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沥青混凝土路面碳排放论文
沥青混凝土路面碳排放论文 １沥青混凝土路面ＬＣＡ的基本设定 １．１生命周期评价方法 生命周期评价（ＬｉｆｅＣｙｃｌｅＡｓｓｅｓｓｍｅｎｔ，简称ＬＣＡ） 由４部分组成：目标与范围定义、清单分析、影响评价和结果解释［８－１０］。目标定义是定义评价的环境类型，需要根据评价对象的环境影响特点进行目标选 择。范围定义，即系统边界设置，需要在既有研究条件（时间、费用）下，定义 适用、合理的研究范围。清单分析和影响评价是研究的主要内容，清单分析是在 目标和边界确定的基础上，针对研究对象的过程特点，建立与之相关的环境影响 数据清单。影响评价又是在清单数据的基础上进行与评价目的有关的计算和分析。
最后需要对分析结果进行解释，提供改善环境影响的建议。本文采用ＬＣＡ方法 对沥青混凝土路面在建设期的能耗与碳排放进行分析计算评价。
１．２研究对象、范围 本文的研究对象与范围为建设期的半刚性基层沥青混凝土路面，不包含路 基及路面其他相关辅助设施（如标志标线、护栏、照明设施等）。
１．３过程法、边界条件及假设 过程法（Ｐ－ＬＣＡ）是对分析范围内每个与系统相关联的离散过程中的 消耗和排放进行逐一量化，而后累计各个离散过程的数据得到总的环境影响［４］。
然而，产品的每一个阶段过程都包含复杂的上游过程，如材料运输阶段，除运输 过程以外，还包括运输设备的生产，运输设备生产又包括设备制造原料的开采、 加工和运输等。若进行如此深入细致的过程分析势必费时费力，而这部份计算结 果又仅占有极小的比例，分析效率低下，因此，需要把握分析重点，设定合理研 究边界及假设，舍弃细枝末节，提高分析效率。
１．４环境类型和功能单位 沥青混凝土路面生命周期清单分析的环境影响类型为碳排放（以ｔ当量Ｃ Ｏ２计）以及能耗（以ＧＪ当量热计）。功能单位设定为１ｋｍ车道，车道道面 宽度为３．７５ｍ。２分析模型 ２．１原材料生产阶段 （１）生产阶段能耗Ｅｐ。沥青混凝土路面建材包括基本的筑路材料和道 路辅助设施建材，如沥青、水泥、碎石等，建材开采生产阶段的总能耗计算模型 见式（１）。再利用材料视为原材料，材料再利用过程即为其生产过程，并以使 用归属为前提进行计算，即当考虑一种再利用材料、工艺或方法的能耗与排放是 否计入某项工程时，以该种材料、工艺或方法是否使用于该工程来判定。例如， 沥青混凝土路面再利用包括旧路铣刨、旧料粉碎、筛分、运输等工艺过程，由于 铣刨形成新的工作面用于旧路施工，整个铣刨过程计入施工中，而旧料粉碎、筛 分和运输至堆放地的能耗和排放则视为其旧料的生产能耗及排放，有多少旧料得 到再生利用则计入多少能耗与排放，其他工程使用本工程产生的旧料时，应将旧 料生产的能耗与排放计入其他工程中。（２）生产阶段排放Ｉｐｒ。原材料生产 阶段排放的计算方法与其能耗计算方法相似，计算模型见式（２）。Ｉｐｒ＝∑ ｉ（１＋φｉ）ＶｉｒＭｉ（２）式中：Ｖｉｒ为开采和生产单位材料时第ｒ种 污染物的排放质量；
其他符号意义见式（１）。
２．２施工阶段 施工阶段的能耗和排放由两个部分组成：一是原材料、废弃材料的运输；
另一是施工机具设备的运行。（１）运输能耗Ｅｃｔ和环境排放Ｉｃｔｒ。施工 过程中的运输要分为长距离运输和短距离运输，长距离运输包括原材料自产地到 现场，以及废弃材料由现场到处置地的运输，短距离运输是材料在施工现场的转 运。本文将长距离运输归入施工运输过程中，短距离运输归入施工机具设备分析 中。运输过程考虑运输方式、运输距离、燃料类型、运输质量以及返程运输。铁 路和水路运输不考虑返程，公路运输考虑返程，设定返程运输的基本流为满载运 输的７０％［１］。废弃材料运输一般采用公路运输，处置场地固定，运输距离 设定为５０ｋｍ。（２）施工机具设备能耗Ｅｃｅ和环境排放Ｉｃｅｒ。沥青混 凝土路面施工的机具设备包括拌和设备、摊铺机、压路机等，施工过程能耗和环 境排放的实质是各种机具设备运行能耗与排放的总和。机具运行的能源类型主要 有三种：柴油、汽油和电能。计算中将各机具设备按单位工作量换算其能耗强度 （ＭＪ／工作量）和排放强度（ｔ／工作量）。如拌和楼的能耗强度单位为ＭＪ ／ｔ混合料，压路机的能耗强度为ＭＪ／ｍ２。
３路面结构、分析清单及计算软件３．１沥青混凝土路面结构 参照我国沥青混凝土路面设计规范［１１，１２］以图１所示的半刚性基 层沥青混凝土路面结构为典型路面结构，分析该路面结构在建设期的能耗及环境 碳排放。
３．２分析清单 分析清单即计算所需的各类原材料、施工机具设备的能耗与碳排放强度数 据，是通过对过程流的划分及数据的收集和处理，得到的过程流中组成要素的环 境数据。过程流的划分一般采用过程法，将材料的生产和施工过程逐一分解至可 计算的过程流。以沥青为例：沥青制炼和生产的流程主要由原油开采、运输、提 炼加工、存储四个环节组成。根据前述确定的研究范围，分析沥青制炼加工的能 耗与排放。我国道路沥青生产用的原油主要来自国内和中东，２０１０年，我国 约开采原油１９０００万ｔ，进口原油２４０００万ｔ，假定两类原油用于生产 道路沥青的比例是相等，而国产原油的沥青收率（即单位质量原油产出沥青的比 率）为２５％，进口原油的收率为４０％。原油提炼沥青的生产能耗参考《清洁 生产标准－石油炼制业（沥青）》（ＨＪ４４３－２００８），该标准适用于以 石油为原料用连续氧化法（养护沥青装置）和溶剂法。其中清洁等级三级为我国 沥青生产能耗的基本水平，取表３中清洁等级三级的平均值代表我国沥青制炼的 平均水平，得沥青生产的平均能耗为３４ｋｇ标油／ｔ原油，按能耗将标油换算 为标准煤，１ｋｇ标油＝１．４３ｋｇ标准煤，由标准煤的排放换算标油的排放。
文献［１３］中采用上述过程法，收集并计算得到我国７０余类相关原材料和施 工机具设备的能耗与排放清单，为沥青混凝土路面的ＬＣＡ评价奠定了数据基础。
３．３计算软件计算采用由上海市城市建设设计研究总院编制的《沥青路面建设 期能耗与碳排放计算软件》软件（软件著作权号：２０１３Ｒ１１Ｌ１４２３５ ６）。该软件由网络服务器、数据处理后台和输入页面组成，输入页面为网页形 式，目前可供局域网用户进行使用，后台处理器为ＥＸＣＥＬ软件，结果以ＥＸ ＣＥＬ文件形式输出，清单数据主要来源于文献［１３］。
４计算结果与分析 ４．１典型结构与材料组合的能耗、碳排放分析 将路面结构和材料参数输入软件中，各结构层在生产、运输和施工阶段的能耗与碳排放。典型沥青混凝土路面结构中沥青混凝土面层由上至下建设能耗占 比分别为８．６％、１１．２％和１５．６％，基层由上至下能耗占比分别为２ ７．９％、２３．７％和１１．９％，其中水稳碎石上基层能耗占比最大，基层 材料能耗与碳排放整体占比约６２％，面层材料占比约３８％，层间材料能耗占 比最小约１．４％，如图２所示。路面各层在碳排放占比方面与能耗占比分布相 似，但基层材料尤其是水稳碎石材料的碳排放占比明显高于其能耗占比，水稳碎 石基层的碳排放占比高达６５％，表明以水泥为结合料的半刚性基层材料是沥青 混凝土路面建设期碳排放的主要来源，如图３所示。各阶段能耗与碳排放分布分 析，原材料生产阶段的能耗与碳排放占建设期能耗与碳排放的比例分别为６５． ０％和７７．０％，施工阶段占比分别为２７％和１８％，运输阶段的能耗与碳 排放占比最小，分别为８％和５％，如图４和图５所示。说明原材料生产期间的 能耗与碳排放是沥青混凝土路面建设期能耗与碳排放的主要组成部分。而在原材 料生产阶段能耗与碳排放占比最高的是水泥，能耗占比为５７．１％，碳排放占 比达到７３．４％，而集料和沥青类结合料在这两项指标中的占比分别为１７． ２％、２５．７％以及１０．５％、１６．１％。水泥生产期能耗与碳排放，在 沥青混凝土路面建设期占比分别达到３７．１％和５６．６％，水泥掺量是影响 半刚性基层沥青混凝土路面能耗与碳排放的关键因素。根据路面结构设计寿命， 算得路面结构承载标准荷载每百万轴次作用的能耗为８４．９ＧＪ和９．９ｔ碳 排放。
４．２不同环保沥青混凝土路面技术下能耗与碳排放的比较分析 将路面结构层材料的能耗与碳排放换算为１ｃｍ厚３．７５ｍ宽和１００ ０ｍ长的单位体积下的能耗与碳排放，结果见表６。单位体积下路面材料的能耗 随层位降低而下降，与材料的性能和费用成正比。其中ＳＢＳ改性沥青混合料的 能耗达到７０．７ＧＪ，是各类材料中最高的，其能耗与碳排放高出普通热拌沥 青混合料约１５％，主要是因为ＳＢＳ改性剂的生产，具有高能耗与高排放的特 征以及成品ＳＢＳ改性沥青在生产和施工中存在二次加热。水稳碎石的单位体积 能耗低于沥青混凝土，而６％水泥掺量的水稳碎石单位体积碳排放则高于ＳＢＳ 改性沥青混凝土，达６．１ｔ，相比４％水泥掺量其能耗与碳排放增加约３０％， 能耗增加约２３．２％，进一步说明水泥掺量是影响水稳碎石能耗与碳排放的主 要因素。选择三类对与减少路面能耗与排放具有明显效果的材料和技术进行分析， 分别是：沥青混合料温拌技术、沥青混合料再生技术以及替代部分水泥的脱硫石 膏水稳碎石。分析设定：（１）温拌技术，集料加热、沥青加热温度相比热拌混 合料降低３０℃［１４］；
（２）再生技术，以旧料替代集料及部分沥青，不添加再生剂，旧料总量为３０％，分别替代２９％的集料及１％的沥青，旧料往返 运距为２０ｋｍ，考虑旧料破碎加工；
（３）脱硫石膏水稳碎石，以７％的脱硫 石膏替代２％的水泥及５％的细集料，脱硫石膏往返运距为２０ｋｍ。算得上述 材料或技术单位体积材料建设期能耗与碳排放，见表６。（１）温拌技术：沥青 混合料温拌能耗降低约５．２～５．３ＧＪ，碳排放减少约０．４ｔ，能耗与碳 排放降幅分为７．５％～８．６％和６．７％～８％。（２）再生技术：再生混 合料能耗降低约５．６ＧＪ，碳排放建设约０．５ｔ，降幅分为９．３％和１０％， 另计算，当旧料往返运输量相比集料多１３３ｋｍ・ｔ时，能耗优势消失，当旧 料往返运输量相比集料多１６０ｋｍ・ｔ时，碳排放优势消失，考虑旧料弃置的 运输时，在上述技术基础上增加旧料运输距离。（３）温拌＋再生技术：由表６ 可见，两种技术同时使用时形成节能减排的叠加效果。（４）脱硫石膏稳定碎石：
能耗降低３．２ＧＪ，降幅约９．６％，碳排放减少１．２ｔ，降幅约２５．５％。
三种技术中，脱硫石膏水稳碎石的环境友好性最好，尤其是对碳排放的减少起到 良好效果。再生技术需考虑旧料运输的距离，当旧料弃置的运距大于旧料利用的 运距可认为旧料利用是有效的。
５研究结果的比较分析 由于各国沥青混凝土路面的设计方法，路面结构和材料组合有着较大差异， 研究人员所选取的路面尺寸差异较大，在比较各国研究结果前，将各文献得出计 算结果以及本文计算结果在同一参考系下进行换算（等路面宽度、无构造坡度）。
瑞典、加拿大和美国等的沥青混凝土路面结构能耗和碳排放范围分别为８４０～ １１７０ＧＪ及６３．９～１０９．５ｔ，大约为我国能耗与碳排放的１／２～ ２／３，主要原因在于：（１）国外沥青混凝土路面材料中不添加水泥结合料， 国外多采用无结合料柔性基层沥青混凝土路面，相比我国路面在材料组成上减少 了水泥的使用；
（２）电能相对洁净，国外的电能中用煤比例较低，以瑞典为例， 其６０％以上的电能来源于风、水、核等，而我国这一比例不到２０％，在同样 电耗情况下，我国的上游碳排放为国外的２倍以上；
（３）统计口径的差别，统 计分析的范围差别影响最终分析结果，６结语本文将沥青混凝土路面建设期划分 为原材料生产、原材料运输及施工三个阶段组成，建立了环境计算模型，并利用 编制的计算软件，详细分析计算了我国典型的半钢基层沥青混凝土路面的能耗与 碳排放组成，并量化对比分析了三种节能减排技术和材料，得到的主要结论如下。
（１）原材料生产、原材料运输及施工三个阶段的能耗占比为６５％、８％和２ １％，碳排放占比为７７％、５％和１８％。（２）水泥为结合料的半刚性基层 材料是沥青混凝土路面建设期碳排放的主要来源，基层材料能耗与碳排放整体占比约６２％，面层材料占比约３８％。（３）水泥掺量是影响半刚性基层沥青混 凝土路面能耗与碳排放的重要因素。（４）计算得到各路面材料单位体积的建设 期能耗与碳排放。（５）路面结构承载标准荷载每百万轴次作用的能耗为８４． ９ＧＪ和９．９ｔ碳排放。（６）温拌技术对能耗与碳排放降幅分为７．５％～ ８．６％和６．７％～８％，再生技术能耗与碳排放降幅分为９．３％和１０％， 两种技术同时使用时其节能减排效应可以叠加。（７）使用脱硫石膏稳定碎石， 其能耗降低３．２ＧＪ，降幅约９．６％，碳排放减少１．２ｔ，减幅约２５． ５％，大幅减少水泥用量使得脱硫石膏水稳碎石的环境友好性最好，尤其是对碳 排放的减少起到良好效果。关于研究结论的讨论。（１）沥青混凝土路面的能耗 与碳排放计算结果受路面结构、几何尺寸和材料组成的影响较大，单一分析某种 固定参数的路面结构必然带来计算结果应用的不便，因此本文给出了单位体积材 料的计算结果，以便于研究人员的估算应用。（２）废旧材料再利用的环境效能 受旧料运输距离的影响，过长距离的运输抵消了大部分的节能减排效应，因此废 旧料利用应因地制宜，注重综合环保效率。（３）相比国外的沥青混凝土路面， 我国沥青混凝土路面材料中包含大量的水泥原材料，致使我国沥青混凝土路面的 环保性能大大低于国外水平，在满足性能要求的基础上，研究并推广应用无结合 料粒料基层沥青混凝土路面对于降低我国沥青混凝土路面的能耗与碳排放有着 重要意义。
作者：章毅 刘伟杰 单位：上海市城市建设设计研究总院 同济大学交通 运输工程学院
