閆強(qiáng)， 易可良， 李平， 彭卓祥， 張明月， 徐銳

(1.廣西交投科技有限公司， 廣西 南寧 530001; 2.長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院)

1 前言

溫室氣體排放導(dǎo)致全球平均氣溫上升，引發(fā)冰蓋融化、極端天氣、干旱和海平面上升，這種全球性影響將會危及人類生命和生活。全球變暖已成為制約人類經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的重要障礙，控制污染物和溫室氣體排放已引起全世界的高度重視。而碳排放是關(guān)于溫室氣體排放的一個總稱。2015年12月，《聯(lián)合國氣候變化框架公約》近200個締約方在巴黎氣候變化大會上達(dá)成《巴黎協(xié)定》。這份開啟全球氣候治理新階段歷史性協(xié)定，事關(guān)2020年后全球應(yīng)對氣候變化行動安排，它的生效，將是全球應(yīng)對氣候變化的關(guān)鍵一步。只有全球盡快實(shí)現(xiàn)溫室氣體排放達(dá)到峰值，21世紀(jì)下半葉實(shí)現(xiàn)溫室氣體凈零排放，才能降低氣候變化給地球帶來的生態(tài)風(fēng)險以及給人類帶來的生存危機(jī)。

瀝青路面具有行駛舒適、建養(yǎng)便捷、易再生利用、行車安全性高等優(yōu)勢，是中國高等級公路的主要路面形式。瀝青路面建養(yǎng)過程中，需要使用大量集料、瀝青、改性劑等加工材料，同時需要將集料、瀝青等加熱到160 ℃左右，這都將產(chǎn)生大量的碳排放。因而在瀝青路面建養(yǎng)過程中，可以通過材料優(yōu)選、結(jié)構(gòu)調(diào)整、工藝改進(jìn)等方式探討減排措施，為推進(jìn)中國綠色社會的發(fā)展添磚加瓦。

UMMroueh開發(fā)道路生命周期影響評估程序，并評價粉煤灰、破碎混凝土廢渣、高爐礦渣作為道路原材料在路面結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用情況；潘美萍基于可持續(xù)發(fā)展和生命周期評價(LCA)理論，對路面壽命周期碳排放量評價方法、技術(shù)框架及軟件開發(fā)思路進(jìn)行探討，界定了路面壽命周期碳排放的核算范圍，明確了各階段清單分析的具體內(nèi)容；崔璨按照生命周期評價方法，建立道路能耗模型，根據(jù)中國各類規(guī)范計算能源數(shù)據(jù)清單，求出能耗及碳排放，并開發(fā)中國道路生命周期評價軟件；宋會采用信息熵、灰色理論、物元理論相結(jié)合的方法建立全壽命周期公路碳排放模型，并使用該模型對公路全壽命周期碳排放量進(jìn)行定量計算，分析各階段對公路碳排放量的影響。

現(xiàn)有研究多針對路面生命周期的總體或路面建設(shè)期某一階段建立碳排放計算模型，而對完整的建設(shè)期碳排放模型建立尚不全面；另一方面，對于瀝青路面結(jié)構(gòu)對建設(shè)期碳排放的影響研究有待深化。該文建立瀝青路面建設(shè)期碳排放二級階段評價模型，選定典型路面結(jié)構(gòu)方案，將廠拌瀝青路面建設(shè)期分為原材料生產(chǎn)、原材料運(yùn)輸及路面施工3個階段，分別量化計算各階段碳排放，并分析各階段碳排放主要影響因素，以期為今后瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計及減排技術(shù)推廣及應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2 碳排放計算方法

基于瀝青路面建設(shè)過程理論分析，確定模型邊界和模型結(jié)構(gòu)，提出評價指標(biāo)，并依據(jù)公路工程相關(guān)定額及規(guī)范，結(jié)合碳排放因子法，確定各指標(biāo)取值依據(jù)，從而形成路面建設(shè)期碳排放計算模型，以量化建設(shè)期各階段碳排放。

2.1 模型結(jié)構(gòu)與碳排放因子取值

2.1.1 模型結(jié)構(gòu)

瀝青路面建設(shè)是一項(xiàng)內(nèi)容繁雜的系統(tǒng)工程，工程涉及到的材料、工藝等繁多，故應(yīng)先對評價模型的邊界進(jìn)行界定，以排除一些對計算結(jié)果影響不大的環(huán)節(jié)，從而提高計算的效率和可行性。據(jù)此該文將瀝青路面建設(shè)期分為原材料生產(chǎn)、原材料運(yùn)輸及路面施工3個階段，碳排放主要包括原材料生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的碳排放、施工機(jī)械消耗化石能源和二次能源產(chǎn)生的碳排放。其中原材料生產(chǎn)階段與原材料運(yùn)輸階段碳排放計量起點(diǎn)為上一級成品，施工階段的評價模型邊界控制在路面施工階段各施工過程引起的碳排放范圍(圖1)。

圖1 瀝青路面建設(shè)期碳排放量化評價模型邊界圖

該文所建立瀝青路面碳排放評價模型采用二級結(jié)構(gòu)，從上至下為總量模型和階段模型(圖2)，其中階段模型計算結(jié)果基于相應(yīng)的模型參數(shù)確定，而總量模型為階段模型計算結(jié)果的總和。

圖2 瀝青路面建設(shè)期碳排放評價模型結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 碳排放因子取值

(1) 原材料生產(chǎn)

原材料生產(chǎn)碳排放計算包括生產(chǎn)過程中的化學(xué)反應(yīng)排放、化石能源燃燒直接排放和二次能源(電能)消耗間接排放，單位原材料生產(chǎn)碳排放以當(dāng)量二氧化碳排放值表示，原材料生產(chǎn)總碳排放為各原材料質(zhì)量生產(chǎn)的當(dāng)量二氧化碳排放值之和，相關(guān)數(shù)據(jù)主要依靠查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)(表1)。

表1 原材料生產(chǎn)碳排放因子

(2) 原材料運(yùn)輸

路面原材料常見的運(yùn)輸方式包括鐵路運(yùn)輸、水路運(yùn)輸和公路運(yùn)輸，各運(yùn)輸方式單位周轉(zhuǎn)量碳排放量見表2

表2 交通運(yùn)輸業(yè)單位換算周轉(zhuǎn)量碳排放量

(3) 路面施工

政府間氣候變化委員會(IPCC)報告中指出在公路工程建設(shè)中溫室氣體排放量主要包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)等。不同溫室氣體對全球氣候系統(tǒng)產(chǎn)生的變暖影響(輻射強(qiáng)迫)不同，統(tǒng)計排放溫室氣體一般采用二氧化碳當(dāng)量(CO2e)換算。CO2e可由該氣體排放量乘以全球變暖潛力值(GWP)確定，GWP參照D.Wuebbles的成果確定(表3)。

表3 主要排放溫室氣體全球變暖潛力值

路面施工中主要涉及到的化石能源包括原油、燃料煤、重油、柴油以及汽油。該文參考政府間氣候變化專門委員會(IPCC)EFDB數(shù)據(jù)庫所提供的溫室氣體排放系數(shù)，并依照《中國能源統(tǒng)計年鑒2017》以及《能源統(tǒng)計工作手冊》的相關(guān)數(shù)據(jù)換算為適合中國國情的建議碳排放因子值，結(jié)果見表4。

表4 各類化石能源二氧化碳當(dāng)量排放因子

(4) 二次能源(電能)排放因子

該文所采用二次能源(電能)排放因子參考國家氣候戰(zhàn)略中心2012年發(fā)布的中國區(qū)域電網(wǎng)平均二氧化碳排放因子(表5)。

表5 中國區(qū)域電網(wǎng)平均二氧化碳排放因子

施工階段下的施工過程種類多且工藝較為復(fù)雜，主要過程包括混合料拌和、混合料運(yùn)輸、路面攤鋪、路面碾壓。水穩(wěn)類基層材料養(yǎng)生過程主要采用灑水車灑水養(yǎng)生，養(yǎng)生過程碳排放較少故忽略不計。施工階段使用機(jī)械如下：瀝青混合料拌和站選用實(shí)際工程常見型號LB4000，生產(chǎn)能力為320 t/h。并配有ZL50C型輪胎裝載機(jī)，載斗容量為3 m3。水泥碎石和結(jié)構(gòu)類型無級配碎石拌和站型號均采用WBC300，生產(chǎn)能力為300 t/h，并配有ZL50C型輪胎裝載機(jī)，載斗容量為3 m3。瀝青混合料及水穩(wěn)碎石混合料運(yùn)輸車輛采用15 t自卸卡車。瀝青混合料攤鋪選用12.5 m瀝青混合料攤鋪機(jī)，水泥穩(wěn)定碎石攤鋪機(jī)選用90 kW自動找平機(jī)。路面施工碳排放各過程機(jī)械設(shè)備臺班計算參考JTG/T 3832-2018《公路工程預(yù)算定額》，各類機(jī)械設(shè)備單位臺班能源消耗量參考JTG/T 3833-2018《公路工程機(jī)械臺班費(fèi)用定額》。

2.2 計算公式

取1 km全幅瀝青路面作為1個基本單元，路面碳排放計算結(jié)果以kgCO2e/基本單元為計量單位。該文采用碳排放因子法進(jìn)行計算，其又稱碳排放系數(shù)法，主要思路為根據(jù)不同能源的燃燒碳排放系數(shù)計算產(chǎn)品過程中的碳排放量。碳排放因子法的核心計算模式[式(1)]，各階段的評價模型本質(zhì)上均為該公式的詳細(xì)展開式。

Gi=Qi×EFi

(1)

式中：Qi為活動強(qiáng)度值(kg、kW·h等)；EFi為碳排放因子[kgCO2e/t、kgCO2e/kg、kgCO2e/(kW·h)]等。

碳排放總量是瀝青路面建設(shè)期碳排放評價模型的主要計算結(jié)果，碳排放總量模型為各階段碳排放量的數(shù)值累加[式(2)]。而各階段碳排放量又可劃分為多個過程的碳排放量。

G=G1+G2+G3

(2)

式中：G為瀝青路面建設(shè)期碳排放總量(kgCO2e)；G1為原材料生產(chǎn)階段碳排放量(kgCO2e)；G2為原材料運(yùn)輸階段碳排放量(kgCO2e)；G3為路面施工階段碳排放量(kgCO2e)。

原材料生產(chǎn)碳排放計算公式如下：

(3)

式中：G1為原材料生產(chǎn)階段二氧化碳當(dāng)量排放量(kgCO2e)；a為路面頂層寬度(m)；b為路面底層寬度(m)；h為結(jié)構(gòu)層高(m)；ρ為路面平均密度(kg/m3)；l為路線全長(km)；ωi為第i種材料所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)；EFij為第i種原材料單位質(zhì)量生產(chǎn)碳排放因子(kgCO2e/t)。

原材料運(yùn)輸階段碳排放公式如下：

(4)

式中：EFij為第i種原材料第j種運(yùn)輸方式單位周轉(zhuǎn)碳排放量[kgCO2e/(t·km)]；xij為第i種材料的第j種運(yùn)輸方式運(yùn)距(km)；其他參數(shù)意義同前。

路面施工階段碳排放公式如下：

(5)

(6)

G3=G31+G32

(7)

式中：G31為瀝青混合料拌和(或攤鋪或壓路)過程碳排放(kgCO2e)；G32為瀝青混合料從拌和站運(yùn)輸至施工現(xiàn)場過程產(chǎn)生的碳排放(kgCO2e)；Ti為拌和(或攤鋪或碾壓)1 000 m3第i層瀝青層所需的拌和站臺班(臺班/1 000 m3)；m為拌和站(或攤鋪機(jī)或壓路機(jī))單位臺班消耗的化石能源質(zhì)量(kg/臺班)；EFi為消耗單位質(zhì)量相應(yīng)化石能源當(dāng)量碳排放因子(kgCO2e/kg)；e為拌和站(或攤鋪機(jī)或壓路機(jī))單位臺班消耗的電能[kgCO2e/(kW·h)]；EF′i為拌和站(或攤鋪機(jī)或壓路機(jī))對應(yīng)區(qū)域電網(wǎng)電力碳排放因子[kgCO2e/(kW·h)]；m′ 為運(yùn)輸機(jī)械單位臺班消耗的化石能源質(zhì)量(kg/臺班)；Ti1、Ti5、Ti10分別為第i層瀝青層運(yùn)距不足1、5、5～10 km時的運(yùn)輸臺班(臺班)；G3為瀝青路面施工階段碳排放(kgCO2e)。

3 碳排放量化分析

假定全幅路面面層寬度為29.5 m，基層寬度為30.5 m，底基層寬度為31.5 m，選定3種路面結(jié)構(gòu)方案。方案1為典型半剛性基層瀝青路面，方案2、3為針對半剛性基層瀝青路面改進(jìn)的復(fù)合式基層瀝青路面方案(圖3)。

圖3 擬定路面結(jié)構(gòu)方案(單位：cm)

根據(jù)原材料運(yùn)輸過程評價模型，假設(shè)各方案每種原材料的運(yùn)輸距離和運(yùn)輸工具一致。運(yùn)輸距離參數(shù)設(shè)定如下：瀝青混合料拌和站與水泥穩(wěn)定碎石拌和站相距較近(僅涉及運(yùn)輸距離時統(tǒng)稱拌和站)，拌和站與施工現(xiàn)場的距離為5 km；石料廠、石油廠、礦粉廠、水泥廠及拌和站距施工現(xiàn)場均為10 km，各原材料采用公路運(yùn)輸方式中的汽油貨車運(yùn)輸。

3.1 原材料生產(chǎn)及運(yùn)輸階段碳排放量化分析

據(jù)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)與原材料運(yùn)距設(shè)定，計算原材料生產(chǎn)與運(yùn)輸階段碳排放清單，結(jié)果如表6所示。

表6 原材料生產(chǎn)與運(yùn)輸階段碳排放量清單

(1) 總體而言，原材料生產(chǎn)階段碳排放占比由大到小排序?yàn)樗?、瀝青(基質(zhì)瀝青與改性瀝青之和)、集料、礦粉，其中水泥占據(jù)了絕對主體。該文涉及的兩種半剛性路面結(jié)構(gòu)中，水泥生產(chǎn)碳排放占比均在72%以上，瀝青與集料生產(chǎn)碳排放均在10%左右，而礦粉碳排放占比不足0.5%(圖4)。原材料生產(chǎn)碳排放為材料用量與碳排放因子的乘積，故瀝青、集料與礦粉對原材料生產(chǎn)階段碳排放的影響均小于水泥(表6)。而柔性基層瀝青路面中，基層材料為級配碎石，碳排放因子遠(yuǎn)小于水泥，其余材料碳排放因子相差不大，碳排放占比與材料用量成正比。

圖4 3種路面結(jié)構(gòu)方案原材料生產(chǎn)碳排放占比

(2) 瀝青路面結(jié)構(gòu)對原材料生產(chǎn)階段碳排放有顯著影響，該文涉及的3種路面結(jié)構(gòu)中，碳排放總量從大到小排列依次為：方案1>方案2>方案3。這主要是由于3種路面結(jié)構(gòu)使用原材料組成的區(qū)別造成的，尤其是水泥使用量，方案1水泥碳排放較方案2、3分別高454 898.49、1 353 991.98 kgCO2e，而其他原材料碳排放差異較小。

(3) 總體而言，原材料運(yùn)輸階段碳排放比例由大到小排序?yàn)榧稀⑺?、瀝青、礦粉，其中集料運(yùn)輸為該階段碳排放主要來源。3種路面結(jié)構(gòu)中，集料的運(yùn)輸碳排放占比均在94%以上(圖5)。原材料運(yùn)輸碳排放與原材料用量、運(yùn)輸方式及運(yùn)輸距離三者相關(guān)，而各原材料運(yùn)輸方式及運(yùn)距相同，故3種方案碳排放量僅與原材料用量有關(guān)，從而產(chǎn)生各結(jié)構(gòu)方案中原材料運(yùn)輸碳排放差異。

圖5 3種路面結(jié)構(gòu)方案原材料運(yùn)輸碳排放占比

(4) 瀝青路面結(jié)構(gòu)對原材料運(yùn)輸階段碳排放有顯著影響，該文涉及的3種路面結(jié)構(gòu)中，原材料運(yùn)輸碳排放從方案1～3呈階梯狀遞減。這主要是由于3種路面結(jié)構(gòu)使用原材料用量的區(qū)別造成的，其中集料運(yùn)輸碳排放量差異最為突出。

3.2 路面施工階段碳排放量化分析

為適應(yīng)目前高等級路面施工現(xiàn)狀，擬選廠拌法施工工藝。施工階段碳排放僅考慮施工機(jī)械能耗帶來的碳排放，混合料自身高溫排放屬于該階段次要排放源，不予考慮。各過程機(jī)械設(shè)備臺班計算均以JTG/T B06-02-2007《公路工程預(yù)算定額》為參考依據(jù)。路面施工階段碳排放量計算結(jié)果見表7。

表7 基本單元路面施工階段碳排放量

(1) 路面施工階段碳排放占比由大到小排序?yàn)榛旌狭习韬?、運(yùn)輸、碾壓、攤鋪，其中混合料拌和及混合料運(yùn)輸為路面施工階段主要排放過程(圖6)。該文涉及的3種路面結(jié)構(gòu)中，混合料拌和碳排放占比均在47%以上?；旌狭习韬瓦^程中消耗大量能源，特別是瀝青層的拌和，瀝青層厚度排序從小到大為方案2、3、1，因此拌和過程碳排放也呈現(xiàn)此種排序?；旌狭线\(yùn)輸過程碳排放占比在26%以上。在采用同種運(yùn)輸方式的情況下，混合料運(yùn)輸過程碳排放僅與混合料用量有關(guān)，故結(jié)構(gòu)層最厚的方案1在3種結(jié)構(gòu)方案中混合料運(yùn)輸占比最高，但方案2拌和過程碳排放比例很高，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層比方案3更厚的方案2運(yùn)輸碳排放占比反而較低。3種路面結(jié)構(gòu)方案中，混合料攤鋪與碾壓碳排放占比差異不明顯，均為9%左右，導(dǎo)致這種結(jié)果的根本原因是攤鋪與碾壓機(jī)械單位臺班碳排放因子并不高，在3種方案結(jié)構(gòu)層總厚度差別不大的情況下，三者碳排放占比差異不大。

圖6 3種路面結(jié)構(gòu)方案施工階段碳排放占比

(2) 瀝青路面結(jié)構(gòu)對路面施工階段碳排放有顯著影響，該文涉及的3種路面結(jié)構(gòu)中，方案2的路面施工階段碳排放量顯著大于其他兩種結(jié)構(gòu)，而方案1、3的碳排放相近。這主要是由于3種路面結(jié)構(gòu)瀝青層與水泥穩(wěn)定碎石基層厚度區(qū)別造成的，尤其是瀝青層厚度，方案2瀝青層較方案1、3分別高8 cm和6 cm，而路面施工階段主要碳排放過程為混合料拌和過程，故瀝青層越厚，所需混合料拌和量越大，碳排放越多。

3.3 建設(shè)期碳排放總量對比分析

根據(jù)上文中計算結(jié)果，匯總得3種路面結(jié)構(gòu)方案建設(shè)期碳排放總量表(表8)。

表8 3種路面結(jié)構(gòu)方案建設(shè)期碳排放

(1) 路面建設(shè)期碳排放占比由大到小排序?yàn)樵牧仙a(chǎn)階段、路面施工階段、原材料運(yùn)輸階段，其中原材料生產(chǎn)階段為碳排放主體。該文涉及的3種路面結(jié)構(gòu)中，原材料生產(chǎn)階段碳排放占比均在71%以上，路面建設(shè)工程中原材料用量十分巨大，導(dǎo)致原材料生產(chǎn)階段碳排放占主導(dǎo)，同時由于各路面結(jié)構(gòu)方案差異，導(dǎo)致其原材料占比各有差異；3種路面結(jié)構(gòu)方案中，路面施工階段碳排放占比在17%以上。3種路面結(jié)構(gòu)方案的原材料運(yùn)輸階段碳排放相差不大，均處于4%以內(nèi)，這主要是原材料總量和建設(shè)期其他兩階段占比綜合影響下的結(jié)果。

(2) 瀝青路面結(jié)構(gòu)對建設(shè)期碳排放有顯著影響，該文涉及的3種路面結(jié)構(gòu)中，方案1的建設(shè)期碳排放量顯著大于其他兩種結(jié)構(gòu)，而該兩種結(jié)構(gòu)的碳排放相近。這主要是由于3種路面結(jié)構(gòu)中原材料用量總和不同造成的，而建設(shè)期主要碳排放階段為原材料生產(chǎn)階段，故原材料總用量越大，碳排放越多。

4 結(jié)論

(1) 瀝青路面結(jié)構(gòu)對建設(shè)期碳排放有顯著影響。該文涉及的3種路面結(jié)構(gòu)中，方案1的建設(shè)期碳排放量顯著大于其他兩種結(jié)構(gòu)，而其他兩種結(jié)構(gòu)的碳排放相近。路面建設(shè)期中原材料生產(chǎn)階段為碳排放主體。

(2) 瀝青路面結(jié)構(gòu)對原材料生產(chǎn)階段碳排放有顯著影響，3種路面結(jié)構(gòu)中，方案1的原材料生產(chǎn)階段碳排放量顯著大于其他兩種結(jié)構(gòu)，而其他兩種結(jié)構(gòu)的碳排放相近?？傮w而言，水泥生產(chǎn)是原材料生產(chǎn)階段碳排放主要來源，在滿足路面設(shè)計及施工要求的前提下，減小水泥用量是該階段的主要減排措施。

(3) 瀝青路面結(jié)構(gòu)對原材料運(yùn)輸階段碳排放有顯著影響，3種路面結(jié)構(gòu)中，原材料運(yùn)輸碳排放從方案1～3呈階梯狀遞減?？傮w而言，原材料運(yùn)輸階段中集料運(yùn)輸為該階段碳排放主體，可采用較薄的結(jié)構(gòu)層厚度以減小集料用量，從而減小原材料運(yùn)輸碳排放。

(4) 瀝青路面結(jié)構(gòu)對路面施工階段碳排放有顯著影響，3種路面結(jié)構(gòu)中，方案2的路面施工階段碳排放量顯著大于其他兩種結(jié)構(gòu)，而其他兩種結(jié)構(gòu)的碳排放相近?？傮w而言，路面施工階段碳排放占比由大到小排序?yàn)榛旌狭习韬?、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓，其中混合料拌和及混合料運(yùn)輸為路面施工階段主要碳排放過程。因此，采用較薄的瀝青層能夠顯著減少路面施工階段碳排放。