基于碳排放計算模型的某公路項目建設期碳排放源分析

成 昊,申鐵軍

（1. 山西路橋第六工程有限公司,山西 晉中 030600; 2.山西路橋建設集團有限公司,山西 太原 030006）

0 引言

目前，國內(nèi)外針對路面建設期碳排放的分析多采用生命周期評價方法（Life Cycle Assessment，LCA）[1]。章毅等[2]基于LCA 理論，將半剛性瀝青路面建設期劃分為原材料生產(chǎn)階段和運輸階段，進而分析建設期的能耗與碳排放。潘美萍[3]分析比較了瀝青路面、半剛性基層在現(xiàn)場施工、材料生產(chǎn)中的碳排放情況，提出目前對于半剛性瀝青路面建設期的碳排放源識別研究較少，該文正是基于LCA 理論對此進行深入研究。

1 碳排放計算模型分析

1.1 碳排放的生命周期理論簡述

生命周期理論（簡稱LCA）是分析評價產(chǎn)品或工藝從獲取材料、生產(chǎn)、處理、循環(huán)及最終處置的潛在的環(huán)境影響和環(huán)境因素，能為各種材料、機械設備的使用提供準備環(huán)境影響評估結果。該文主要指相對碳排放管理的加速度上，速度由慢變快主要取決認同者的多少，認同者越多則速度越快且加速度越快，碳排放呈幾何級數(shù)的變化。山西省

霍州至黎城高速公路瀝青半剛性路面建設期的碳排放見圖1。

圖1 管理周期理論背景下的瀝青半剛性路面建設期的碳排放

1.2 碳排放計算模型分析

（1）建設期碳排放計算模型的計算公式如下：

式中，C——建設期半剛性瀝青路面的碳排放總量（kgCO2）；Cr——原材料的碳排放量（集中生產(chǎn)階段）（kgCO2）；Cm——碳的排放量（場外加工階段）（kgCO2）；Ct——碳的排放量（場外運輸階段）（kgCO2）；Cp——碳的排放量（現(xiàn)場施工階段）（kgCO2）。

（2）原材料碳排放量（集中生產(chǎn)階段）Cr的計算公式如下：

式中，Uri——第i種材料用量（原材料生產(chǎn)階段）（t或m3）；Fri——第i種材料因子（碳排放）（kgCO2/m3或kgCO2/t）。

（3）碳排放量（場外加工階段）Cm的計算公式如下：

式中：Emj——能耗量（第j種機械）（kg 或kW·h）；Fmj——碳排放因子（第j種機械能耗）（kgCO2/kg 或kgCO2/kW·h）。

式中，Emj——能耗量（第j種機械）（kg 或kW·h）；Nmj——臺班（使用第j種機械的臺班數(shù)量）（臺班）；Wmj——臺班能耗量（第j種機械單位）（kg/臺班或kW·h/臺班）。

（4）碳排放量（路面施工階段）Cp計算公式如下：

式中，Epj——能耗量（第j種機械）（kg 或kW·h）；Fpj——碳排放因子（第j種機械能耗）（kgCO2/kg 或kg CO2/kW·h）。

式中，Npj——臺班（第j種機械的臺班數(shù)量）（臺班）；Wpj——臺班能耗量（第j種機械單位）（kg/臺班或kW·h/臺班）。

（5）碳排放（運輸階段）具體的計算公式如下：

式中，Ctr——碳排放量（材料運輸階段）（kgCO2）；Ctm——碳排放量（混合料運輸階段）（kgCO2）。

式中，Ai——運輸量（運輸階段第i種材料）（t）；Li——碳排放因子（運輸?shù)趇種材料），[kgCO2/（t·km）]；Yi——運輸距離（運輸?shù)趇種材料）（km）。

式中，Etmq——能耗量（第q種運輸裝備混合料運輸階段）（kW·h 或t）；Ftmq——碳排放因子（第q種運輸裝備能耗混合料運輸階段）（kg CO2/kW·h 或kgCO2/kg）。

式中，Ntmq——臺班（第q種運輸裝備臺班數(shù)量）（臺班）；Wtmq——臺班能耗量（運輸階段的第q種運輸?shù)难b備）（kW·h/臺班或kg/臺班）。

2 項目建設期碳排放的分析

山西省霍州至黎城高速公路路面工程合同工期按照兩個階段安排：

第一階段：K0+000~K128+120，交工日期為2023 年9 月30 日；

第二階段：K128+120~K153+142.888，交工日期為2024 年10 月31 日。路面結構類型及主要工程量見表1~2。

表1 路面結構類型設計表

表2 路面主要工程數(shù)量表

（1）主線特重交通方向（霍州至黎城段）路面結構組成：4 cm（ARAC-13）+6 cm（AC-20C）+12 cm（ATB-30）+基層40 cm 水泥碎石+底基層20 cm 水泥碎石。

（2）主線重交通方向（黎城至霍州段）路面、互通路面結構組成：4 cm（ARAC-13）+6 cm（AC-20C）+6 cm（AC-20C）+基層38 cm 水泥碎石+底基層20 cm水泥碎石。

（3）收費站路面結構組成：28 cm 水泥面板+30 cm基層水泥碎石+20 cm 底基層水泥碎石。

（4）中短隧道和兩座結構物（橋梁或隧道）之間小于100 m 的路基段落，采用4 cm（ARAC-13）+6 cm（AC-20）+28 cm水泥混凝土+15 cm貧混凝土復合路面。

（5）長隧道（長度大于2 km）采用露石混凝土路面（此工程量在路基單位清單數(shù)量中），隧道進出口300 m 采用4 cm（ARAC-13）+6 cm（AC-20C）路面結構層。

2.1 瀝青半剛性路面建設期總碳排放量的分析

依據(jù)1.2 中的碳排放計算模型，得出山西省霍州至黎城高速公路某合同段的碳排放結果。路面建設期的碳排放最高的是原材料生產(chǎn)階段，其碳排放量6 060.37 t占46.30%；其次是運輸階段的碳排放5 028.82 t 占38.42%；再次是混合料生產(chǎn)階段的碳排放1 745.23 t 占13.33%；碳排放最小的是施工階段的254.05 t 僅總碳排放量的1.94%。

2.2 關鍵階段碳排放源分析

原材料生產(chǎn)階段、混合料生產(chǎn)階段和路面施工階段為關鍵階段，分析如下：

2.2.1 原材料生產(chǎn)階段

從路面建設期的材料消耗量、碳排放量的分析可以看出，僅占路面建設總消耗量2.81%的生石灰其生產(chǎn)過程的碳排放量卻占了總碳排放量的48.71%；水泥僅占路面建設總消耗量2.52%，碎石在路面建設消耗量卻高達78.92%，但是在總碳排放量中生產(chǎn)水泥過程的碳排放量卻占了36.94%，而碎石的碳排放僅占3.41%。同理，改性瀝青、石油瀝青、礦粉、乳化瀝青、砂、石屑、煤分別占路面建設總消耗量5.19%、2.79%、2.19%、0.30%、0.27%、0.18%、0.02%，其生產(chǎn)過程的碳排放量占了總碳排放量的0.81%、0.74%、1.20%、0.06%、4.90%、8.10%、0.01%。可見，少量消耗的材料卻貢獻了大部分的碳排放量。

2.2.2 混合料生產(chǎn)階段

混合料生產(chǎn)階段生產(chǎn)過程瀝青混合料的生產(chǎn)不僅消耗了電能而且消耗大量的重油用于集料的加熱，其碳排放1 637.19 t 占比高達93.81%，水泥穩(wěn)定碎石生產(chǎn)的碳排放82.40 t 占比高達4.72%，石灰土生產(chǎn)的碳排放25.64 t 占比高達1.47%，由以上分析可知在混合料生產(chǎn)階段如使用清潔能源替代傳統(tǒng)高的碳排放的燃料。

2.2.3 現(xiàn)場施工階段

現(xiàn)場施工階段主要機械設備的工作時間、碳排放量經(jīng)過分析，工作時間最長的壓路機，其工作時間占比為74.82%而碳排放占比為59.13%，是現(xiàn)場施工階段最主要的碳排放源；其次是穩(wěn)定土攤鋪機，其工作時間占比為5.66%而碳排放占比為16.39%；灑水汽車的工作時間占比為10.52%而碳排放占比為15.76%；瀝青混合料攤鋪機的工作時間占比為6.7%而碳排放占比為2.32%；平地機的工作時間占比為5.32%而碳排放占比為3.05%；同步碎石封層車的工作時間占比為1.28%而碳排放占比為0.46%；碳排放量最小的是瀝青灑布車，其工作時間占比為0.98%而碳排放占比為0.66%。由以上分析可知壓路機是施工設備中碳排放量最大的機械。

3 山西省霍州至黎城高速公路影響建設期總碳排放量的因素

如何合理劃分路面施工段落、根據(jù)總體進度要求組織施工和統(tǒng)籌考慮設備調(diào)遣是影響建設期總碳排放量的因素。

（1）由于地方政策和環(huán)保管控要求限制，項目區(qū)域內(nèi)主要地方材料加工廠較少且產(chǎn)量不足，經(jīng)調(diào)查部分原材料需要遠距離調(diào)運，結合碎石料源布局和運距對施工原材料的合理組織和策劃，以及碎石材料的儲備和調(diào)配調(diào)運是該項目的一項重點工作。

（2）項目路面上面層設計為4 cm 細粒式膠粉復合瀝青（ARAC-13）混凝土，對于冬季日照時間較短（陰坡）路段及部分水環(huán)境敏感的路段需添加相變材料或低冰點填料。該項技術無成熟經(jīng)驗可借鑒，需要在施工過程中不斷探索和總結經(jīng)驗。

4 結論

綜上，該文依托工程實例，在建立瀝青半剛性路面的碳排放計算模型的基礎上，分析了瀝青半剛性路面建設過程中原材料的生產(chǎn)階段、混合料的生產(chǎn)階段、現(xiàn)場施工階段的碳排放量，根據(jù)路面設計圖紙，在瀝青上面層設計中采用膠粉復合改性瀝青混凝土、在縱坡較大的陰坡路段左幅采用添加低冰點填料、右幅添加相變材料的瀝青上面層，以達到冬季路面自融雪目的；在鋼箱梁橋面混凝土中采用高韌性環(huán)氧瀝青混凝土設計；對路緣石采用人造大理石進行安裝。多種新工藝和新型材料的應用，體現(xiàn)了山西省霍州至黎城高速公路路面工程的智能、綠色、環(huán)保的施工特點，同時也增加了路面試驗的工作量和控制難度。該文分析得出以下結論：

（1）施工現(xiàn)場的碳排放主要來自混合料生產(chǎn)加工階段產(chǎn)生了大量的碳排放，因此可以通過用電優(yōu)化來減少碳排放量。

（2）原材料生產(chǎn)階段在路面建設期的碳排放最高，其碳排放量6 060.37 t 占46.30%；其次是運輸階段的碳排放5 028.82 t 占38.42%；再次是混合料生產(chǎn)階段的碳排放1 745.23 t 占13.33%；碳排放最小的是施工階段的254.05 t 僅總碳排放量的1.94%。