基于LCA 的瀝青路面施工期碳排放模型及特征研究

張興宇，朱曉東，左貴強，牛 凱

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市 300074）

0 引言

落實碳達峰、碳中和目標已成為我國重大戰(zhàn)略決策。交通作為CO2排放的主要來源之一，占全球與能源活動相關的CO2排放總量的27%[1]，是實現(xiàn)節(jié)能減排的重點領域。在交通行業(yè)減排過程中，往往更加重視汽車尾氣所產(chǎn)生的碳排放，而忽略交通基礎設施建設過程中的碳排放影響。事實上，道路建設消耗大量水泥、瀝青等高碳密度建筑材料，使用柴油、汽油、電力驅動的施工機械，產(chǎn)生大量的溫室氣體。據(jù)統(tǒng)計，該部分碳排放量約為交通運輸碳排放總量的10%～20%[2]，不可小覷。

目前，國內(nèi)外采用生命周期評價（Life Cycle Assessment，以下簡稱LCA）方法開展的道路設計、施工、運營全過程能耗與碳排放量化分析的研究成果較多。例如：Nisbet 等[3-5]利用LCA 法對瀝青及水泥路面建設、維護階段的碳排放及能耗進行量化分析；類似的，張海濤等[6-7]采用公路工程定額，對瀝青路面建設過程進行碳排放量化評估，剖析了半剛性基層、復合式基層等不同路面結構類型對碳排放結果的影響水平；張紅波等[8]對橡膠改性瀝青路面建設期能耗和碳排放進行分析，發(fā)現(xiàn)橡膠瀝青節(jié)能減排效果優(yōu)于SBS 改性瀝青。

現(xiàn)有研究多針對某一階段的（如材料物化、現(xiàn)場施工）碳排放計算模型構建，對完整的建設期碳排放模型構建研究尚不完善，且對于后續(xù)的影響評價分析有待深化。本文通過追溯瀝青路面鋪筑碳排放源頭，搜集相關碳排放活動因子，采用LCA 法構建瀝青路面建設階段碳排放計量模型，并以典型路面結構方案為例，對其原材料生產(chǎn)、場外拌和、運輸和現(xiàn)場施工階段碳排放量進行量化分析，得出不同階段、不同建筑材料的碳排放特征規(guī)律。研究可為瀝青路面結構設計、鋪筑過程的低碳減排提供一定的理論依據(jù)。

1 瀝青路面LCA 概述

LCA 是指評估某一建設活動從原料開采到產(chǎn)品加工生產(chǎn)、使用、維護至廢棄整個生命周期過程中所有投入和產(chǎn)出對環(huán)境造成影響的方法[9]。其分析過程包括目標定義與邊界劃分、生命周期清單分析、生命周期影響評估、生命周期結果解譯4 個部分。

1.1 目標定義與邊界劃分

該階段是開展生命周期分析的首要步驟，需要確定評價對象、評價目的、系統(tǒng)邊界，即框選出合理的研究范圍。本文以瀝青路面施工期碳排放為評價對象，研究范圍包括瀝青、石料、外摻劑等原料的生產(chǎn)，場外拌和，材料運輸，以及現(xiàn)場施工4 個過程。系統(tǒng)邊界如圖1 所示，不包括基礎設施的建設、施工設備生產(chǎn)、燃料生產(chǎn)及路面的維修養(yǎng)護等過程。此外，對分析結果影響較小的施工環(huán)節(jié)及原料生產(chǎn)環(huán)節(jié)可以忽略不計。

圖1 瀝青路面施工期碳排放計量系統(tǒng)邊界

1.2 生命周期清單分析

該階段是整個LCA 的核心環(huán)節(jié)，是對瀝青路面生命周期內(nèi)碳排放進行量化的過程，包含碳排放因子收集和碳排放量計算兩個部分。通過清單分析可量化瀝青路面施工過程產(chǎn)生的碳排放量對環(huán)境的負荷影響，從而做出評估與預測[6]。

1.3 生命周期影響評估

影響評估是在碳排放量化結果的基礎上深度分析瀝青路面建設碳排放的特征，從不同顆粒度上評價其對環(huán)境影響的程度。該步驟有利于分析出瀝青路面建設碳排放的關鍵因素，從而為建設者提供如何減碳的決策支持。

1.4 生命周期結果解譯

生命周期結果解譯就是綜合上述3 個環(huán)節(jié)的分析結果，形成總結與建議的階段。對于瀝青路面建設施工階段的碳排放來說，就是識別出排放熱點、敏感性因素等，給出評價結果，并提出相應的改進措施以降低其對環(huán)境的影響。

2 碳排放測算方法

為研究瀝青路面施工期碳排放情況，本文采用LCA 法將其劃分為原材料生產(chǎn)、場外拌和、材料運輸和現(xiàn)場施工4 個階段，結合排放因子法，構建路面施工期碳排放計算模型，量化分析路面工程施工期的碳排放情況。

2.1 碳排放來源

瀝青路面施工期的碳排放主要源自于每個階段的施工工序和多種機械設備。通過梳理瀝青路面整個施工過程，得出各階段碳排放來源及其類別[10]（見表1）。

表1 瀝青路面施工期碳排放來源及類別表

2.2 碳排放因子取值

（1）原材料生產(chǎn)

瀝青路面施工筑路材料一般包含瀝青、水泥、礦粉、碎石等。原材料生產(chǎn)階段碳排放因子數(shù)據(jù)參照歐洲瀝青協(xié)會數(shù)據(jù)庫（Eurobitumen 2011）、中國本地化CLCD 數(shù)據(jù)庫及相關文獻[11]取值（見表2）。為統(tǒng)一衡量溫室效應的結果，本文碳排放以當量CO2排放值表示，通過全球變暖潛在值（GWP）對排放氣體進行換算。

表2 原材料生產(chǎn)碳排放因子

（2）材料運輸

材料運輸階段因運輸方式、運距不同而產(chǎn)生不同的碳排放量，來源主要涉及筑路原材料運輸?shù)桨韬蛷S、拌和加工后運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場兩類。一般原材料的運輸手段主要有公路、鐵路、水路3 類；加工后的混合料則以公路運輸為主，采用不同型號的貨車、自卸車等。不同運輸方式的碳排放因子見表3。

表3 不同運輸方式單位周轉量碳排放因子[8]

（3）場外拌和及現(xiàn)場施工

混合料場外拌和及現(xiàn)場施工的碳排放來源主要是拌合設備、攤鋪機、壓路機以及灑水車等施工機具及車輛的運作，涉及汽油、重油、柴油、天然氣以及電能等能源。該部分碳排放因子參照《IPCC 國家溫室氣體清單指南》、《中國能源統(tǒng)計年鑒》以及CLCD 數(shù)據(jù)庫取值（見表4）。

表4 能源材料碳排放因子

2.3 碳排放計算模型

瀝青路面施工期涉及原材料生產(chǎn)、場外拌和、材料運輸以及現(xiàn)場施工4 個階段，總碳排放量E 為其總和，測算模型為：

式中：E 為瀝青路面施工期碳排放總量，kg；E1為原材料生產(chǎn)階段碳排放量，kg；E2為場外拌和階段碳排放量，kg；E3為材料運輸階段碳排放量，kg；E4為路面現(xiàn)場施工階段碳排放量，kg。

其中原材料生產(chǎn)階段碳排放計量模型：

式中：Mi為第i 種材料的消耗量；為第i 種原材料單位質量生產(chǎn)碳排放因子。

場外拌和階段碳排放計量模型：

式中：Ti為第i 種場外加工機具的總臺班數(shù)，個；Qij為第i 種場外加工機械設備單位臺班內(nèi)第j 種能源的消耗量；fjt為第j 種能源碳排放因子。

材料運輸階段碳排放計量模型：

式中：Mi為第i 種材料的消耗量；Sij為第i 種材料第j 種運輸方式運距；fijs為第i 種材料第j 種運輸方式單位周轉碳排放量。

路面現(xiàn)場施工階段碳排放計量模型：

式中：Ti為第i 種現(xiàn)場施工機具的總臺班數(shù)，個；Qij為第i 種現(xiàn)場施工機具單位臺班內(nèi)第j 種能源的消耗量；fjt為第j 種能源碳排放因子。

3 典型瀝青路面結構碳排放分析

以典型高速公路瀝青路面結構為例進行碳排放影響評價。某高速公路工程項目設計時速120 km/h，路基寬度37.5 m，雙向6 車道，行車道寬度3.75 m，設計使用年限為15 a。路面結構為：4 cm SBS 改性瀝青瑪蹄脂碎石上面層（SMA-13）+6 cm 中粒式瀝青混凝土中面層（AC-20）+10 cm 瀝青穩(wěn)定碎石下面層（ATB-25）+21 cm 水泥穩(wěn)定碎石基層（水泥摻量5%）+22 cm 水泥穩(wěn)定碎石底基層（水泥摻量5%）+20 cm 級配碎石墊層。

為簡化計算量，以每公里該項目的半幅路面作為1 個計算單元，其原材料消耗清單見表5。根據(jù)項目工程量清單、材料運距，結合《2018 公路工程預算定額》、《2018 公路工程機械臺班費用定額》得到施工過程對應的機械種類、臺班數(shù)及每臺班燃料消耗量（部分數(shù)據(jù)見表6）。經(jīng)計算，1 個計算單元的瀝青路面建設期碳排放量見表7。

表5 計算單元瀝青路面結構原材料消耗量

表6 計算單元瀝青路面拌和及現(xiàn)場施工燃料消耗量（以4 cm SMA-13 為例）

對表7 中的路面上、中、下面層各階段的碳排放量進行匯總及占比統(tǒng)計，可以發(fā)現(xiàn)在瀝青面層鋪筑過程中：原材料生產(chǎn)階段碳排放量最高，占總排放量的47.52%；混合料拌和階段次之，占總排放的44.71%（見圖2、圖3）。因此，選擇優(yōu)化瀝青等能源密集型材料的生產(chǎn)工藝，提高拌和設備的生產(chǎn)效率，可以有效降低碳排放量，實現(xiàn)節(jié)能減排。

圖2 瀝青面層施工各階段碳排放量

圖3 瀝青面層施工各階段碳排放量百分比

對表7 中路面基層/ 底基層各階段的碳排放量進行匯總及占比統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)水泥穩(wěn)定碎石基層/ 底基層在鋪筑過程中，原材料生產(chǎn)階段碳排放量占絕對主體地位，約占總排放量的89.53%（見圖4、圖5）。因此，設計選用水泥類半剛性基層或底基層時，應倡導采用環(huán)保型低排放水泥產(chǎn)品，可有效降低碳排放量。

圖4 水穩(wěn)基層/ 底基層施工各階段碳排放量

圖5 水穩(wěn)基層/ 底基層施工各階段碳排放量百分比

表7 計算單元瀝青路面施工期碳排放量（CO2 當量） 單位：kg

對表7 中路面墊層各階段的碳排放量進行匯總及占比統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)級配碎石墊層在鋪筑過程中，其排放量最高值同樣在原材料生產(chǎn)階段，占比為48.92%（見圖6、圖7）。

圖6 級配碎石墊層施工各階段碳排放量

圖7 級配碎石墊層施工各階段碳排放量百分比

此外，通過橫向對比瀝青路面各單位結構層的碳排放量（見圖8）發(fā)現(xiàn)：

圖8 瀝青路面各單位結構層碳排放量對比

（1）在原材料生產(chǎn)階段，碳排放量排序為：水泥穩(wěn)定碎石＞瀝青混合料＞級配碎石。

（2）在拌和及現(xiàn)場施工階段，以機具排放為主，碳排放量排序為：瀝青混合料＞水泥穩(wěn)定碎石＞級配碎石，且瀝青混合料的碳排放量是水泥穩(wěn)定碎石、級配碎石的10 倍以上。

（3）由于級配碎石為無機結合料，因此在幾種路面結構層中碳排放量最小。

因此，在施工過程中，瀝青面層以控制拌和設備、攤鋪機等機具的碳排放為主，建議：一是采用天然氣拌和站、變頻技術施工設備，并合理優(yōu)化施工工序，提高機械利用效率與滿載率；二是半剛性基層／底基層以筑路材料控制為主，選用環(huán)保低碳水泥產(chǎn)品，或降低水泥摻量；三是在滿足路面設計要求的前提下，可以適當增加級配碎石層的厚度，減少半剛性基層的厚度，或采用級配碎石替代半剛性材料基層。

4 結論

（1）根據(jù)LCA 法將瀝青路面施工期劃分成原材料生產(chǎn)、場外拌和，材料運輸以及現(xiàn)場施工4 個階段，梳理碳排放來源，搭建瀝青路面施工期碳排放計量模型。

（2）量化典型瀝青路面結構碳排放量，結果表明：在瀝青面層、水穩(wěn)基層／底基層、級配碎石墊層鋪筑各階段中，原材料生產(chǎn)階段的碳排放量均最大，為排放主體，其中瀝青面層與級配碎石墊層鋪筑階段分別約占總量的1/2，水穩(wěn)基層/底基層鋪筑階段約占總量的9/10。

（3）橫向對比各單位結構層的碳排放量發(fā)現(xiàn)：原材料生產(chǎn)階段，碳排放量排序為水泥穩(wěn)定碎石＞瀝青混合料＞級配碎石；拌合及現(xiàn)場施工階段，碳排放量排序為瀝青混合料＞水泥穩(wěn)定碎石＞級配碎石，且瀝青混合料的碳排放量是水泥穩(wěn)定碎石、級配碎石的10 倍以上。

（4）通過對瀝青路面施工碳排放特征進行分析，提出了使用清潔燃料、采用高效節(jié)能機械設備、提升拌和設備生產(chǎn)效率以及采用環(huán)保低碳水泥產(chǎn)品等減排措施，提升道路建設過程降碳減排的能力，減少對生態(tài)環(huán)境的破壞。