ResearchonEnergyConsumptionandEmissionofLifeCycleofExpressway[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment，2010， 27(8)：149-154.

[6]王賢衛(wèi)，吳靈生，楊東援. 高速公路建設(shè)CO2排放計算分析[J]. 公路交通科技，2014，31(2)：150-158.WANGXian-wei，WUling-sheng，YANGdong-yuan.CalculationandAnalysisofCO2EmissionfromExpresswayConstruction[J].JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment，2014，31 (2)：150-158.

[7]IPCCNationalGreenhouseGasListingTaskForce.IPCC2006，IPCCGuidelinesforNationalGreenhouseGasInventories[M].Kanagawa,Japan：InstituteforGlobalEnvironmentalStrategies，2006.

[8]GB-T2589—2008， 綜合能耗計算通則 [S].

GB-T2589—2008，GeneralPrinciplesforCalculationofTotalProductionEnergyConsumption[S].

[9]交通運(yùn)輸部.節(jié)能減排量或投資額核算技術(shù)細(xì)則(第二部分)[EB/OL]. [2014-04-04].http://jnzx.mot.gov.cn/gongaotongzhi/201404/t20140404_1601780.html.MinistryofTransport.Energy-savingandEmission-reductionorInvestmentAccountingRules(PartII)[EB/OL]. [2014-04-04].http://jnzx.mot.gov.cn/gongaotongzhi/201404/t20140404_1601780.html.

[10]HJ443—2008，清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)-石油煉制業(yè)(瀝青)[S].

HJ443—2008，CleanerProductionStandard—PetroleumRefineryIndustry(Bitumen) [S].

[11]章毅. 瀝青路面生命周期能耗與環(huán)境排放評價技術(shù)研究 [R]. 上海：同濟(jì)大學(xué)，2014.

ZHANGYi.ResearchonAssessmentTechnologyofAsphaltPavementLifeCycleEnergyConsumptionandEnvironmentalEmissions[R].Shanghai：TongjiUniversity，2014.

[12]STRIPPLEH.LifeCycleInventoryofAsphaltPavements[M].Gothenburg:IVLSwedishEnvironmentalResearchInstituteLtd.，2001.

[13]JTG/TB06-02—2007，公路工程預(yù)算定額[S].

JTG/TB06-02—2007，HighwayEngineeringBudgetQuota[S].

[14]JTG/TB06-03—2007，公路工程機(jī)械臺班費(fèi)用定額[S].

JTG/TB06-02—2007，HighwayEngineeringMachine-teamBudgetQuota[S].

[15]任淑晶，齊廣田.SY4500型瀝青路面就地?zé)嵩偕劁仚C(jī)組[J]. 工程機(jī)械，2009，40(6)：18-19.

RENShu-jing，QIGuang-tian.ModelSY4500Hot-in-placeReclamationandRepavingMachineTrainforAsphaltPavements[J].ConstructionMachineryandEquipment，2009，40(6)：18-19.

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