半刚性沥青路面建设期碳排放特征分析

摘要：为了分析半刚性沥青路面建设过程的碳排放，本文采用生命周期理论，将半刚性沥青路面建设过程进行了阶段划分，建立了碳排放定量计算模型，结合津石高速公路某段建设工程案例，量化了半刚性沥青路面建设过程碳排放，分析了碳排放特征，识别了关键碳排放源，并对比分析了“油改气”技术的减排效益。研究结果表明，半刚性沥青路面建设期的碳排放主要来源于原材料生产阶段，生石灰和水泥的生产为该阶段主要的碳排放来源；施工现场的碳排放主要来源于场外加工阶段，沥青混合料制拌过程产生了较大的碳排放；采用“油改气”技术减排效益显著，相较于使用重油减排率达28.14%。关键词：交通碳排放；碳排放特征；生命周期理论；半刚性沥青路面；减排技术0引言全球气候变暖造成生态系统破坏、生物多样性损失、自然灾害、冰川消融等环境问题，对生命系统、经济发展的威胁日益加剧，需要世界各国共同应对。为此，我国提出了碳达峰、碳中和的目标。交通运输业是我国CO2

排放的三大来源之一，其CO2

排放约占我国CO2

排放总量的10%。公路基础设施建设是交通运输领域的重要组成之一，截至2021年底，我国高速公路总里程达16.91万公里，路网规模位于世界前列，且呈现持续增长的趋势。因此，在公路建设领域开展碳排放核算、进行减排技术的应用对缓解我国碳排放压力至关重要。半刚性基层沥青路面是我国高等级公路路面结构的形式之一，在建设期间由于使用大量高碳密度的原材料以及高耗能的施工机械，产生较大的CO2排放，带来负面的环境影响。目前，国内外针对沥青路面建设期碳排放的分析多采用生命周期评价方法（LifeCycleAssessment，LCA）。基于LCA理论，将半刚性沥青路面建设期划分为原材料生产阶段和运输阶段，进而分析了建设过程的能耗与碳排放；比较分析了半刚性基层沥青路面、柔性基层沥青路面和水泥混凝土路面在材料生产、现场施工、运营管理和结构拆除阶段的碳排放情况；基于定额计算法对比分析了沥青路面和水泥路面建设过程的碳排放。同时，拌合站“油改气”技术作为一种清洁生产方式受到了广泛的关注，其在沥青路面建设过程中的应用可以有效降低能源消耗量，同时减少CO2

的排放。对比分析了沥青拌和站“油改气”技术的经济效益；表明将拌和站“油改气”技术应用于公路改扩建项目中具有一定的减排潜力。综上所述，现有研究在沥青路面建设期的碳排放定量计算方面有一定的贡献，已形成了较为系统的研究框架。然而，对于半刚性沥青路面建设过程的碳排放特征分析、关键排放源识别以及新技术应用的减排潜力研究较少。本研究基于LCA理论，将半刚性沥青路面建设过程进行阶段划分，构建了包含原材料生产阶段、混合料生产阶段、运输阶段和路面施工阶段的半刚性沥青路面碳排放定量计算模型，结合津石高速公路某段路面建设工程案例，量化半刚性沥青路面建设各环节碳排放情况，分析其排放特征，识别关键排放源。此外，对项目采用“油改气”技术的减排量和减排效益进行测算分析。图1半刚性沥青路面建设过程碳排放计算边界Fig.1

Calculationboundaryofcarbonemissionduringsemi-rigidasphaltpavementconstruction1碳排放计算方法1.1计算边界生命周期评价是一种评估某一产品、活动、技术或服务在其整个生命周期过程中的所有投入及产出对环境造成潜在影响的方法，该理论方法的清单分析内容涵盖了从原材料开采、材料和能源生产、产品加工和使用维护以及最终处置各环节，可以清晰地识别环境影响的主要来源和阶段。本文研究的环境影响类型为CO2

排放，CO2

是温室气体的主要组成部分，对全球升温的贡献比例最大，约为25%，且半刚性沥青路面建设过程的碳排放主要来源于建设活动有关化石燃料的消耗，而化石燃料主要由含碳化合物构成，在燃烧后大量碳元素将转化为气态CO2。因此，本文的研究重点为CO2

排放（以下简称碳排放）。基于LCA理论，本研究对半刚性沥青路面建设全过程进行了梳理，其碳排放主要来源于工程建设直接碳排放和供应链的间接碳排放，包括原材料生产、机械设备制造、人员生活、混合料场外加工、材料和设备场外运输、混合料运输、路面施工过程以及施工过程材料化学反应所产生的碳排放。本研究的研究范围包括原材料生产阶段、场外加工阶段、运输阶段和路面施工阶段，各阶段计算边界见图1。与人员生产生活有关的碳排放在沥青路面建设阶段占比较小，不包括在本文的研究范围内。机械设备的制造和运输碳排放受现有数据限制，且其占比较小，本文不考虑。施工过程的碳排放仅考虑因能源消耗而产生的，不考虑现场施工过程材料化学反应所产生的排放。原材料生产阶段的碳排放包括材料开挖和生产过程，混合料生产阶段、运输阶段和燃料的使用，其碳排放包括燃料上游物化过程和下游燃烧过程所产生的碳排放，电力运行过程中无排放，因此本研究中电能碳排放只考虑其物化过程。基于划分的四个阶段，对各个阶段包含的范围和施工活动进行了梳理，得出了各阶段碳排放的来源环节。原材料生产阶段碳排放来源于集料、沥青、水泥、矿粉等筑路材料生产过程使用的破碎机、挖掘机、筛分机等设备消耗能源产生的排放，场外加工阶段的排放来源于制拌面层铺筑用的沥青混合料以及基层铺筑用的混合料（水泥稳定碎石）使用的拌和设备，运输阶段的排放来源于运输原材料和混合料使用的车辆，施工阶段的碳排放来源于摊铺、碾压、洒布、养生过程使用的摊铺机、压路机、洒布车、洒水汽车等机械设备。1.2碳排放计算模型1.2.1建设阶段碳排放计算模型半刚性沥青路面建设阶段碳排放包括原材料生产阶段、场外加工阶段、运输阶段和路面施工阶段的碳排放，计算公式如下：式中，C为半刚性沥青路面建设期碳排放总量，kgCO2

；Cr为原材料生产阶段碳排放量，kgCO2

；Cm为场外加工阶段碳排放量，kgCO2

；Ct

为运输阶段碳排放量，kgCO2

；Cp

为路面施工阶段碳排放量，kgCO2。1.2.2原材料生产阶段碳排放计算模型原材料生产阶段的碳排放量由碳排放因子法计算，Cr

计算公式如下：式中，Uri为原材料生产阶段第i

种材料的用量，t或m3；Fri

为第i

种材料的碳排放因子，kgCO2/t或kgCO2/m3。1.2.3场外加工阶段碳排放计算模型场外加工阶段的碳排放量决定于该阶段所使用的机械设备能耗类型、能耗量和能耗对应的碳排放因子，计算公式如下：式中，Emj

为场外加工阶段第j

种机械的能耗量，kW·h或kg；Fmj

为第

种机械能耗的碳排放因子，kgCO2/kW·h或kgCO2/kg；Nmj

为使用第j

种机械的台班数，台班；Wmj

为第j

种机械单位台班能耗量，kW·h/台班或kg/台班。1.2.4路面施工阶段碳排放计算模型路面施工阶段的碳排放量取决于该阶段所使用的机械设备能耗类型、能耗量和能耗对应的碳排放因子，Cp计算公式如下：式中，Epj

为路面施工阶段第j

种机械的能耗量，kW·h或kg；Fpj

为第j

种机械能耗的碳排放因子，kgCO2/kW·h或kgCO2/kg；Npj

为使用第j

种机械的台班数，台班；Wpj

为第j

种机械单位台班的能耗量，kW·h/台班或kg/台班。1.2.5运输阶段碳排放计算模型运输阶段的碳排放来源于原材料运输和混合料运输，具体计算公式如下：式中，Ctr

为原材料运输阶段的碳排放量，kgCO2

；Ctm

为混合料运输阶段的碳排放量，kgCO2

；Ai

为第i

种原材料的运输量，t；Yi

为运输第i

种原材料的运输装备单位周转量的碳排放因子，kgCO2/（t·km）；Li

为第i

种原材料的运输距离，km；Etmq

为混合料运输阶段第q

种运输装备的能耗量，kW·h或t；Ftmq

为混合料运输阶段第q

种运输装备能耗的碳排放因子，kgCO2/kg或kgCO2/kW·h；Ntmq

为第q

种运输装备的台班数，台班；Wtmq为第q

种运输装备单位台班能耗量，kW·h/台班或kg/台班。2工程实例分析2.1工程概况本研究依托津石高速公路某段建设项目开展，该工程路线全长12.508km，设计为双向六车道，车行道宽3.75m，设计速度120km/h，路基总宽度34.5m。沥青路面结构包括路面底基层、路面基层、透层、黏层、封层和沥青混凝土面层，路面结构见表1。表1路面结构Tab.1

Pavementstructure该项目为半刚性基层沥青路面，是我国高速公路主要的路面结构类型。同时，拟在沥青混合料生产环节使用“油改气”技术，以达到节能减排的目的。2.2

数据来源筑路材料、机械设备、运输车辆类型及其消耗量数据主要来源于公路工程建设项目设计文件、预算文件和施工图设计文件，对于缺失的数据，基于《公路工程预算定额》（JTGT3832—2018）和必要工程假设进行计算。机械设备单位台班耗能数据采用《公路工程机械台班费用定额》（JTG/T3833—2018）中的推荐值。运输阶段的原材料运距数据为实地调查得到，运输方式为公路运输，具体数据见表2。由于具体运输车辆类型数据缺失，本研究假设为常用的15t以内自卸汽车和15t以内载货汽车。项目涉及的各类筑路材料的碳排放因子、施工机械使用燃料的碳排放因子数据主要来自中国生命周期数据库（CLCD数据库）、IPCC国家温室气体指南、欧洲沥青协会数据库以及现有文献调研；电力的碳排放因子取自中国区域电网平均CO2排放因子库中项目所在地数据，具体数据见表3。表2原材料运距Tab.2Transportationdistanceofrawmaterials表3半刚性沥青路面建设过程材料及能源碳排放因子清单Tab.3Listofcarbonemissionfactorsofmaterialsandenergyin

theconstructionprocessofsemi-rigidasphaltpavement2.3

结果分析2.3.1半刚性沥青路面建设过程碳排放分析依据1.2中的碳排放计算模型，得到了津石高速公路某段路面建设阶段的碳排放结果，见图2。路面建设过程的碳排放总量达到13088.47t，其中，原材料生产阶段的碳排放量最高，占总碳排放量的46.3%；其次为运输阶段，占总碳排放量的38.42%；场外加工阶段的碳排放占总碳排放的13.33%；施工阶段碳排放占比最少，仅为1.94%。图2半刚性沥青路面各阶段碳排放量及占比Fig.2Carbonemissionquantityandproportionofsemi-rigid

asphaltpavementineachstage从排放强度来看，路面建设阶段的碳排放强度为每车道公里174.4吨，各阶段的碳排放强度见表4。表4半刚性沥青路面碳排放强度表Tab.4Carbonemissionintensityofsemi-rigidasphaltpavement2.3.2关键排放源分析研究结果表明，原材料生产、运输和场外加工阶段为主要的碳排放来源，各阶段对总碳排放的影响程度不同，通过分析各阶段关键排放源，可以采取有效的减排措施。（1）原材料生产阶段图3详细显示了路面建设阶段主要的材料消耗量及其碳排放量，从图中可以看出，少量消耗的材料贡献了多数碳排放。仅占路面建设总材料消耗量2.81%的生石灰和2.52%的32.5级水泥，其生产过程的碳排放占原材料生产阶段碳排放量的48.71%和36.94%。而消耗量高达78.92%的碎石，其碳排放贡献仅为3.41%。结果表明，原材料生产阶段的碳排放特征符合“帕累托法则”，即少量类型的材料贡献了主要的碳排放量。图3半刚性沥青路面原材料消耗量及其碳排放量比例Fig.3Proportionaldistributionofrawmaterialconsumption

andcarbonemissionofsemi-rigidasphaltpavement（2）运输阶段运输阶段的碳排放主要来源于原材料运输环节，即原材料从生产场地运送至施工现场或场外拌和站的过程，其碳排放约占运输阶段总碳排放量的89.97%。消耗量大的碎石、砂、石屑等运距较远，产生了较大的碳排放量。其中，碎石运输的碳排放占比最大，占原材料运输总碳排放量的67.76%，如图4所示。图4半刚性沥青路面原材料运输阶段碳排放比例Fig.4Carbonemissionproportionofsemi-rigidasphalt

pavementduringrawmaterialtransportation场外加工运输环节是指混合料从拌和站运送至施工现场的过程，其占运输阶段的碳排放量较少。其中，水泥稳定碎石的运输碳排占比最大，为43.65%；其次为沥青混合料的运输，占比为30.92%，如图5所示。运输阶段的主要碳排放源为15t以内自卸汽车，其碳排放占比见表5。图5半刚性沥青路面混合料运输阶段碳排放比例Fig.5Carbonemissionproportionofsemi-rigidasphalt

pavementduringmixturetransportation表5半刚性沥青路面运输阶段运输车辆碳排放占比Tab.5Carbonemissionproportionoftransportvehiclesinsemirigid

asphaltpavementtransportationstage本项目运输阶段的碳排放占比较高，主要原因是项目所在地处于海河冲洪积平原和海积平原交汇处，总体上筑路材料贫乏，材料需远途运输，因此运输环节的排放量较大。其次，在计算运输阶段的运输车辆因燃料消耗而产生的碳排放时，本研究不仅考虑了燃料的燃烧过程所产生的碳排放，还考虑了燃料上游物化过程的碳排放，因此本研究所计算的运输阶段碳排放占比略高于一般半刚性沥青路面建设期运输阶段的碳排放占比。由此可见，选择清洁生产的能源对降低运输阶段的碳排放量至关重要。（3）场外加工阶段场外加工阶段的碳排放主要来源于沥青混合料的制拌过程，其排放占比高达93.81%，如图6所示。主要因为其生产过程不仅消耗了电能，还消耗了大量的重油用于集料的加热。因此，在该阶段使用清洁能源替代传统高排放的燃料、降低混合料的制拌温度有助于有效减少碳排放量。图6半刚性沥青路面混合料生产碳排放量及占比Fig.6Carbonemissionquantityandproportionofmixture

productionofsemi-rigidasphaltpavement（4）路面施工阶段路面施工阶段碳排放来源于施工设备的使用，其使用过程消耗能源，进而产生了碳排放。图7显示了现场施工阶段主要机械设备的工作时间及碳排放量。由图7可见，机械设备的碳排放量与其工作时间成正比，该阶段主要的碳排放源为使用时间最长的压路机，其碳排放占比为59.13%。图7半刚性沥青路面主要施工设备工作时间及碳排放量占比Fig.7Proportionaldistributionofequipmentworkingtimeand

carbonemissionofsemi-rigidasphaltpavement2.3.3“油改气”技术减排分析本研究的依托项目拟在场外加工阶段的沥青混合料生产环节采用“油改气”技术，即使用天然气代替重油作为沥青拌和站的燃料。一方面，天然气作为一种清洁能源，在同等产热情况下将产生较少的CO2

排放；另一方面，沥青混合料制拌过程是沥青路面建设碳排放的主要来源之一，对其排放量的控制将有效降低项目的总碳排放。“油改气”技术的减排效益计算公式如下：式中，R为使用“油改气”技术较使用传统技术的相对减排率，%；Co

为使用重油产生的碳排放量，kgCO2

；CLNG

为使用天然气产生的碳排放量，kgCO2

；Q为减排量，kgCO2

；M为路面建设过程总减碳贡献率，%；Uo

为重油用量，kg；Fo