就地熱再生瀝青路面建設期碳排放分析

柴明明，李　明，齊桂才，王　騰

(1.重慶交通大學　土木工程學院，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)

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就地熱再生瀝青路面建設期碳排放分析

柴明明1，李明2，齊桂才3，王騰1

(1.重慶交通大學土木工程學院，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)

為分析就地熱再生瀝青路面建設期產生的碳排放，采用生命周期分析方法，將建設期劃分為材料生產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。結合工程實例計算路面建設期的碳排放，量化不同新料摻比、舊料運距及利用率下的碳排放，對比分析4種路面養(yǎng)護技術的碳排放強度。結果表明：材料生產和路面施工階段碳排放占比20%和80%；就地熱再生新料摻比提高1%，碳排放增加2%；舊料利用率100%的廠拌熱再生與就地熱再生碳排放相等時的舊料運距為42km，只有舊料運距高于42km時，就地熱再生碳排放才比廠拌熱再生少，當舊料利用率低于75%時，無論舊料運距長短，就地熱再生碳排放都比廠拌熱再生少；與就地熱再生相比，微表處、超薄罩面和銑刨重鋪碳排放強度增幅分別為53%,72%和79%。

環(huán)境工程；碳排放；生命周期分析；就地熱再生瀝青路面

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注的重大問題，節(jié)能減排已成為國際社會的共同責任。我國“十二五”期間道路建設瀝青混合料的年需求量超過1億t，CO2年排放量達到450萬t[1]，隨著道路大范圍的進入維修期，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)利用率要達到90%以上[2]，近年來新興路面維修養(yǎng)護工藝如就地熱再生技術可100%回收利用原瀝青路面舊料，此技術可在提高資源利用率的同時減少碳排放。

國內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、運輸和機械施工的能耗及環(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、建造、養(yǎng)護和拆除廢棄4個階段能耗和排放；王賢衛(wèi)[6]等研究了高速公路建設過程中路基、路面、橋涵和隧道工程在材料生產、材料運輸和機械施工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，針對就地熱再生瀝青路面建設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，建立就地熱再生瀝青路面建設期碳排放計算模型，結合工程實例計算路面建設期碳排放，量化不同新料摻比、不同舊料運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)護技術的碳排放。

1　就地熱再生建設期碳排放計算模型

基于生命周期分析法，就地熱再生瀝青路面的建設期界定為材料生產和路面施工兩階段，見圖1，建設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分別為就地熱再生瀝青路面建設期、材料生產階段、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為加熱機碳排放系數(shù)；xj，ms為施工機械活動數(shù)據(jù)；vj，fs為施工機械碳排放系數(shù)；j，s為各路面施工機械；t，u為施工機械種類數(shù)。

圖1　就地熱再生瀝青路面建設過程劃分Fig.1　Division of hot in-place recycling asphalt pavement construction process

2　工程實例

結合某高速公路就地熱再生瀝青路面試驗路工程，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)。

查閱相關文獻[10-15]得到建設期各過程的能源消耗量，結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)

就地熱再生瀝青路面試驗路工程完成路面實體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、混合料運距分別為70,27,45km。再生設備為鞍山森遠集團的SY4500再生機組(3臺加熱機、1臺銑刨機和1臺復拌機)，攤鋪機使用的是4.5m以內的攤鋪機，光輪壓路機和振動壓路機使用的是15t以內、輪胎壓路機為16～20t。

表1　就地熱再生建設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　工程實例碳排放分析

3.1就地熱再生瀝青路面建設期碳排放分析

由圖2可知，就地熱再生瀝青路面試驗路工程材料生產和路面施工階段產生碳排放占建設期總排放的20%和80%，路面施工階段是就地熱再生瀝青路面建設期碳排放的主要組成部分。材料生產階段的碳排放主要集中在原材料的生產和混合料的拌和，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熱再生設備(加熱機、銑刨機、復拌機)，碳排放占比90%，其中加熱機產生碳排放占比66%。從碳排放角度來看，需選用高效節(jié)能的就地熱再生機組。

圖2　就地熱再生瀝青路面建設期碳排放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

就地熱再生技術可以實現(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路面實體產生的碳排放見圖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，新料摻比提高1%，碳排放增加2%。

圖3　就地熱再生瀝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不同舊料運距及利用率下的碳排放分析

廠拌熱再生碳排放隨舊料運距增大而逐漸增加，就地熱再生是在現(xiàn)場100%利用舊料，碳排放保持不變。1t舊料不同運距及利用率下產生的碳排放見圖4，就地熱再生產生碳排放20kg。

圖4　舊料不同運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距為0時產生碳排放10kg，當運距為42km時，廠拌和就地熱再生產生碳排放相等。從碳排放環(huán)保角度出發(fā)，只有當運距大于42km時，就地熱再生才有優(yōu)勢。

(2)舊料運距為0時，舊料利用率為70%，80%，90%的廠拌熱再生產生碳排放為22，18，14kg，碳排放增長量與舊料利用率呈線性負相關，利用率減少10%，碳排放增加4kg，采用內插法，得到舊料利用率為75%的廠拌熱再生產生碳排放為20kg，和就地熱再生產生碳排放相等。故舊料利用率低于75%時，無論運距長短，就地熱再生比廠拌熱再生更具有減排優(yōu)勢。

3.4不同養(yǎng)護技術碳排放對比分析

選取3種常用高速公路瀝青路面養(yǎng)護技術進行碳排放對比分析，分別是銑刨重鋪技術、超薄罩面技術和微表處技術，分析設定：

(1)銑刨重鋪技術，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，運距115km。銑刨機采用維特根2 000，舊料運距11km，預計使用壽命4a。

(2)超薄罩面技術，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。罩面機械為中交西筑ZT600型專用攤鋪機，預計使用壽命4a。

(3)微表處技術，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，施工機械為河南高遠HGY5311TXJ微表處攤鋪車，預計使用壽命3a。

就地熱再生路面的預計使用壽命為3a，4種常用高速公路瀝青路面養(yǎng)護技術的碳排放強度見圖5，就地熱再生的碳排放強度為19kg/(m3·a)，為4種技術最少，其次是微表處、超薄罩面，產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碳排放強度增幅分別為53%，72%和79%。

圖5　4種養(yǎng)護技術碳排放強度Fig.5　Carbon emission of 4 maintenance technologies

銑刨重鋪、超薄罩面和微表處建設期的碳排放主要來源于材料生產階段，與就地熱再生相反，主要原因是就地熱再生百分百利用路面舊料，減少了原材料的生產和運輸。

4　結論

本文就地熱再生瀝青路面建設期劃分為材料生產和路面施工兩個階段，采用LCA方法，建立了碳排放計算模型，結合工程實例計算了建設期的碳排放，主要結論如下：

(1)案例計算結果顯示，材料生產和路面施工階段產生的碳排放分別占建設期總碳排放的20%和80%，路面施工階段的碳排放主要來源于就地熱再生設備尤其是加熱機，材料生產階段的碳排放主要來自原材料的生產和混合料的拌和。

(2)就地熱再生技術碳排放增長率與新料摻比呈線性正相關，新料摻比每提高1%，碳排放增加2%。

(3)就地熱再生技術利用1t舊料產生碳排放20kg。舊料100%利用的廠拌熱再生與就地熱再生碳排放相等時的舊料臨界運距為42km，當舊料運距高于42km時，就地熱再生比廠拌熱再生才有優(yōu)勢。隨著舊料利用率減少，臨界運距隨著縮短，舊料75%利用的廠拌熱再生臨界運距減少為0km，無論運距長短，就地熱再生比廠拌熱再生有優(yōu)勢。

(4)路面建設期碳排放強度：就地熱再生<微表處<超薄罩面<銑刨重鋪。就地熱再生碳排放強度為19kg/(m3·a)，微表處、超薄罩面和銑刨重鋪技術碳排放增幅分別為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]交通運輸部. 關于加快推進公路路面材料循環(huán)利用工作的指導意見[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]交通運輸部.節(jié)能減排量或投資額核算技術細則(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，清潔生產標準-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)境排放評價技術研究 [R]. 上海：同濟大學，2014.

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

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

[13]JTG/TB06-02—2007，公路工程預算定額[S].

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

[14]JTG/TB06-03—2007，公路工程機械臺班費用定額[S].

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

[15]任淑晶，齊廣田.SY4500型瀝青路面就地熱再生重鋪機組[J]. 工程機械，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

重慶市科學技術委員會科技項目(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