基于LCA的沥青路面施工期碳排放模型及特征研究_张兴宇.pdf

摘要：沥青路面建设产生大量的温室气体，是交通领域节能减排的重点。通过分析沥青路面施工期碳排放来源，结合 IPCC 及CLCD 数据库等提供的碳排放因子资料，采用 LCA 法构建沥青路面施工期碳排放计量模型，基于典型路面结构方案得出原材料生产、场外拌和、运输和现场施工阶段碳排放量及特征规律。结果表明：沥青面层施工过程中，原材料生产阶段碳排放量最高，占总排放量的 47.52%；混合料拌和阶段次之，占总排放量的 44.71%，节能减排措施以采用清洁燃料、提高施工机具生产效率为主；水稳基层/底基层铺筑同样为原材料生产阶段，碳排放量占比最高，高达总量的 90%，节能减排措施以选用低碳水泥为主。关键词：LCA；沥青路面；碳排放；计量模型；节能减排中图分类号：U416.2文献标志码：A文章编号：1009-7716（2023）01-0013-05基于 LCA 的沥青路面施工期碳排放模型及特征研究收稿日期：2022-05-17基金项目：2022 年度天津市交通运输科技发展项目（2022-29）作者简介：张兴宇（1992），女，硕士，工程师，从事道路工程设计研究工作。张兴宇，朱晓东，左贵强，牛 凯（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津市 300074）DOI:10.16799/ki.csdqyfh.2023.01.0040引言落实碳达峰、碳中和目标已成为我国重大战略决策。交通作为 CO2排放的主要来源之一，占全球与能源活动相关的 CO2排放总量的 27%1，是实现节能减排的重点领域。在交通行业减排过程中，往往更加重视汽车尾气所产生的碳排放，而忽略交通基础设施建设过程中的碳排放影响。事实上，道路建设消耗大量水泥、沥青等高碳密度建筑材料，使用柴油、汽油、电力驱动的施工机械，产生大量的温室气体。据统计，该部分碳排放量约为交通运输碳排放总量的 10%20%2，不可小觑。目前，国内外采用生命周期评价（Life CycleAssessment，以下简称 LCA）方法开展的道路设计、施工、运营全过程能耗与碳排放量化分析的研究成果较多。例如：Nisbet 等3-5利用 LCA 法对沥青及水泥路面建设、维护阶段的碳排放及能耗进行量化分析；类似的，张海涛等6-7采用公路工程定额，对沥青路面建设过程进行碳排放量化评估，剖析了半刚性基层、复合式基层等不同路面结构类型对碳排放结果的影响水平；张红波等8对橡胶改性沥青路面建设期能耗和碳排放进行分析，发现橡胶沥青节能减排效果优于 SBS 改性沥青。现有研究多针对某一阶段的（如材料物化、现场施工）碳排放计算模型构建，对完整的建设期碳排放模型构建研究尚不完善，且对于后续的影响评价分析有待深化。本文通过追溯沥青路面铺筑碳排放源头，搜集相关碳排放活动因子，采用 LCA 法构建沥青路面建设阶段碳排放计量模型，并以典型路面结构方案为例，对其原材料生产、场外拌和、运输和现场施工阶段碳排放量进行量化分析，得出不同阶段、不同建筑材料的碳排放特征规律。研究可为沥青路面结构设计、铺筑过程的低碳减排提供一定的理论依据。1沥青路面 LCA 概述LCA 是指评估某一建设活动从原料开采到产品加工生产、使用、维护至废弃整个生命周期过程中所有投入和产出对环境造成影响的方法9。其分析过程包括目标定义与边界划分、生命周期清单分析、生命周期影响评估、生命周期结果解译 4 个部分。1.1目标定义与边界划分该阶段是开展生命周期分析的首要步骤，需要确定评价对象、评价目的、系统边界，即框选出合理的研究范围。本文以沥青路面施工期碳排放为评价对象，研究范围包括沥青、石料、外掺剂等原料的生产，场外拌和，材料运输，以及现场施工 4 个过程。系统边界如图 1 所示，不包括基础设施的建设、施工设备生产、燃料生产及路面的维修养护等过程。此外，对分析结果影响较小的施工环节及原料生产环节可以忽略不计。1.2生命周期清单分析该阶段是整个 LCA 的核心环节，是对沥青路面生命周期内碳排放进行量化的过程，包含碳排放因子URBAN ROADS BRIDGES&FLOOD CONTROL第 1 期（总第 285 期）2023 年 1 月“双碳”专题13收集和碳排放量计算两个部分。通过清单分析可量化沥青路面施工过程产生的碳排放量对环境的负荷影响，从而做出评估与预测6。1.3生命周期影响评估影响评估是在碳排放量化结果的基础上深度分析沥青路面建设碳排放的特征，从不同颗粒度上评价其对环境影响的程度。该步骤有利于分析出沥青路面建设碳排放的关键因素，从而为建设者提供如何减碳的决策支持。1.4生命周期结果解译生命周期结果解译就是综合上述 3 个环节的分析结果，形成总结与建议的阶段。对于沥青路面建设施工阶段的碳排放来说，就是识别出排放热点、敏感性因素等，给出评价结果，并提出相应的改进措施以降低其对环境的影响。2碳排放测算方法为研究沥青路面施工期碳排放情况，本文采用LCA 法将其划分为原材料生产、场外拌和、材料运输和现场施工 4 个阶段，结合排放因子法，构建路面施工期碳排放计算模型，量化分析路面工程施工期的碳排放情况。2.1碳排放来源沥青路面施工期的碳排放主要源自于每个阶段的施工工序和多种机械设备。通过梳理沥青路面整个施工过程，得出各阶段碳排放来源及其类别10（见表 1）。张兴宇，等：基于 LCA 的沥青路面施工期碳排放模型及特征研究图 1沥青路面施工期碳排放计量系统边界表 1沥青路面施工期碳排放来源及类别表生产阶段排放源主要能源类型排放气体原材料生产阶段集料喂料机、推土机、破碎机、铲运机、筛分机等柴油、电能CO2、CH4、N2O、SF6沥青热交换机、脱水器、减压塔、氧化塔、改性或乳化沥青生产设备等电能、燃料、原油发挥CO2、CH4、N2O、SF6矿粉粉磨机电能CO2、CH4、N2O、SF6水泥钻孔机、堆料机、破碎机、粉磨机、碳酸钙分解、碳酸镁分解电能、燃料、化学反应CO2、CH4、N2O、SF6拌和阶段沥青混合料电气及控制系统、燃烧器、沥青导热油提升系统、热料筛分仓、计量器等电能、柴油、天然气、化学反应CO2、CH4、N2O、SF6、HFCs混合料（基层/垫层材料）装载机、配料机、拌和设备电能、柴油、天然气CO2、CH4、N2O、SF6、HFCs运输阶段原材料公路（汽车）、铁路（机车）、水运（船舶）电能、柴油CO2、CH4、N2O、SF6混合料公路（汽车）柴油CO2、CH4、N2O施工阶段摊铺摊铺机、洒布车柴油、天然气、化学反应CO2、CH4、N2O碾压压路机柴油、化学反应CO2、CH4、N2O养生洒水车柴油CO2、CH4、N2O表 2原材料生产碳排放因子原材料类型碳排放因子/（kgt-1）原材料类型碳排放因子/（kgt-1）普通沥青189.12碎石2.43改性沥青323.04矿粉7.36乳化沥青219.75集料3.45水泥870.50木质素纤维178.432.2碳排放因子取值（1）原材料生产沥青路面施工筑路材料一般包含沥青、水泥、矿粉、碎石等。原材料生产阶段碳排放因子数据参照欧洲沥青协会数据库（Eurobitumen 2011）、中国本地化CLCD 数据库及相关文献11取值（见表 2）。为统一衡量温室效应的结果，本文碳排放以当量 CO2排放值表示，通过全球变暖潜在值（GWP）对排放气体进行换算。（2）材料运输材料运输阶段因运输方式、运距不同而产生不同的碳排放量，来源主要涉及筑路原材料运输到拌和厂、拌和加工后运输到施工现场两类。一般原材料的运输手段主要有公路、铁路、水路 3 类；加工后2023 年第 1 期14的混合料则以公路运输为主，采用不同型号的货车、自卸车等。不同运输方式的碳排放因子见表 3。（3）场外拌和及现场施工混合料场外拌和及现场施工的碳排放来源主要是拌合设备、摊铺机、压路机以及洒水车等施工机具及车辆的运作，涉及汽油、重油、柴油、天然气以及电能等能源。该部分碳排放因子参照 IPCC 国家温室气体清单指南、中国能源统计年鉴 以及 CLCD 数据库取值（见表 4）。2.3碳排放计算模型沥青路面施工期涉及原材料生产、场外拌和、材料运输以及现场施工 4 个阶段，总碳排放量 E 为其总和，测算模型为：E=E1+E2+E3+E4（1）式中：E 为沥青路面施工期碳排放总量，kg；E1为原材料生产阶段碳排放量，kg；E2为场外拌和阶段碳排放量，kg；E3为材料运输阶段碳排放量，kg；E4为路面现场施工阶段碳排放量，kg。其中原材料生产阶段碳排放计量模型：E1=ni=1Mifim（2）式中：Mi为第 i 种材料的消耗量；fim为第 i 种原材料单位质量生产碳排放因子。场外拌和阶段碳排放计量模型：E2=nijTi Qijfjt（3）式中：Ti为第 i 种场外加工机具的总台班数，个；Qij为第 i 种场外加工机械设备单位台班内第 j 种能源的消耗量；fjt为第 j 种能源碳排放因子。材料运输阶段碳排放计量模型：E3=nijMi Sijfijs（4）式中：Mi为第 i 种材料的消耗量；Sij为第 i 种材料第j 种运输方式运距；fijs为第 i 种材料第 j 种运输方式单位周转碳排放量。路面现场施工阶段碳排放计量模型：E4=nijTi Qijfjt（5）式中：Ti为第 i 种现场施工机具的总台班数，个；Qij为第 i 种现场施工机具单位台班内第 j 种能源的消耗量；fjt为第 j 种能源碳排放因子。3 典型沥青路面结构碳排放分析以典型高速公路沥青路面结构为例进行碳排放影响评价。某高速公路工程项目设计时速 120 km/h，路基宽度 37.5 m，双向 6 车道，行车道宽度 3.75 m，设计使用年限为 15 a。路面结构为：4 cm SBS 改性沥青玛蹄脂碎石上面层（SMA-13）+6 cm 中粒式沥青混凝土中面层（AC-20）+10 cm 沥青稳定碎石下面层（ATB-25）+21 cm 水泥稳定碎石基层（水泥掺量5%）+22 cm 水泥稳定碎石底基层（水泥掺量 5%）+20 cm 级配碎石垫层。为简化计算量，以每公里该项目的半幅路面作为 1 个计算单元，其原材料消耗清单见表 5。根据项目工程量清单、材料运距，结合 2018 公路工程预算定额、2018 公路工程机械台班费用定额得到施工过程对应的机械种类、台班数及每台班燃料消耗量（部分数据见表 6）。经计算，1 个计算单元的沥青路面建设期碳排放量见表 7。对表 7 中的路面上、中、下面层各阶段的碳排放量进行汇总及占比统计，可以发现在沥青面层铺筑过程中：原材料生产阶段碳排放量最高，占总排放量的 47.52%；混合料拌和阶段次之，占总排放的44.71%（见图 2、图 3）。因此，选择优化沥青等能源密集型材料的生产工艺，提高拌和设备的生产效率，可以有效降低碳排放量，实现节能减排。对表 7 中路面基层/底基层各阶段的碳排放量进行汇总及占比统计，发现水泥稳定碎石基层/底基层在铺筑过程中，原材料生产阶段碳排放量占绝对主体地位，约占总排放量的 89.53%（见图 4、图 5）。因此，设计选用水泥类半刚性基层或底基层时，应倡导采用环保型低排放水泥产品，可有效降低碳排放量。张兴宇，等：基于 LCA 的沥青路面施工期碳排放模型及特征研究表 3不同运输方式单位周转量碳排放因子8运输方式碳排放因子/（kgtkm-1）公路汽油货车0.151 7柴油货车0.155 3水路小型机动船0.036 8大型船舶0.007 2铁路内燃机车0.007 7电力机车0.008 7表 4能源材料碳排放因子能源类型CO2当量/kg精煤2.19重油3.06柴油3.69汽油3.57燃料油3.61天然气2.82电1.072023 年第 1 期15表 6计算单元沥青路面拌和及现场施工燃料消耗量（以 4 cm SMA-13 为例）表 5计算单元沥青路面结构原材料消耗量表 7计算单元沥青路面施工期碳排放量（CO2当量）单位：kg主要类别改性沥青/t普通沥青/t矿粉/t石屑/m3碎石/m3砂/m3纤维/t水泥/m3消耗量64.94195.68298.61603.3811 695.99650.573.31540.35图