沥青混凝土路面碳排放论文

1沥青混凝土路面LCA的基本设定

1．1生命周期评价方法

生命周期评价（LifeCycleAssessment，简称LCA）由4部分组成：目标与范围定义、清单分析、影响评价和结果解释［8－10］。目标定义是定义评价的环境类型，需要根据评价对象的环境影响特点进行目标选择。范围定义，即系统边界设置，需要在既有研究条件（时间、费用）下，定义适用、合理的研究范围。清单分析和影响评价是研究的主要内容，清单分析是在目标和边界确定的基础上，针对研究对象的过程特点，建立与之相关的环境影响数据清单。影响评价又是在清单数据的基础上进行与评价目的有关的计算和分析。最后需要对分析结果进行解释，提供改善环境影响的建议。本文采用LCA方法对沥青混凝土路面在建设期的能耗与碳排放进行分析计算评价。

1．2研究对象、范围

本文的研究对象与范围为建设期的半刚性基层沥青混凝土路面，不包含路基及路面其他相关辅助设施（如标志标线、护栏、照明设施等）。

1．3过程法、边界条件及假设

过程法（P－LCA）是对分析范围内每个与系统相关联的离散过程中的消耗和排放进行逐一量化，而后累计各个离散过程的数据得到总的环境影响［4］。然而，产品的每一个阶段过程都包含复杂的上游过程，如材料运输阶段，除运输过程以外，还包括运输设备的生产，运输设备生产又包括设备制造原料的开采、加工和运输等。若进行如此深入细致的过程分析势必费时费力，而这部份计算结果又仅占有极小的比例，分析效率低下，因此，需要把握分析重点，设定合理研究边界及假设，舍弃细枝末节，提高分析效率。

1．4环境类型和功能单位

沥青混凝土路面生命周期清单分析的环境影响类型为碳排放（以t当量CO2计）以及能耗（以GJ当量热计）。功能单位设定为1km车道，车道道面宽度为3．75m。

2分析模型

2．1原材料生产阶段

（1）生产阶段能耗Ep。沥青混凝土路面建材包括基本的筑路材料和道路辅助设施建材，如沥青、水泥、碎石等，建材开采生产阶段的总能耗计算模型见式（1）。再利用材料视为原材料，材料再利用过程即为其生产过程，并以使用归属为前提进行计算，即当考虑一种再利用材料、工艺或方法的能耗与排放是否计入某项工程时，以该种材料、工艺或方法是否使用于该工程来判定。例如，沥青混凝土路面再利用包括旧路铣刨、旧料粉碎、筛分、运输等工艺过程，由于铣刨形成新的工作面用于旧路施工，整个铣刨过程计入施工中，而旧料粉碎、筛分和运输至堆放地的能耗和排放则视为其旧料的生产能耗及排放，有多少旧料得到再生利用则计入多少能耗与排放，其他工程使用本工程产生的旧料时，应将旧料生产的能耗与排放计入其他工程中。（2）生产阶段排放Ipr。原材料生产阶段排放的计算方法与其能耗计算方法相似，计算模型见式（2）。Ipr＝∑i（1＋φi）VirMi（2）式中：Vir为开采和生产单位材料时第r种污染物的排放质量；其他符号意义见式（1）。

2．2施工阶段

施工阶段的能耗和排放由两个部分组成：一是原材料、废弃材料的运输；另一是施工机具设备的运行。（1）运输能耗Ect和环境排放Ictr。施工过程中的运输要分为长距离运输和短距离运输，长距离运输包括原材料自产地到现场，以及废弃材料由现场到处置地的运输，短距离运输是材料在施工现场的转运。本文将长距离运输归入施工运输过程中，短距离运输归入施工机具设备分析中。运输过程考虑运输方式、运输距离、燃料类型、运输质量以及返程运输。铁路和水路运输不考虑返程，公路运输考虑返程，设定返程运输的基本流为满载运输的70％［1］。废弃材料运输一般采用公路运输，处置场地固定，运输距离设定为50km。（2）施工机具设备能耗Ece和环境排放Icer。沥青混凝土路面施工的机具设备包括拌和设备、摊铺机、压路机等，施工过程能耗和环境排放的实质是各种机具设备运行能耗与排放的总和。机具运行的能源类型主要有三种：柴油、汽油和电能。计算中将各机具设备按单位工作量换算其能耗强度（MJ／工作量）和排放强度（t／工作量）。如拌和楼的能耗强度单位为MJ／t混合料，压路机的能耗强度为MJ／m2。

3路面结构、分析清单及计算软件

3．1沥青混凝土路面结构

参照我国沥青混凝土路面设计规范［11，12］以图1所示的半刚性基层沥青混凝土路面结构为典型路面结构，分析该路面结构在建设期的能耗及环境碳排放。

3．2分析清单

分析清单即计算所需的各类原材料、施工机具设备的能耗与碳排放强度数据，是通过对过程流的划分及数据的收集和处理，得到的过程流中组成要素的环境数据。过程流的划分一般采用过程法，将材料的生产和施工过程逐一分解至可计算的过程流。以沥青为例：沥青制炼和生产的流程主要由原油开采、运输、提炼加工、存储四个环节组成。根据前述确定的研究范围，分析沥青制炼加工的能耗与排放。我国道路沥青生产用的原油主要来自国内和中东，2010年，我国约开采原油19000万t，进口原油24000万t，假定两类原油用于生产道路沥青的比例是相等，而国产原油的沥青收率（即单位质量原油产出沥青的比率）为25％，进口原油的收率为40％。原油提炼沥青的生产能耗参考《清洁生产标准－石油炼制业（沥青）》（HJ443－2008），该标准适用于以石油为原料用连续氧化法（养护沥青装置）和溶剂法。其中清洁等级三级为我国沥青生产能耗的基本水平，取表3中清洁等级三级的平均值代表我国沥青制炼的平均水平，得沥青生产的平均能耗为34kg标油／t原油，按能耗将标油换算为标准煤，1kg标油＝1．43kg标准煤，由标准煤的排放换算标油的排放。文献［13］中采用上述过程法，收集并计算得到我国70余类相关原材料和施工机具设备的能耗与排放清单，为沥青混凝土路面的LCA评价奠定了数据基础。3．3计算软件计算采用由上海市城市建设设计研究总院编制的《沥青路面建设期能耗与碳排放计算软件》软件（软件著作权号：2013R11L142356）。该软件由网络服务器、数据处理后台和输入页面组成，输入页面为网页形式，目前可供局域网用户进行使用，后台处理器为EXCEL软件，结果以EXCEL文件形式输出，清单数据主要来源于文献［13］。

4计算结果与分析

4．1典型结构与材料组合的能耗、碳排放分析

将路面结构和材料参数输入软件中，各结构层在生产、运输和施工阶段的能耗与碳排放。典型沥青混凝土路面结构中沥青混凝土面层由上至下建设能耗占比分别为8．6％、11．2％和15．6％，基层由上至下能耗占比分别为27．9％、23．7％和11．9％，其中水稳碎石上基层能耗占比最大，基层材料能耗与碳排放整体占比约62％，面层材料占比约38％，层间材料能耗占比最小约1．4％，如图2所示。路面各层在碳排放占比方面与能耗占比分布相似，但基层材料尤其是水稳碎石材料的碳排放占比明显高于其能耗占比，水稳碎石基层的碳排放占比高达65％，表明以水泥为结合料的半刚性基层材料是沥青混凝土路面建设期碳排放的主要来源，如图3所示。各阶段能耗与碳排放分布分析，原材料生产阶段的能耗与碳排放占建设期能耗与碳排放的比例分别为65．0％和77．0％，施工阶段占比分别为27％和18％，运输阶段的能耗与碳排放占比最小，分别为8％和5％，如图4和图5所示。说明原材料生产期间的能耗与碳排放是沥青混凝土路面建设期能耗与碳排放的主要组成部分。而在原材料生产阶段能耗与碳排放占比最高的是水泥，能耗占比为57．1％，碳排放占比达到73．4％，而集料和沥青类结合料在这两项指标中的占比分别为17．2％、25．7％以及10．5％、16．1％。水泥生产期能耗与碳排放，在沥青混凝土路面建设期占比分别达到37．1％和56．6％，水泥掺量是影响半刚性基层沥青混凝土路面能耗与碳排放的关键因素。根据路面结构设计寿命，算得路面结构承载标准荷载每百万轴次作用的能耗为84．9GJ和9．9t碳排放。

4．2不同环保沥青混凝土路面技术下能耗与碳排放的比较分析

将路面结构层材料的能耗与碳排放换算为1cm厚3．75m宽和1000m长的单位体积下的能耗与碳排放，结果见表6。单位体积下路面材料的能耗随层位降低而下降，与材料的性能和费用成正比。其中SBS改性沥青混合料的能耗达到70．7GJ，是各类材料中最高的，其能耗与碳排放高出普通热拌沥青混合料约15％，主要是因为SBS改性剂的生产，具有高能耗与高排放的特征以及成品SBS改性沥青在生产和施工中存在二次加热。水稳碎石的单位体积能耗低于沥青混凝土，而6％水泥掺量的水稳碎石单位体积碳排放则高于SBS改性沥青混凝土，达6．1t，相比4％水泥掺量其能耗与碳排放增加约30％，能耗增加约23．2％，进一步说明水泥掺量是影响水稳碎石能耗与碳排放的主要因素。选择三类对与减少路面能耗与排放具有明显效果的材料和技术进行分析，分别是：沥青混合料温拌技术、沥青混合料再生技术以及替代部分水泥的脱硫石膏水稳碎石。分析设定：（1）温拌技术，集料加热、沥青加热温度相比热拌混合料降低30℃［14］；（2）再生技术，以旧料替代集料及部分沥青，不添加再生剂，旧料总量为30％，分别替代29％的集料及1％的沥青，旧料往返运距为20km，考虑旧料破碎加工；（3）脱硫石膏水稳碎石，以7％的脱硫石膏替代2％的水泥及5％的细集料，脱硫石膏往返运距为20km。算得上述材料或技术单位体积材料建设期能耗与碳排放，见表6。（1）温拌技术：沥青混合料温拌能耗降低约5．2～5．3GJ，碳排放减少约0．4t，能耗与碳排放降幅分为7．5％～8．6％和6．7％～8％。（2）再生技术：再生混合料能耗降低约5．6GJ，碳排放建设约0．5t，降幅分为9．3％和10％，另计算，当旧料往返运输量相比集料多133km·t时，能耗优势消失，当旧料往返运输量相比集料多160km·t时，碳排放优势消失，考虑旧料弃置的运输时，在上述技术基础上增加旧料运输距离。（3）温拌＋再生技术：由表6可见，两种技术同时使用时形成节能减排的叠加效果。（4）脱硫石膏稳定碎石：能耗降低3．2GJ，降幅约9．6％，碳排放减少1．2t，降幅约25．5％。三种技术中，脱硫石膏水稳碎石的环境友好性最好，尤其是对碳排放的减少起到良好效果。再生技术需考虑旧料运输的距离，当旧料弃置的运距大于旧料利用的运距可认为旧料利用是有效的。

5研究结果的比较分析

由于各国沥青混凝土路面的设计方法，路面结构和材料组合有着较大差异，研究人员所选取的路面尺寸差异较大，在比较各国研究结果前，将各文献得出计算结果以及本文计算结果在同一参考系下进行换算（等路面宽度、无构造坡度）。瑞典、加拿大和美国等的沥青混凝土路面结构能耗和碳排放范围分别为840～1170GJ及63．9～109．5t，大约为我国能耗与碳排放的1／2～2／3，主要原因在于：（1）国外沥青混凝土路面材料中不添加水泥结合料，国外多采用无结合料柔性基层沥青混凝土路面，相比我国路面在材料组成上减少了水泥的使用；（2）电能相对洁净，国外的电能中用煤比例较低，以瑞典为例，其60％以上的电能来源于风、水、核等，而我国这一比例不到20％，在同样电耗情况下，我国的上游碳排放为国外的2倍以上；（3）统计口径的差别，统计分析的范围差别影响最终分析结果，6结语本文将沥青混凝土路面建设期划分为原材料生产、原材料运输及施工三个阶段组成，建立了环境计算模型，并利用编制的计算软件，详细分析计算了我国典型的半钢基层沥青混凝土路面的能耗与碳排放组成，并量化对比分析了三种节能减排技术和材料，得到的主要结论如下。（1）原材料生产、原材料运输及施工三个阶段的能耗占比为65％、8％和21％，碳排放占比为77％、5％和18％。（2）水泥为结合料的半刚性基层材料是沥青混凝土路面建设期碳排放的主要来源，基层材料能耗与碳排放整体占比约62％，面层材料占比约38％。（3）水泥掺量是影响半刚性基层沥青混凝土路面能耗与碳排放的重要因素。（4）计算得到各路面材料单位体积的建设期能耗与碳排放。（5）路面结构承载标准荷载每百万轴次作用的能耗为84．9GJ和9．9t碳排放。（6）温拌技术对能耗与碳排放降幅分为7．5％～8．6％和6．7％～8％，再生技术能耗与碳排放降幅分为9．3％和10％，两种技术同时使用时其节能减排效应可以叠加。（7）使用脱硫石膏稳定碎石，其能耗降低3．2GJ，降幅约9．6％，碳排放减少1．2t，减幅约25．5％，大幅减少水泥用量使得脱硫石膏水稳碎石的环境友好性最好，尤其是对碳排放的减少起到良好效果。关于研究结论的讨论。（1）沥青混凝土路面的能耗与碳排放计算结果受路面结构、几何尺寸和材料组成的影响较大，单一分析某种固定参数的路面结构必然带来计算结果应用的不便，因此本文给出了单位体积材料的计算结果，以便于研究人员的估算应用。（2）废旧材料再利用的环境效能受旧料运输距离的影响，过长距离的运输抵消了大部分的节能减排效应，因此废旧料利用应因地制宜，注重综合环保效率。（3）相比国外的沥青混凝土路面，我国沥青混凝土路面材料中包含大量的水泥原材料，致使我国沥青混凝土路面的环保性能大大低于国外水平，在满足性能要求的基础上，研究并推广应用无结合料粒料基层沥青混凝土路面对于降低我国沥青混凝土路面的能耗与碳排放有着重要意义。

作者：章毅刘伟杰单位：上海市城市建设设计研究总院同济大学交通运输工程学院