公路工程应用工业固废碳减排效果研究

摘要：在公路建设中综合利用大宗工业固废可减少资源消耗和降低碳排放，是推动“双碳”目标实现的重要路径。本文以内蒙古包茂高速（包东段）改扩建工程和兴巴高速（清水河段）工程为例，研究工业固废钢渣以及粉煤灰应用于公路工程的碳减排效果。结果表明以钢渣代替碎石用于上基层，八车道每公里可实现碳减排量为58.3tCO2，钢渣的碳减排率达81%。以粉煤灰与石灰的组合代替水泥，四车道每公里可实现碳减排量为40tCO2，粉煤灰的碳减排率为12%。本研究认为工业固废代替原筑路材料应用于公路工程的碳减排量受被替代材料的碳排放因子以及各类材料运距的影响显著。1工程概况包茂高速（包东段）改扩建工程中使用钢渣进行试验段铺设。采用三种配比的水泥稳定钢渣混合料铺筑上基层试验段，试验段整体路用性能良好。水泥稳定钢渣集料上基层试验段在G65包茂高速公路（包东段）K70+600-K72+100处铺筑，长度为1.5km，总体铺设种类分为两类，一类为粗集料钢渣、细集料天然集料的钢渣碎石混合料，铺设长度为800m，另一类为粗细集料全部为钢渣的全钢渣水泥混合料，铺设长度为700m。兴巴高速（清水河段）进行了粉煤灰代替水泥的实验路段铺设，将粉煤灰应用于道路基层铺筑材料中，以粉煤灰配合石灰的混合料代替水泥用于基层铺设，其中粉煤灰的掺和比例为20%。2公路工程应用工业固废碳减排核算方法2.1碳减排边界识别本次研究基于全生命周期评价方法，建立针对工业固废材料应用的碳减排模型，将碳减排量分为内源性减排量以及外源性减排量。内源性碳排放是指工程建设过程本身所直接产生的二氧化碳排放量，仅包括实际发生的能源消耗所产生的二氧化碳，如公路施工中的施工机械燃烧的能源性物料，汽油、柴油、煤等所排放的二氧化碳。对于内源性碳减排量，根据实地调研，应用工业固废材料后相较于使用原有工程材料的情况，工程工艺未有显著改变，本次研究认为应用工业固废材料无内源性碳减排量。外源性碳排放量是指工程建设过程中使用的建材等材料在外生产系统已经产生的碳排放量，主要包括建设期使用工程材料的生产环节碳排放、运输环节碳排放以及材料的场外加工过程的碳排放。对于外源性碳减排量，主要考虑两个部分的碳减排量。第一部分为应用工业固废材料后由于运距节约而带来的运输过程碳减排量，此减排量受公路工程位置与工业固废材料供应位置的影响，运输过程的碳排放来源于车辆使用化石燃料产生的直接碳排放；第二部分为工业固废材料代替原材料的生产加工环节而产生的碳减排量。本文研究的工业固废材料主要为钢渣以及粉煤灰，以G65包茂高速（包东段）为例研究钢渣应用碳减排量，以兴巴高速（清水河段）为例研究应用粉煤灰的碳减排量。2.2碳减排模型构建本研究基于公路工程生命周期碳排放理论框架，将公路基础设施建设期碳排放分为内源性碳排放以及外源性碳排放。内源性碳排放计算公式如式（1）：式中，C1N表示建设期内源性碳排放量；C1Ni分别表示第i项工程的内源性碳排放量；ANij表示内源性碳排放系数；XNij表示可引起内源性碳排放量的第i工程环节的工程量。外源性碳排放计算公式如式（2）～式（5）所示：式中，C1w表示建设期外源性碳排放量；E1ijk表示材料生产环节碳排放量；E2ijk表示场外加工环节碳排放量；E3ijk表示运输环节碳排放量；Qmijk，Qhijk，Qtijk为公路基础设施外源性材料生产、场外加工、运输的需求量；fm，fr为公路基础设施外源性碳排放因子参数；i，j，k为公路基础设施单元工程的划分参数；m，r，ℎ，t为各碳排放来源测算模型的清单物质选择模型。以外源性碳排放模型为基础，本文构建了公路工程应用工业固废材料的碳减排核算模型如式（6）～式（8）所示：式中，CS为工业固废材料应用的碳减排量；CR为公路工程应用工业固废材料前制成混合材料的外源性碳排放量；CSW为公路工程应用工业固废材料后制成混合材料的外源性碳排放量；Qi为使用工业固废材料前的混合材料中第i

类材料的使用量；fi

为使用工业固废材料前的混合材料中生产第i

类材料的碳排放系数；Pi

为使用工业固废材料前的混合材料中第i

类材料运输所需的化石能源消耗量；ki

为使用工业固废材料前的混合材料中第i

类材料运输所需的化石能源碳排放系数；Sj为使用工业固废材料后的混合材料中第j

类材料的使用量；fj

为使用工业固废材料后的混合材料中生产第j

类材料的碳排放系数；Pj

为使用工业固废材料后的混合材料运输第j

类材料所需的化石能源消耗量；kj为使用工业固废材料后的混合材料中第j

类材料运输所需的化石能源碳排放系数。3公路工程应用工业固废碳减排分析3.1碳减排参数确定根据G65包茂高速（包东段）钢渣试验段以及兴巴高速（清河水段）粉煤灰应用试验段的实际情况，混合材料中主要包括水泥、石灰、碎石等，碳排放系数参照《建筑碳排放计算标准》（GB/T51366—2019）确定（见表1），由于钢渣和粉煤灰无须进一步加工即可直接应用于公路工程，因此本文认为应用钢渣和粉煤灰等工业固废材料的碳排放系数为0。表1工业固废应用过程主要材料碳排放系数表G65包茂高速（包东段）试验段建设期间，钢渣的运距为45km，玄武岩碎石运距为250km。运输载具选择重型柴油货车运输，载重30吨，运输碳排放因子参照GB/T51366—2019，为0.078kgCO2/t⋅km。兴巴高速（清水河段）粉煤灰试验段运距上取粉煤灰的运距为45km，石灰运距为45km，碎石运距为100km，水泥运距为200km。3.2碳减排分析（1）公路工程应用钢渣碳减排分析针对G65包茂高速（包东段）钢渣试验路段，钢渣的主要利用形式为使用钢渣代替碎石用于基层，根据公式（6）（7）（8）计算，包头G65包茂高速（包东段）的应用钢渣的碳减排量为18.17kgCO2/t，即可认为每使用1t钢渣代替1t碎石可减少18.17kgCO2排放。包头G65包茂高速（包东段），在不使用钢渣的情况下，每公里施工使用碎石需要约3333t，由碎石的生产及运输产生排放72.3tCO2，使用钢渣代替碎石后每公里使用钢渣约4000t，由钢渣的运输产生碳排放14.0tCO2，因此对于每公里使用钢渣后的碳减排量为58.3tCO2，应用钢渣后碳减排率高达81%，碳减排效果显著。（2）公路工程应用粉煤灰碳减排分析兴巴高速（清水河段）在道路基层铺筑材料中使用粉煤灰与石灰来替代水泥。试验段中使用粉煤灰替代水泥用于二灰稳定碎石（基层），若使用水泥稳定碎石（基层），每公里基层用水泥约