橡膠改性瀝青混合料路面建設(shè)能耗與碳排放評價(jià)

張紅波,陳海濤,徐 升,李 平

(1.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 530000；2.廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530000；3.長沙理工大學(xué),湖南 長沙 410007)

1 概述

改革開放以來我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得了飛速發(fā)展，截止2019年，我國的公路里程達(dá)到了484.65萬km，高速公路達(dá)到14.26萬km。且車輛數(shù)量迅速增長，使得廢舊輪胎顯著增多，若處理不當(dāng)將對環(huán)境造成嚴(yán)重污染[1]。隨著“低碳環(huán)?！睉?zhàn)略的提出，如何有效地利用廢舊輪胎成為熱點(diǎn)問題，相關(guān)學(xué)者提出將廢舊輪胎粉碎回收[2-4]，制備成橡膠瀝青用于道路建設(shè)[5-6]觀點(diǎn)，以此實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保、節(jié)能減排的綠色交通。

但據(jù)相關(guān)研究報(bào)道，一條1 km長的瀝青路面建設(shè)需要消耗7×106 MJ的能耗[7]，交通行業(yè)的溫室氣體排放量達(dá)到全球溫室氣體總排放量的25%[8]。為此，如何實(shí)現(xiàn)對交通碳排放的有效評估，采取相關(guān)措施，降低交通行業(yè)的碳排放量，對減少全球溫室氣體排放有著重要意義。

在碳排放評估方面，生命周期分析法(LCA)是目前最適合評價(jià)碳排放的方法。該方法自20世紀(jì)90年代以來便開始用于道路與路面環(huán)境影響[9]，STRIPPLE H[10]利用生命周期法對瑞典的瀝青及水泥路面進(jìn)行研究，分析水泥與瀝青路面建設(shè)和養(yǎng)護(hù)階段的能耗。PARK K[11]利用LCA法將對高速公路的建設(shè)、維護(hù)與舊料回收過程的能耗與碳排放進(jìn)行評估。HUANG Y[12]、TOKEDE O O[13]等通過生命周期理論LCA分析方法，對瀝青路面鋪筑過程中能耗與碳排放進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)混合料的制備和瀝青生產(chǎn)能耗與碳排放占整個(gè)路面建設(shè)中能耗與碳排放的主要部分。吳廣文[14]運(yùn)用LCA法，測算了施工中原材料生產(chǎn)、銑刨、混合料生產(chǎn)、運(yùn)輸、攤鋪與碾壓等過程中的能耗與碳排放，研究表明就地?zé)嵩偕┕ぜ夹g(shù)比傳統(tǒng)銑刨重鋪節(jié)約大概1/2的能耗。章毅[9]利用LCA法，將瀝青混凝土路面建設(shè)期劃分為原材料生產(chǎn)、原材料運(yùn)輸和施工3個(gè)階段，研究發(fā)現(xiàn)原材料生產(chǎn)階段的能耗與碳排放占總能耗與碳排放的2/3以上。

在橡膠瀝青路面建設(shè)碳排放評估方面。WANG Q[16]等通過實(shí)地調(diào)研，將改性瀝青的碳排放與能耗過程分為基質(zhì)瀝青生產(chǎn)、改性劑生產(chǎn)和改性生產(chǎn)加工3個(gè)部分，分別對比單位質(zhì)量的橡膠瀝青(18%膠粉摻量與25%膠粉摻量)、SBS改性瀝青的能耗與碳排放,發(fā)現(xiàn)相比于SBS改性瀝青，橡膠瀝青可節(jié)省能耗約50%，減少碳排放量約17%。但是隨著膠粉摻量的增加，這種節(jié)能減排效果增幅不顯著。YU B[17]等基于生命周期理論LCA，依據(jù)瀝青改性劑種類、改性劑摻量、拌和工藝、碾磨工藝、制造工藝和運(yùn)輸距離,通過研究廢舊塑料與膠粉復(fù)合改性瀝青混合料PRA與SBS改性瀝青混合料生產(chǎn)能耗，發(fā)現(xiàn)相比于SBS改性瀝青混合料，單位質(zhì)量PRA混合料可有效節(jié)約能耗10%。WANG T[18]等研究了全生命周期中橡膠瀝青路面的能耗與碳排放,發(fā)現(xiàn)橡膠瀝青混合料的生產(chǎn)碳排放量組成類似于常規(guī)瀝青混合料，主要源自于瀝青，橡膠瀝青的溫室氣體二氧化碳和甲烷排放量顯著低于SBS改性瀝青，但是橡膠瀝青混合料的生產(chǎn)能耗較高，建議采用溫拌技術(shù)以節(jié)約燃油消耗。高放[19]基于生命周期評價(jià)方法(LCA),將瀝青路面建設(shè)期劃分為材料物化、運(yùn)輸和施工3個(gè)階段。研究發(fā)現(xiàn)，瀝青類路面工程材料整體的能耗要略高于基層材料，瀝青類材料中SBS改性SMA的能耗最高，為690 MJ/t；瀝青類材料中SBS改性SMA排放量最大，約42 kg-CO2/t。張童童[20]基于生命周期方法,建立能耗和碳排放評價(jià)體系,分析了原路面銑刨運(yùn)輸、原材料生產(chǎn)運(yùn)輸、混合料生產(chǎn)和混合料施工4個(gè)階段的能耗及碳排放。研究發(fā)現(xiàn)，溫拌再生瀝青路面建設(shè)期間,原材料生產(chǎn)運(yùn)輸及混合料生產(chǎn)的能耗及碳排放量占主要部分。陳珺[21]等運(yùn)用生命周期理論LCA從原材料銑刨運(yùn)輸、混合料生產(chǎn)、運(yùn)輸、攤鋪和碾壓5個(gè)方面研究再生橡膠瀝青混合料的能耗與碳排放量,發(fā)現(xiàn)混合料生產(chǎn)過程中橡膠瀝青的能耗與碳排放量占比超80%。隨著銑刨后RAP摻量增大，能耗與碳排放量逐步降低。相比于SMA-13路面，橡膠瀝青再生路面節(jié)能減排效果顯著，但相比于普通AC-13型路面節(jié)能減排效果不突出。陳霞[22]等基于層次分析法確立高速公路各指標(biāo)體系的權(quán)重，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)方法構(gòu)建高速公路節(jié)能減排總和評價(jià)體系，并以九井地區(qū)橡膠瀝青項(xiàng)目為例，實(shí)地調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)SBS改性瀝青，橡膠瀝青節(jié)能減排效果顯著，具備良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。張永利[23]等基于全生命周期評價(jià)方法對比3種制備工藝條件(干法、濕法、成品)下的橡膠瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的能耗和碳排放發(fā)現(xiàn)，橡膠瀝青混合料能耗與碳排放量顯著低于SBS改性瀝青，3種制備工藝條件中濕法制備工藝能耗與碳排放量較高，而干法和成品工藝無明顯差異。

綜上所示，現(xiàn)有對橡膠瀝青混合料的能耗與碳排放研究主要從單一過程角度出發(fā)，即通過橡膠瀝青及混合料的生產(chǎn)階段或施工階段進(jìn)行評價(jià)，缺少對橡膠瀝青路面全生命周期過程的評價(jià)，同時(shí)對現(xiàn)有典型路面材料與結(jié)構(gòu)碳排放的對比也存在系統(tǒng)性不足的問題，為此本文通過碳排放計(jì)算模型的分析，結(jié)合資料匯總確定相關(guān)參數(shù)取值，計(jì)算分析材料生產(chǎn)及運(yùn)輸、面層施工等過程不同路面材料與結(jié)構(gòu)碳排放與能耗特征，掌握橡膠瀝青路面節(jié)能減排效果。

2 能耗與碳排放模型計(jì)算模型

為研究瀝青面層碳排放與能耗實(shí)際情況，本文根據(jù)生命周期分析方法[24](LCA)將瀝青路面建設(shè)期分為原材料生產(chǎn)、原材料運(yùn)輸和路面施工3個(gè)階段。

2.1 碳排放計(jì)算方法

瀝青路面碳排放計(jì)算方法采用廣泛應(yīng)用于能源消費(fèi)行業(yè)的碳排放系數(shù)法，其核心是計(jì)算產(chǎn)品生產(chǎn)過程中所消耗的不同化石能源碳排放量總和。根據(jù)JTG/T 3832-2018《公路工程預(yù)算定額》(JTG/T 3832-2018)[25]以及《公路工程機(jī)械臺班費(fèi)用定額》(JTG/T 3833-2018)[26]中修筑單位實(shí)體路面所需要的車輛、施工機(jī)具、設(shè)備的臺班數(shù)，及對應(yīng)設(shè)備的單位臺班耗油量或耗電量，確定碳排放計(jì)算模型確定能耗計(jì)算公式[見式(1)與式(2)]，其中，活動強(qiáng)度值(Qi)表征碳排放源與碳排放直接相關(guān)的具體使用、投入數(shù)量等。

Gi=Qi×EFi

(1)

ECi=Qi×FC

(2)

式中：Qi為活動強(qiáng)度值，kg、kW·h等；EFi為碳排放因子，kg-CO2e/t、kg-CO2e/kg、kg-CO2e/kW·h等。FC為能耗系數(shù)，MJ/kg、MJ/t、MJ/L等。

2.2 材料生產(chǎn)階段評價(jià)模型

材料生產(chǎn)階段模型即為瀝青路面建設(shè)周期過程中筑路原材料在生產(chǎn)階段的碳排放總和與能耗總和，計(jì)算式(3)與式(4)。

(3)

(4)

式中：G1為原材料生產(chǎn)階段二氧化碳當(dāng)量排放量，kg-CO2e；mi為第i種材料質(zhì)量，t；EFi為第i種原材料單位質(zhì)量生產(chǎn)碳排放因子，kg-CO2e/t；EC1為原材料生產(chǎn)階段當(dāng)量能耗，MJ；FCi為第i種原材料單位質(zhì)量生產(chǎn)能耗系數(shù)，MJ/t。

a.基質(zhì)瀝青。

瀝青的碳排放因子與能耗系數(shù)計(jì)算是一項(xiàng)復(fù)雜的過程，歐洲瀝青協(xié)會基于生命周期理論將瀝青生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈分為4個(gè)部分[27]。

在原油開采方面，溫室氣體的排放主要體現(xiàn)在原油燃燒、排氣和加工過程，產(chǎn)生二氧化碳、甲烷、二氧化硫、氮氧化合物等溫室氣體。根據(jù)歐洲原油提供商(OGP)提供的數(shù)據(jù)[27-28]，俄羅斯開采石油占全球開采量的61%、中東占18%、南美洲占11%、歐洲占10%，開采單位質(zhì)量(1 t)原油的所排放的溫室氣體見表1。開采能耗大致的范圍為490～1 580 MJ/t，具體見表2。

表1 各國開采單位質(zhì)量原油溫室氣體排放清單Table1 Listofgreenhousegasemissionsperunitqualityofcrudeoilminedinvariouscountriesg/t國家CO2COSO2NOXCH4NMVOC俄羅斯102870627230240560210中東70140366760140170350南美洲148900597806701360730歐洲738009740250260260加權(quán)平均99135524290270548297

表2 各國開采單位質(zhì)量原油能耗清單Table2 Listofenergyconsumptionperunitqualityofcrudeoilminedinvariouscountries國家能耗/(MJ·t-1)氣體燃料/%柴油/%俄羅斯9601288中東4900100南美洲15805050歐洲10909010加權(quán)平均957——

在原油運(yùn)輸方面，其運(yùn)輸方式主要有管道運(yùn)輸或船舶運(yùn)輸。管道運(yùn)輸主要消耗電力資源，船舶運(yùn)輸消耗化石能源與電力能源。根據(jù)Eurobitume source測算，管道運(yùn)輸其單位能耗每100 km為0.75 kW·h/t；船舶運(yùn)輸消耗化石能源與電力能源，1 kg燃料排放的溫室氣體(見表3)，各國在原油運(yùn)輸方面產(chǎn)生的碳排放見表4，且對應(yīng)的航海油耗見表5[27]。

表3 船舶運(yùn)輸方式下單位溫室氣體排放清單Table3 Inventoryofgreenhousegasemissionsperunitofshiptransportation溫室氣體電力資源排放量/[g·(kW·h)-1]化石能源排放量/(g·kg-1)CO26903125CO0.79356NOX10.547.8碳?xì)浠衔?.060.27燃料消耗量220781000

表4 各國原油航運(yùn)溫室氣體排放清單Table4 Inventoryofgreenhousegasemissionsfromcrudeoilshippinginvariouscountries國家溫度不同氣體排放量/(g·t-1)CO2SO2NOXCO俄羅斯120117318413.7中東5644396486464.3南美洲3993367961145.5歐洲549831846.3

表5 各國原油航運(yùn)狀況Table5 Statusofcrudeoilshippinginvariouscountries國家運(yùn)距/km運(yùn)速/(km·h-1)耗時(shí)/h燃油/(t·trip-1)能耗/(kg·t-1)俄羅斯240625964073.8中東1179425473191518.1南美洲831225333135512.8歐洲100725411871.8加權(quán)平均4606251847617

在生產(chǎn)角度方面，瀝青生產(chǎn)過程中的碳排放與能源主要包括原油預(yù)處理、淡化、加熱煅燒、裝載、供暖、照明等。根據(jù)北歐生產(chǎn)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，生產(chǎn)單位質(zhì)量瀝青所消耗的能耗均值為510 MJ/t，其中79.2%為天然氣供能、19.1%為重油供能、1.7%為電力資源供能，且在原油提煉過程中不會排放CO2等溫室氣體，但一般只有少量輕油產(chǎn)品外溢出去[27]。

在儲存角度方面，瀝青在生產(chǎn)結(jié)束后，通過管道輸送至煉油廠的加熱罐中儲存。儲存罐體積為6 300 m3，儲存溫度為175 ℃，且儲存罐中的瀝青在需要電動馬達(dá)的作用下不斷循環(huán)。在此過程中能耗如表6所示[27]。

表6 瀝青儲存能耗表Table6 Energyconsumptiontableforasphaltstorage能耗來源分配比例/%能耗比例/%燃油/(kg·t-1瀝青)電力/(kW·h·t-1瀝青)煉油氣80.672.81.47—重油19.417.50.44—電力—9.7—2.69

根據(jù)上述瀝青生產(chǎn)各階段碳排放情況及歐洲瀝青協(xié)會的道路瀝青生產(chǎn)過程中碳排放參數(shù)[27]，可得單位質(zhì)量(1 t)瀝青溫室氣體排放清單如下：CO2為174 244 g，CH4為595 g，N2O為0 g，VOC為332 g，NOX為769 g，CO為612 g，SO2為780 g。

b.SBS改性瀝青。

SBS改性瀝青以基質(zhì)瀝青為原料，加入一定比例SBS改性劑、專屬穩(wěn)定劑，通過剪切、攪拌等方法使SBS均勻地分散于瀝青中，形成SBS共混材料。YU B[17]與WANG T[18]通過對實(shí)體工程的調(diào)研，詳細(xì)測定了改性瀝青生產(chǎn)過程中溫室氣體排放的種類以及能耗，對比可得生產(chǎn)單位質(zhì)量(1 t)SBS改性瀝青的溫室氣體排放和能耗清單見表7(SBS 內(nèi)摻4.5%)。

c.橡膠瀝青。

橡膠瀝青與SBS改性瀝青類似，其能耗與溫室氣體排放一般源于3個(gè)方面：基質(zhì)瀝青生產(chǎn)能耗和溫室氣體排放；膠粉生產(chǎn)能耗和溫室氣體排放；橡膠瀝青生產(chǎn)加工過程能耗和溫室氣體排放。

表7 生產(chǎn)單位質(zhì)量SBS改性瀝青能耗與碳排放清單Table7 ListofenergyconsumptionandcarbonemissionperunitmassofSBSmodifiedasphalt瀝青種類溫室不同氣體排放量/gCO2CH4N2OVOCNOXCOSO2能耗/MJ基質(zhì)瀝青(95.5%)16666756803177355847452580SBS(4.5%)113169418162003053372572037改性加工14403230127443177總和294239100816518106692610454794

膠粉改性劑作為一種筑路材料可有效改善瀝青的高低溫性能、抗疲勞特性，原材料一般取自于重載卡車輪胎，主要成分有天然橡膠(NR)、丁苯橡膠(SBR)、聚異戊二烯和碳黑等組成[30]。美國加利福尼亞州推薦膠粉改性劑中廢舊輪胎與添加的天然橡膠比例為3∶1，利用螺旋攪拌機(jī)對所有物料進(jìn)行攪拌、剪切、擠壓，使其充分結(jié)合，最后通過常溫研磨法對其進(jìn)行粉碎以達(dá)到不同的細(xì)度[31]。膠粉粒徑越小，其制備能耗成本也就越高。

通過YU B[17]與WANG T[18]對實(shí)體工程的調(diào)研成果，可得生產(chǎn)單位質(zhì)量(1 t)橡膠瀝青的溫室氣體排放和能耗清單見表8，為提高橡膠瀝青改性效果，添加0.5%聚辛烯。

表8 生產(chǎn)單位質(zhì)量(1t)橡膠瀝青溫室氣體排放清單[2-3]Table8 Listofgreenhousegasemissionsofrubberasphaltbyproductionunitmass(1t)[2-3]瀝青種類溫室不同氣體排放量/gCO2CH4N2OVOCNOXCOSO2能耗/MJ基質(zhì)瀝青(79.6%)13991247702666174916252144橡膠粉(19.9%)308641464458099103613橡膠粉加工生產(chǎn)206101121148聚辛烯(0.5%)61732916121412128改性加工617123500101170總和177772188753187116067423203

d.不同瀝青碳排放差異。

因各種溫室氣體的輻射作用與在大氣中存在周期不同，對全球氣候系統(tǒng)產(chǎn)生的變暖影響也存在一定差異，故采用二氧化碳當(dāng)量(CO2e)作為度量值，轉(zhuǎn)化為碳排放因子(EFi)，計(jì)算公式如式(5)所示，其中全球變暖潛力值數(shù)據(jù)采用《京都協(xié)議書》中的數(shù)據(jù),CO2、CH4、N2O、SF6、NO依次為1、21、310、22 800、296。

(5)

式中：GWPi為第i中溫室氣體全球變暖潛力值；wmi為生產(chǎn)單位質(zhì)量瀝青第i中溫室氣體排放量，g。

本文采用YU B[17]與WANG T[18]實(shí)測法調(diào)研成果，計(jì)算得到3種瀝青的碳排放與能耗清單見表9。

表9 3種瀝青單位質(zhì)量(1t)碳排放與能耗清單Table9 Listofcarbonemissionsandenergyconsumptionperunitmass(1t)ofthreekindsofasphalt瀝青種類二氧化碳當(dāng)量/(kg-CO2e·t-1)能耗/(MJ·t-1)基質(zhì)瀝青1872702基質(zhì)瀝青1792580SBS改性瀝青SBS改性劑1272037改性加工15177總和3214794基質(zhì)瀝青1502144橡膠瀝青改性劑42889改性加工27170總和2203203

兩種改性瀝青的能耗與碳排放量均高于基質(zhì)瀝青，相比于SBS改性瀝青，橡膠瀝青節(jié)能減排效果顯著。SBS改性瀝青能耗為4 974 MJ/t，二氧化碳當(dāng)量為321 kg-CO2e，而橡膠瀝青二氧化碳當(dāng)量與能耗節(jié)省約三分之一，僅為220 kg-CO2e/t、3 203 MJ/t。改性劑的生產(chǎn)與改性加工大幅增加了瀝青制備的碳排放量與能耗。相比于SBS改性瀝青，一方面，橡膠瀝青的改性劑膠粉大部分源自于廢舊輪胎的回收，即使需要加工生產(chǎn)，其能耗與碳排放量也遠(yuǎn)低于SBS改性劑;另一方面，橡膠瀝青中膠粉含量一般約為20%，一定程度上減少了基質(zhì)瀝青造成的能耗與碳排量。

2.3 材料運(yùn)輸階段評價(jià)模型

a.評價(jià)模型。

現(xiàn)階段我國采用的原材料運(yùn)輸手段主要有公路運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸、水路運(yùn)輸3類，鑒于研究條件有限，運(yùn)輸過程中因受交通狀況、交通擁擠程度等因素而產(chǎn)生的碳排放量難以精準(zhǔn)計(jì)算，故原材料運(yùn)輸階段模型采用各運(yùn)輸方式單位周轉(zhuǎn)碳排放量乘以運(yùn)輸距離進(jìn)行估算，具體見式(6)與式(7)。

(6)

(7)

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，kg-CO2e/(t·km)；xij為第i種原材料的第j種運(yùn)輸方式運(yùn)距，km；FCij為第i種原材料第j種運(yùn)輸方式單位周轉(zhuǎn)能耗，MJ/(kg·km)。

b.模型參數(shù)。

不同交通運(yùn)輸方式的周轉(zhuǎn)碳排放與能耗如表10所示[32]。

表10 交通運(yùn)輸行業(yè)單位換算轉(zhuǎn)量碳排放與能耗Table10 Carbonemissionsandenergyconsumptionperunitconversioninthetransportationindustry交通運(yùn)輸方式單位周轉(zhuǎn)量碳排放/(kg-CO2e·t-1·km-1)單位周轉(zhuǎn)量能耗/(MJ·t-1·km-1)鐵路運(yùn)輸內(nèi)燃機(jī)車0.00770.1105電力機(jī)車0.00870.0395公路運(yùn)輸汽油貨車0.15170.0503柴油貨車0.15530.0521水路運(yùn)輸小型機(jī)動船0.03680.5000大型船舶0.00720.0980

2.4 面層施工階段評價(jià)模型

a.評價(jià)模型。

瀝青混合料施工階段模型主要分為4個(gè)部分：拌和、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓。其中拌和階段碳排放由拌和站內(nèi)裝載機(jī)能耗排放與拌和設(shè)備能耗排放兩部分組成；混合料運(yùn)輸階段碳排放為混合料在拌和站生產(chǎn)完畢后,拌和站運(yùn)送至施工現(xiàn)場由運(yùn)輸車輛燃燒油耗所產(chǎn)生的碳排放；攤鋪與碾壓階段的碳排放由生產(chǎn)工藝所需使用的施工機(jī)具所消耗的油耗以及電力資源所產(chǎn)生的碳排放。施工階段碳排放模型見式(8)～式(13)。

(8)

(9)

G3=G31+G32

(10)

(11)

(12)

EC3=EC31+EC32

(13)

b.模型參數(shù)。

在瀝青混合料拌和階段，不同種類的瀝青混合料的集料加熱溫度、瀝青加熱溫度以及混合料拌和溫度不同，導(dǎo)致能耗與碳排放量相差較大，然而預(yù)算定額中并未將此考慮在內(nèi)，存在一定不合理性。因此，本文擬采用熱動力學(xué)原理，基于熱傳遞和能量守恒定律，計(jì)算瀝青混合料拌和過程中的燃油消耗量[33-34]，從而推算出該部分能耗與碳排放。

(14)

(15)

式中：mac為生產(chǎn)一基本單元瀝青混合料所消耗柴油量，kg；mgz為生產(chǎn)一基本單元瀝青混合料所消耗重油量，kg；ca、cg、cw為瀝青、集料、水的比熱容，MJ/(kg·℃)；Δta、Δtg、Δtw為瀝青、集料、水的加熱溫度增量，℃；λ1、λ2為柴油、重油的能耗系數(shù)，MJ/kg；η1、η2、η3為柴油燃燒能量傳遞瀝青的效率、重油燃燒效率、滾筒熱交換率，%。

常見瀝青路面筑路材料比熱容如下：石油瀝青、SBS改性瀝青、橡膠瀝青、水、集料依次為:1 340、2 276、2 577、4 190、920 J/(kg·℃)。模型中假定集料含水率為4%，水分蒸發(fā)所需能量按照130 ℃考慮[21]，不同種類瀝青混合料的加熱溫度增量取表11溫度范圍中值?；陬A(yù)算定額與機(jī)械臺班定額，模型中拌和設(shè)備生產(chǎn)能力選取160 t/h，型號為LB-2000型，重油燃效率為90%，柴油燃燒率為15.4%，滾筒熱交換率為60%。在瀝青混合料運(yùn)輸、攤鋪、碾壓階段，參考預(yù)算定額與機(jī)械臺班定額，不同種類瀝青混合料施工工藝臺班數(shù)量與其消耗化石能源參考《公路工程預(yù)算定額》(JTG/T 3832-2018)和《公路工程機(jī)械臺班費(fèi)用定額》(JTG/T 3833-2018)。

表11 不同種類瀝青混合料原材料加熱溫度Table11 Heatingtemperatureofdifferenttypesofasphaltmixturerawmaterials℃類型集料加熱溫度瀝青加熱溫度AC175～185155～165SBS-AC190～200165～175AR-AC190～200170～180SMA190～200165～175AR-SMA190～200175～185

3 瀝青路面碳排放與能耗特征研究

為研究橡膠瀝青路面節(jié)能減排效果，本文選取1 000 m全幅瀝青路面作為研究對象，假定全幅瀝青路面面層寬度為29.5 m，選定5種結(jié)構(gòu)方案(見表12)。

各方案每種原材料的運(yùn)輸距離和運(yùn)輸工具一致，且各級配混合料干密度與油石比如表13所示。

表12 五種路面結(jié)構(gòu)方案Table12 Fivepavementstructureschemes不同方案所用的級配及瀝青方案1(SBS-AC)方案2(CB-AC)方案3(SBS-SMA)方案4(CB-SMA)方案5(O-AC)上面層(細(xì)粒式瀝青混凝土、40mm)SBS-AC-13AR-AC-13SBS-SMA-13AR-SMA-13AC-13中面層(中粒式瀝青混凝土、60mm)SBS-AC-20AR-AC-20SBS-AC-20AR-AC-20AC-20下面層(粗粒式瀝青混凝土、80mm)AC-25AC-25AC-25AC-25AC-25

運(yùn)輸距離參數(shù)設(shè)定如下：瀝青混合料拌和與施工現(xiàn)場的距離為5 km；石料廠、石油廠、礦粉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。

表13 各級配混合料壓實(shí)密度與油石比Table13 Compacteddensityandoil-stoneratioofmixturesatvariouslevels混合料類型干密度/(t·m-3)油石比/%粗粒式2.3774.45AC中粒式2.3704.80細(xì)粒式2.3635.22SBS-AC中粒式2.3744.89細(xì)粒式2.3665.22粗粒式2.3774.58AR-AC中粒式2.3704.97細(xì)粒式2.3665.97SMA2.3656.21AR-SMA2.3656.76

3.1 材料生產(chǎn)及運(yùn)輸階段分析

根據(jù)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)及原材料運(yùn)距的設(shè)定，計(jì)算得到5種結(jié)構(gòu)方案的原材料生產(chǎn)與運(yùn)輸階段能耗與碳排放，如圖1、圖2所示。

a.總體而言，原材料生產(chǎn)階段碳排放與能耗占比排序均為：瀝青>集料>礦粉。如圖1所示，瀝青碳排放約為生產(chǎn)碳排放的71%～79%，能耗約為生產(chǎn)能耗的66%～79%，占據(jù)絕對主體地位，而集料與礦粉二者之和的碳排放與能耗約占20%～30%。究其原因在于瀝青的生產(chǎn)過程需要經(jīng)過開采、蒸餾、分離、運(yùn)輸?shù)冗^程，過程復(fù)雜且每一項(xiàng)子過程所消耗的化石能源與電力能源較大，而集料與礦粉的生產(chǎn)相對簡單，僅需開采、破碎和篩分，生產(chǎn)單位質(zhì)量的集料碳排放與能耗較小，因此，瀝青的碳排放因子與能耗系數(shù)是集料和礦粉的60倍～100倍不等，雖然混合料中的瀝青質(zhì)量遠(yuǎn)不及集料與礦粉，但其碳排放與能耗總數(shù)約是集料與礦粉的2.5倍～5倍。

圖1 不同路面結(jié)構(gòu)原材料生產(chǎn)碳排放與能耗

b.從混合料所用瀝青種類角度出發(fā)，橡膠瀝青碳排放量與能耗較低，節(jié)能減排效果顯著。瀝青在生產(chǎn)碳排放與能耗中占據(jù)主體地位，是區(qū)分各路面結(jié)構(gòu)方案、各面層的碳排放與能耗的主要指標(biāo)，如圖2所示，在AC-13、AC-20與SMA-13結(jié)構(gòu)中，使用橡膠瀝青的碳排放量約為SBS改性瀝青的65%～72%，能耗為SBS改性瀝青的61%～68%，究其原因在于:基于濕法工藝的橡膠瀝青混合料，其膠粉摻量約為20%，由此可以節(jié)約20%左右基質(zhì)瀝青，且膠粉一般源自于廢舊輪胎的回收與加工，較SBS改性劑的生產(chǎn)與加工能耗與碳排放大幅減少，因而表現(xiàn)為混合料中使用橡膠瀝青能耗與碳排放量低于SBS改性瀝青。

圖2 不同種類瀝青混合料生產(chǎn)碳排放與能耗

c.不同種類瀝青混合料原材料運(yùn)輸階段碳排放量與能耗差距較小,見表14。該階段碳排放量與能耗主要受到瀝青混合料的干密度與運(yùn)距的影響，而在本模型中運(yùn)距固定，不同種類干密度參考表14，可知其相差小于0.02 t/m3，因此反映到總量無明顯差異。

表14 瀝青混合料原材料運(yùn)輸階段碳排放與能耗Table14 Carbonemissionsandenergyconsumptioninthetransportphaseofasphaltmixtureraw方案碳排放/(kg-CO2e)能耗/MJ方案119118273387方案219104273156方案319118273361方案419107273207方案519104273283

3.2 面層施工階段分析

本文模型選定廠拌法施工工藝，施工階段能耗與碳排放主要考慮施工所需機(jī)具設(shè)備帶來的化石能源與電力能源耗能與碳排放，各面層施工工藝及所需設(shè)備臺班參照預(yù)算定額與機(jī)械臺班定額確定。5種面層結(jié)構(gòu)方案施工階段碳排放與能耗，如圖3、圖4所示。

圖3 路面施工階段碳排放與能耗

圖4 拌和階段碳排放與能耗

a.總體而言，路面施工階段碳排放與能耗排序均為：拌和>碾壓>攤鋪>運(yùn)輸。如圖3所示，拌和階段碳排放與能耗約為總碳排放與能耗的三分之一，占據(jù)主體地位，碾壓階段碳排放約為總碳排放與能耗的21%～25%，而攤鋪與運(yùn)輸階段碳排放與能耗占比較小，二者之和僅為10%左右。施工中拌和階段需要對原材料進(jìn)行加熱，在高溫環(huán)境下對混合料進(jìn)行拌和，且原材料數(shù)量龐大，消耗了大量的化石能源與電力資源，因而拌和階段碳排放量占比較高。

b.從拌和角度出發(fā)，橡膠瀝青混合料的能耗與碳排放略高于SBS改性瀝青混合料。如圖4所示，在AC-13、AC-20和SMA-13結(jié)構(gòu)層中，橡膠瀝青混合料的碳排放和能耗較SBS改性瀝青混合料增長4%～7%，且均遠(yuǎn)高于基質(zhì)瀝青混合料，造成該現(xiàn)象的原因在于，混合料拌和階段碳排放主要由原材料的加熱工序產(chǎn)生，所需加熱溫度越高，所消耗的化石能源則越多，碳排放量也隨之增長，如表15所示，橡膠瀝青混合料的集料加熱溫度為190 ℃～200 ℃，瀝青加熱溫度為170 ℃～180 ℃，二者均高于普通石油瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料，因此，橡膠瀝青混合料拌和碳排放量與能耗最高。

表15 瀝青混合料加熱溫度Table15 Heatingtemperatureofasphaltmixture℃瀝青加熱溫度集料加熱溫度橡膠瀝青混合料155～165175～185SBS改性瀝青混合料165～175190～200基質(zhì)瀝青混合料170～180190～200

c.從碾壓角度出發(fā)，橡膠瀝青混合料的碳排放與能耗顯著高于SBS改性瀝青混合料與基質(zhì)瀝青混合料。如圖5所示，在AC-13、AC-20和SMA-13結(jié)構(gòu)層中，橡膠瀝青混合料的碳排放與能耗越是SBS改性瀝青與基質(zhì)瀝青混合料的1.4倍，造成該現(xiàn)象的原因在于橡膠瀝青混合料具備“回彈”特性，因此，在施工機(jī)械定額中，橡膠瀝青混合料采用高頻、低振幅的大功率鋼輪壓路機(jī)，施工臺班數(shù)量大，此外，橡膠瀝青粘度較大，為減少其粘附于壓路機(jī)，碾壓所需的灑水車臺班數(shù)量也高于SBS改性瀝青混合料。

圖5 碾壓階段碳排放與能耗

3.3 總建設(shè)周期分析

基于前述計(jì)算結(jié)果，匯總得5種路面結(jié)構(gòu)方案總建設(shè)周期的碳排放與能耗，如圖6、圖7所示。

圖6 5種結(jié)構(gòu)方案總建設(shè)周期碳排放與能耗

圖7 中上面層總建設(shè)周期碳排放與能耗

a.路面總建設(shè)周期過程中碳排放與能耗排序大小均為：原材料生產(chǎn)>路面施工>原材料運(yùn)輸。如圖6所示，原材料生產(chǎn)碳排放約為總碳排放的65%～70%，能耗約為總能耗的65%～73%，占據(jù)主體地位，這是由于路面建設(shè)工程中原材料用量十分巨大，其生產(chǎn)消耗大量化石能源與電力能源所致，而路面施工與原材料運(yùn)輸?shù)奶寂欧排c能耗約為總碳排放量與總能耗的30%。

b.總體而言，5種結(jié)構(gòu)方案中，橡膠瀝青混合料能夠有效節(jié)省生產(chǎn)建設(shè)能耗,減少溫室氣體排放。對比CB-AC和SBS-AC、CB-SMA和SBS-SMA結(jié)構(gòu)總建設(shè)周期過程，在相同路面結(jié)構(gòu)條件下，中上面層使用橡膠瀝青可有效降低能耗13.6%，減少碳排放量約14.2%。

4 結(jié)論

a.根據(jù)生命周期分析方法(LCA)，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(gè)階段，建立瀝青路面碳排放與能耗模型。

b.對比單位質(zhì)量瀝青及瀝青混合料的能耗與碳排放發(fā)現(xiàn)，SBS改性瀝青能耗與碳排放量最大，橡膠瀝青次之，基質(zhì)瀝青最小。

c.設(shè)定5種路面結(jié)構(gòu)方案：SBS-AC、CB-AC、SBS-SMA、CB-SMA、O-AC，對比總建設(shè)周期的能耗與碳排放量發(fā)現(xiàn)，CB-AC與CB-SMA結(jié)構(gòu)方案能夠保證路用性能并兼具環(huán)保。同路面結(jié)構(gòu)條件下，中上面層使用橡膠瀝青可有效降低能耗與碳排放。

d.路面總建設(shè)周期過程中碳排放與能耗排序?yàn)椋涸牧仙a(chǎn)>路面施工>原材料運(yùn)輸，其中原材料生產(chǎn)碳排放與能耗約為總建設(shè)周期碳排放與能耗的2/3。在原材料生產(chǎn)階段，碳排放與能耗占比排序：瀝青>集料>礦粉，其中橡膠瀝青的節(jié)能減排效果優(yōu)于SBS改性瀝青；在面層施工階段，碳排放與能耗排序均為：拌和>碾壓>攤鋪>運(yùn)輸，拌和階段碳排放與能耗約為該階段碳排放與能耗的三分之一，占據(jù)主體地位。