沥青路面结构类型对建设期碳排放影响分析

闫强， 易可良， 李平， 彭卓祥， 张明月， 徐锐

(1.广西交投科技有限公司， 广西 南宁 530001; 2.长沙理工大学 交通运输工程学院)

1 前言

温室气体排放导致全球平均气温上升，引发冰盖融化、极端天气、干旱和海平面上升，这种全球性影响将会危及人类生命和生活。全球变暖已成为制约人类经济社会可持续发展的重要障碍，控制污染物和温室气体排放已引起全世界的高度重视。而碳排放是关于温室气体排放的一个总称。2015年12月，《联合国气候变化框架公约》近200个缔约方在巴黎气候变化大会上达成《巴黎协定》。这份开启全球气候治理新阶段历史性协定，事关2020年后全球应对气候变化行动安排，它的生效，将是全球应对气候变化的关键一步。只有全球尽快实现温室气体排放达到峰值，21世纪下半叶实现温室气体净零排放，才能降低气候变化给地球带来的生态风险以及给人类带来的生存危机。

沥青路面具有行驶舒适、建养便捷、易再生利用、行车安全性高等优势，是中国高等级公路的主要路面形式。沥青路面建养过程中，需要使用大量集料、沥青、改性剂等加工材料，同时需要将集料、沥青等加热到160 ℃左右，这都将产生大量的碳排放。因而在沥青路面建养过程中，可以通过材料优选、结构调整、工艺改进等方式探讨减排措施，为推进中国绿色社会的发展添砖加瓦。

UMMroueh开发道路生命周期影响评估程序，并评价粉煤灰、破碎混凝土废渣、高炉矿渣作为道路原材料在路面结构中的应用情况；潘美萍基于可持续发展和生命周期评价(LCA)理论，对路面寿命周期碳排放量评价方法、技术框架及软件开发思路进行探讨，界定了路面寿命周期碳排放的核算范围，明确了各阶段清单分析的具体内容；崔璨按照生命周期评价方法，建立道路能耗模型，根据中国各类规范计算能源数据清单，求出能耗及碳排放，并开发中国道路生命周期评价软件；宋会采用信息熵、灰色理论、物元理论相结合的方法建立全寿命周期公路碳排放模型，并使用该模型对公路全寿命周期碳排放量进行定量计算，分析各阶段对公路碳排放量的影响。

现有研究多针对路面生命周期的总体或路面建设期某一阶段建立碳排放计算模型，而对完整的建设期碳排放模型建立尚不全面；另一方面，对于沥青路面结构对建设期碳排放的影响研究有待深化。该文建立沥青路面建设期碳排放二级阶段评价模型，选定典型路面结构方案，将厂拌沥青路面建设期分为原材料生产、原材料运输及路面施工3个阶段，分别量化计算各阶段碳排放，并分析各阶段碳排放主要影响因素，以期为今后沥青路面结构设计及减排技术推广及应用提供理论依据。

2 碳排放计算方法

基于沥青路面建设过程理论分析，确定模型边界和模型结构，提出评价指标，并依据公路工程相关定额及规范，结合碳排放因子法，确定各指标取值依据，从而形成路面建设期碳排放计算模型，以量化建设期各阶段碳排放。

2.1 模型结构与碳排放因子取值

2.1.1 模型结构

沥青路面建设是一项内容繁杂的系统工程，工程涉及到的材料、工艺等繁多，故应先对评价模型的边界进行界定，以排除一些对计算结果影响不大的环节，从而提高计算的效率和可行性。据此该文将沥青路面建设期分为原材料生产、原材料运输及路面施工3个阶段，碳排放主要包括原材料生产过程中产生的碳排放、施工机械消耗化石能源和二次能源产生的碳排放。其中原材料生产阶段与原材料运输阶段碳排放计量起点为上一级成品，施工阶段的评价模型边界控制在路面施工阶段各施工过程引起的碳排放范围(图1)。

图1 沥青路面建设期碳排放量化评价模型边界图

该文所建立沥青路面碳排放评价模型采用二级结构，从上至下为总量模型和阶段模型(图2)，其中阶段模型计算结果基于相应的模型参数确定，而总量模型为阶段模型计算结果的总和。

图2 沥青路面建设期碳排放评价模型结构图

2.1.2 碳排放因子取值

(1) 原材料生产

原材料生产碳排放计算包括生产过程中的化学反应排放、化石能源燃烧直接排放和二次能源(电能)消耗间接排放，单位原材料生产碳排放以当量二氧化碳排放值表示，原材料生产总碳排放为各原材料质量生产的当量二氧化碳排放值之和，相关数据主要依靠查阅国内外相关文献数据(表1)。

表1 原材料生产碳排放因子

(2) 原材料运输

路面原材料常见的运输方式包括铁路运输、水路运输和公路运输，各运输方式单位周转量碳排放量见表2

表2 交通运输业单位换算周转量碳排放量

(3) 路面施工

政府间气候变化委员会(IPCC)报告中指出在公路工程建设中温室气体排放量主要包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)等。不同温室气体对全球气候系统产生的变暖影响(辐射强迫)不同，统计排放温室气体一般采用二氧化碳当量(CO2e)换算。CO2e可由该气体排放量乘以全球变暖潜力值(GWP)确定，GWP参照D.Wuebbles的成果确定(表3)。

表3 主要排放温室气体全球变暖潜力值

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。该文参考政府间气候变化专门委员会(IPCC)EFDB数据库所提供的温室气体排放系数，并依照《中国能源统计年鉴2017》以及《能源统计工作手册》的相关数据换算为适合中国国情的建议碳排放因子值，结果见表4。

表4 各类化石能源二氧化碳当量排放因子

(4) 二次能源(电能)排放因子

该文所采用二次能源(电能)排放因子参考国家气候战略中心2012年发布的中国区域电网平均二氧化碳排放因子(表5)。

表5 中国区域电网平均二氧化碳排放因子

施工阶段下的施工过程种类多且工艺较为复杂，主要过程包括混合料拌和、混合料运输、路面摊铺、路面碾压。水稳类基层材料养生过程主要采用洒水车洒水养生，养生过程碳排放较少故忽略不计。施工阶段使用机械如下：沥青混合料拌和站选用实际工程常见型号LB4000，生产能力为320 t/h。并配有ZL50C型轮胎装载机，载斗容量为3 m3。水泥碎石和结构类型无级配碎石拌和站型号均采用WBC300，生产能力为300 t/h，并配有ZL50C型轮胎装载机，载斗容量为3 m3。沥青混合料及水稳碎石混合料运输车辆采用15 t自卸卡车。沥青混合料摊铺选用12.5 m沥青混合料摊铺机，水泥稳定碎石摊铺机选用90 kW自动找平机。路面施工碳排放各过程机械设备台班计算参考JTG/T 3832-2018《公路工程预算定额》，各类机械设备单位台班能源消耗量参考JTG/T 3833-2018《公路工程机械台班费用定额》。

2.2 计算公式

取1 km全幅沥青路面作为1个基本单元，路面碳排放计算结果以kgCO2e/基本单元为计量单位。该文采用碳排放因子法进行计算，其又称碳排放系数法，主要思路为根据不同能源的燃烧碳排放系数计算产品过程中的碳排放量。碳排放因子法的核心计算模式[式(1)]，各阶段的评价模型本质上均为该公式的详细展开式。

Gi=Qi×EFi

(1)

式中：Qi为活动强度值(kg、kW·h等)；EFi为碳排放因子[kgCO2e/t、kgCO2e/kg、kgCO2e/(kW·h)]等。

碳排放总量是沥青路面建设期碳排放评价模型的主要计算结果，碳排放总量模型为各阶段碳排放量的数值累加[式(2)]。而各阶段碳排放量又可划分为多个过程的碳排放量。

G=G1+G2+G3

(2)

式中：G为沥青路面建设期碳排放总量(kgCO2e)；G1为原材料生产阶段碳排放量(kgCO2e)；G2为原材料运输阶段碳排放量(kgCO2e)；G3为路面施工阶段碳排放量(kgCO2e)。

原材料生产碳排放计算公式如下：

(3)

式中：G1为原材料生产阶段二氧化碳当量排放量(kgCO2e)；a为路面顶层宽度(m)；b为路面底层宽度(m)；h为结构层高(m)；ρ为路面平均密度(kg/m3)；l为路线全长(km)；ωi为第i种材料所占质量分数(%)；EFij为第i种原材料单位质量生产碳排放因子(kgCO2e/t)。

原材料运输阶段碳排放公式如下：

(4)

式中：EFij为第i种原材料第j种运输方式单位周转碳排放量[kgCO2e/(t·km)]；xij为第i种材料的第j种运输方式运距(km)；其他参数意义同前。

路面施工阶段碳排放公式如下：

(5)

(6)

G3=G31+G32

(7)

式中：G31为沥青混合料拌和(或摊铺或压路)过程碳排放(kgCO2e)；G32为沥青混合料从拌和站运输至施工现场过程产生的碳排放(kgCO2e)；Ti为拌和(或摊铺或碾压)1 000 m3第i层沥青层所需的拌和站台班(台班/1 000 m3)；m为拌和站(或摊铺机或压路机)单位台班消耗的化石能源质量(kg/台班)；EFi为消耗单位质量相应化石能源当量碳排放因子(kgCO2e/kg)；e为拌和站(或摊铺机或压路机)单位台班消耗的电能[kgCO2e/(kW·h)]；EF′i为拌和站(或摊铺机或压路机)对应区域电网电力碳排放因子[kgCO2e/(kW·h)]；m′ 为运输机械单位台班消耗的化石能源质量(kg/台班)；Ti1、Ti5、Ti10分别为第i层沥青层运距不足1、5、5～10 km时的运输台班(台班)；G3为沥青路面施工阶段碳排放(kgCO2e)。

3 碳排放量化分析

假定全幅路面面层宽度为29.5 m，基层宽度为30.5 m，底基层宽度为31.5 m，选定3种路面结构方案。方案1为典型半刚性基层沥青路面，方案2、3为针对半刚性基层沥青路面改进的复合式基层沥青路面方案(图3)。

图3 拟定路面结构方案(单位：cm)

根据原材料运输过程评价模型，假设各方案每种原材料的运输距离和运输工具一致。运输距离参数设定如下：沥青混合料拌和站与水泥稳定碎石拌和站相距较近(仅涉及运输距离时统称拌和站)，拌和站与施工现场的距离为5 km；石料厂、石油厂、矿粉厂、水泥厂及拌和站距施工现场均为10 km，各原材料采用公路运输方式中的汽油货车运输。

3.1 原材料生产及运输阶段碳排放量化分析

据路面结构设计参数与原材料运距设定，计算原材料生产与运输阶段碳排放清单，结果如表6所示。

表6 原材料生产与运输阶段碳排放量清单

(1) 总体而言，原材料生产阶段碳排放占比由大到小排序为水泥、沥青(基质沥青与改性沥青之和)、集料、矿粉，其中水泥占据了绝对主体。该文涉及的两种半刚性路面结构中，水泥生产碳排放占比均在72%以上，沥青与集料生产碳排放均在10%左右，而矿粉碳排放占比不足0.5%(图4)。原材料生产碳排放为材料用量与碳排放因子的乘积，故沥青、集料与矿粉对原材料生产阶段碳排放的影响均小于水泥(表6)。而柔性基层沥青路面中，基层材料为级配碎石，碳排放因子远小于水泥，其余材料碳排放因子相差不大，碳排放占比与材料用量成正比。

图4 3种路面结构方案原材料生产碳排放占比

(2) 沥青路面结构对原材料生产阶段碳排放有显著影响，该文涉及的3种路面结构中，碳排放总量从大到小排列依次为：方案1>方案2>方案3。这主要是由于3种路面结构使用原材料组成的区别造成的，尤其是水泥使用量，方案1水泥碳排放较方案2、3分别高454 898.49、1 353 991.98 kgCO2e，而其他原材料碳排放差异较小。

(3) 总体而言，原材料运输阶段碳排放比例由大到小排序为集料、水泥、沥青、矿粉，其中集料运输为该阶段碳排放主要来源。3种路面结构中，集料的运输碳排放占比均在94%以上(图5)。原材料运输碳排放与原材料用量、运输方式及运输距离三者相关，而各原材料运输方式及运距相同，故3种方案碳排放量仅与原材料用量有关，从而产生各结构方案中原材料运输碳排放差异。

图5 3种路面结构方案原材料运输碳排放占比

(4) 沥青路面结构对原材料运输阶段碳排放有显著影响，该文涉及的3种路面结构中，原材料运输碳排放从方案1～3呈阶梯状递减。这主要是由于3种路面结构使用原材料用量的区别造成的，其中集料运输碳排放量差异最为突出。

3.2 路面施工阶段碳排放量化分析

为适应目前高等级路面施工现状，拟选厂拌法施工工艺。施工阶段碳排放仅考虑施工机械能耗带来的碳排放，混合料自身高温排放属于该阶段次要排放源，不予考虑。各过程机械设备台班计算均以JTG/T B06-02-2007《公路工程预算定额》为参考依据。路面施工阶段碳排放量计算结果见表7。

表7 基本单元路面施工阶段碳排放量

(1) 路面施工阶段碳排放占比由大到小排序为混合料拌和、运输、碾压、摊铺，其中混合料拌和及混合料运输为路面施工阶段主要排放过程(图6)。该文涉及的3种路面结构中，混合料拌和碳排放占比均在47%以上。混合料拌和过程中消耗大量能源，特别是沥青层的拌和，沥青层厚度排序从小到大为方案2、3、1，因此拌和过程碳排放也呈现此种排序。混合料运输过程碳排放占比在26%以上。在采用同种运输方式的情况下，混合料运输过程碳排放仅与混合料用量有关，故结构层最厚的方案1在3种结构方案中混合料运输占比最高，但方案2拌和过程碳排放比例很高，导致结构层比方案3更厚的方案2运输碳排放占比反而较低。3种路面结构方案中，混合料摊铺与碾压碳排放占比差异不明显，均为9%左右，导致这种结果的根本原因是摊铺与碾压机械单位台班碳排放因子并不高，在3种方案结构层总厚度差别不大的情况下，三者碳排放占比差异不大。

图6 3种路面结构方案施工阶段碳排放占比

(2) 沥青路面结构对路面施工阶段碳排放有显著影响，该文涉及的3种路面结构中，方案2的路面施工阶段碳排放量显著大于其他两种结构，而方案1、3的碳排放相近。这主要是由于3种路面结构沥青层与水泥稳定碎石基层厚度区别造成的，尤其是沥青层厚度，方案2沥青层较方案1、3分别高8 cm和6 cm，而路面施工阶段主要碳排放过程为混合料拌和过程，故沥青层越厚，所需混合料拌和量越大，碳排放越多。

3.3 建设期碳排放总量对比分析

根据上文中计算结果，汇总得3种路面结构方案建设期碳排放总量表(表8)。

表8 3种路面结构方案建设期碳排放

(1) 路面建设期碳排放占比由大到小排序为原材料生产阶段、路面施工阶段、原材料运输阶段，其中原材料生产阶段为碳排放主体。该文涉及的3种路面结构中，原材料生产阶段碳排放占比均在71%以上，路面建设工程中原材料用量十分巨大，导致原材料生产阶段碳排放占主导，同时由于各路面结构方案差异，导致其原材料占比各有差异；3种路面结构方案中，路面施工阶段碳排放占比在17%以上。3种路面结构方案的原材料运输阶段碳排放相差不大，均处于4%以内，这主要是原材料总量和建设期其他两阶段占比综合影响下的结果。

(2) 沥青路面结构对建设期碳排放有显著影响，该文涉及的3种路面结构中，方案1的建设期碳排放量显著大于其他两种结构，而该两种结构的碳排放相近。这主要是由于3种路面结构中原材料用量总和不同造成的，而建设期主要碳排放阶段为原材料生产阶段，故原材料总用量越大，碳排放越多。

4 结论

(1) 沥青路面结构对建设期碳排放有显著影响。该文涉及的3种路面结构中，方案1的建设期碳排放量显著大于其他两种结构，而其他两种结构的碳排放相近。路面建设期中原材料生产阶段为碳排放主体。

(2) 沥青路面结构对原材料生产阶段碳排放有显著影响，3种路面结构中，方案1的原材料生产阶段碳排放量显著大于其他两种结构，而其他两种结构的碳排放相近。总体而言，水泥生产是原材料生产阶段碳排放主要来源，在满足路面设计及施工要求的前提下，减小水泥用量是该阶段的主要减排措施。

(3) 沥青路面结构对原材料运输阶段碳排放有显著影响，3种路面结构中，原材料运输碳排放从方案1～3呈阶梯状递减。总体而言，原材料运输阶段中集料运输为该阶段碳排放主体，可采用较薄的结构层厚度以减小集料用量，从而减小原材料运输碳排放。

(4) 沥青路面结构对路面施工阶段碳排放有显著影响，3种路面结构中，方案2的路面施工阶段碳排放量显著大于其他两种结构，而其他两种结构的碳排放相近。总体而言，路面施工阶段碳排放占比由大到小排序为混合料拌和、运输、摊铺、碾压，其中混合料拌和及混合料运输为路面施工阶段主要碳排放过程。因此，采用较薄的沥青层能够显著减少路面施工阶段碳排放。