張興宇，朱曉東，左貴強(qiáng)，牛 凱

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津市 300074）

0 引言

落實(shí)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)已成為我國(guó)重大戰(zhàn)略決策。交通作為CO2排放的主要來(lái)源之一，占全球與能源活動(dòng)相關(guān)的CO2排放總量的27%[1]，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重點(diǎn)領(lǐng)域。在交通行業(yè)減排過(guò)程中，往往更加重視汽車(chē)尾氣所產(chǎn)生的碳排放，而忽略交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過(guò)程中的碳排放影響。事實(shí)上，道路建設(shè)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(qū)動(dòng)的施工機(jī)械，產(chǎn)生大量的溫室氣體。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該部分碳排放量約為交通運(yùn)輸碳排放總量的10%～20%[2]，不可小覷。

目前，國(guó)內(nèi)外采用生命周期評(píng)價(jià)（Life Cycle Assessment，以下簡(jiǎn)稱(chēng)LCA）方法開(kāi)展的道路設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)全過(guò)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(duì)瀝青及水泥路面建設(shè)、維護(hù)階段的碳排放及能耗進(jìn)行量化分析；類(lèi)似的，張海濤等[6-7]采用公路工程定額，對(duì)瀝青路面建設(shè)過(guò)程進(jìn)行碳排放量化評(píng)估，剖析了半剛性基層、復(fù)合式基層等不同路面結(jié)構(gòu)類(lèi)型對(duì)碳排放結(jié)果的影響水平；張紅波等[8]對(duì)橡膠改性瀝青路面建設(shè)期能耗和碳排放進(jìn)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(duì)某一階段的（如材料物化、現(xiàn)場(chǎng)施工）碳排放計(jì)算模型構(gòu)建，對(duì)完整的建設(shè)期碳排放模型構(gòu)建研究尚不完善，且對(duì)于后續(xù)的影響評(píng)價(jià)分析有待深化。本文通過(guò)追溯瀝青路面鋪筑碳排放源頭，搜集相關(guān)碳排放活動(dòng)因子，采用LCA 法構(gòu)建瀝青路面建設(shè)階段碳排放計(jì)量模型，并以典型路面結(jié)構(gòu)方案為例，對(duì)其原材料生產(chǎn)、場(chǎng)外拌和、運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)施工階段碳排放量進(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鋪筑過(guò)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(píng)估某一建設(shè)活動(dòng)從原料開(kāi)采到產(chǎn)品加工生產(chǎn)、使用、維護(hù)至廢棄整個(gè)生命周期過(guò)程中所有投入和產(chǎn)出對(duì)環(huán)境造成影響的方法[9]。其分析過(guò)程包括目標(biāo)定義與邊界劃分、生命周期清單分析、生命周期影響評(píng)估、生命周期結(jié)果解譯4 個(gè)部分。

1.1 目標(biāo)定義與邊界劃分

該階段是開(kāi)展生命周期分析的首要步驟，需要確定評(píng)價(jià)對(duì)象、評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)對(duì)象，研究范圍包括瀝青、石料、外摻劑等原料的生產(chǎn)，場(chǎng)外拌和，材料運(yùn)輸，以及現(xiàn)場(chǎng)施工4 個(gè)過(guò)程。系統(tǒng)邊界如圖1 所示，不包括基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)、施工設(shè)備生產(chǎn)、燃料生產(chǎn)及路面的維修養(yǎng)護(hù)等過(guò)程。此外，對(duì)分析結(jié)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(jì)。

圖1 瀝青路面施工期碳排放計(jì)量系統(tǒng)邊界

1.2 生命周期清單分析

該階段是整個(gè)LCA 的核心環(huán)節(jié)，是對(duì)瀝青路面生命周期內(nèi)碳排放進(jìn)行量化的過(guò)程，包含碳排放因子收集和碳排放量計(jì)算兩個(gè)部分。通過(guò)清單分析可量化瀝青路面施工過(guò)程產(chǎn)生的碳排放量對(duì)環(huán)境的負(fù)荷影響，從而做出評(píng)估與預(yù)測(cè)[6]。

1.3 生命周期影響評(píng)估

影響評(píng)估是在碳排放量化結(jié)果的基礎(chǔ)上深度分析瀝青路面建設(shè)碳排放的特征，從不同顆粒度上評(píng)價(jià)其對(duì)環(huán)境影響的程度。該步驟有利于分析出瀝青路面建設(shè)碳排放的關(guān)鍵因素，從而為建設(shè)者提供如何減碳的決策支持。

1.4 生命周期結(jié)果解譯

生命周期結(jié)果解譯就是綜合上述3 個(gè)環(huán)節(jié)的分析結(jié)果，形成總結(jié)與建議的階段。對(duì)于瀝青路面建設(shè)施工階段的碳排放來(lái)說(shuō)，就是識(shí)別出排放熱點(diǎn)、敏感性因素等，給出評(píng)價(jià)結(jié)果，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施以降低其對(duì)環(huán)境的影響。

2 碳排放測(cè)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(chǎng)外拌和、材料運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)施工4 個(gè)階段，結(jié)合排放因子法，構(gòu)建路面施工期碳排放計(jì)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(lái)源

瀝青路面施工期的碳排放主要源自于每個(gè)階段的施工工序和多種機(jī)械設(shè)備。通過(guò)梳理瀝青路面整個(gè)施工過(guò)程，得出各階段碳排放來(lái)源及其類(lèi)別[10]（見(jiàn)表1）。

表1 瀝青路面施工期碳排放來(lái)源及類(lèi)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(huì)數(shù)據(jù)庫(kù)（Eurobitumen 2011）、中國(guó)本地化CLCD 數(shù)據(jù)庫(kù)及相關(guān)文獻(xiàn)[11]取值（見(jiàn)表2）。為統(tǒng)一衡量溫室效應(yīng)的結(jié)果，本文碳排放以當(dāng)量CO2排放值表示，通過(guò)全球變暖潛在值（GWP）對(duì)排放氣體進(jìn)行換算。

表2 原材料生產(chǎn)碳排放因子

（2）材料運(yùn)輸

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

表3 不同運(yùn)輸方式單位周轉(zhuǎn)量碳排放因子[8]

（3）場(chǎng)外拌和及現(xiàn)場(chǎng)施工

混合料場(chǎng)外拌和及現(xiàn)場(chǎng)施工的碳排放來(lái)源主要是拌合設(shè)備、攤鋪機(jī)、壓路機(jī)以及灑水車(chē)等施工機(jī)具及車(chē)輛的運(yùn)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(guó)家溫室氣體清單指南》、《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒》以及CLCD 數(shù)據(jù)庫(kù)取值（見(jiàn)表4）。

表4 能源材料碳排放因子

2.3 碳排放計(jì)算模型

瀝青路面施工期涉及原材料生產(chǎn)、場(chǎng)外拌和、材料運(yùn)輸以及現(xiàn)場(chǎng)施工4 個(gè)階段，總碳排放量E 為其總和，測(cè)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(chǎng)外拌和階段碳排放量，kg；E3為材料運(yùn)輸階段碳排放量，kg；E4為路面現(xiàn)場(chǎng)施工階段碳排放量，kg。

其中原材料生產(chǎn)階段碳排放計(jì)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(zhì)量生產(chǎn)碳排放因子。

場(chǎng)外拌和階段碳排放計(jì)量模型：

式中：Ti為第i 種場(chǎng)外加工機(jī)具的總臺(tái)班數(shù)，個(gè)；Qij為第i 種場(chǎng)外加工機(jī)械設(shè)備單位臺(tái)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(yùn)輸階段碳排放計(jì)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(yùn)輸方式運(yùn)距；fijs為第i 種材料第j 種運(yùn)輸方式單位周轉(zhuǎn)碳排放量。

路面現(xiàn)場(chǎng)施工階段碳排放計(jì)量模型：

式中：Ti為第i 種現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)具的總臺(tái)班數(shù)，個(gè)；Qij為第i 種現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)具單位臺(tái)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(jié)構(gòu)碳排放分析

以典型高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行碳排放影響評(píng)價(jià)。某高速公路工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)速120 km/h，路基寬度37.5 m，雙向6 車(chē)道，行車(chē)道寬度3.75 m，設(shè)計(jì)使用年限為15 a。路面結(jié)構(gòu)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(jí)配碎石墊層。

為簡(jiǎn)化計(jì)算量，以每公里該項(xiàng)目的半幅路面作為1 個(gè)計(jì)算單元，其原材料消耗清單見(jiàn)表5。根據(jù)項(xiàng)目工程量清單、材料運(yùn)距，結(jié)合《2018 公路工程預(yù)算定額》、《2018 公路工程機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額》得到施工過(guò)程對(duì)應(yīng)的機(jī)械種類(lèi)、臺(tái)班數(shù)及每臺(tái)班燃料消耗量（部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表6）。經(jīng)計(jì)算，1 個(gè)計(jì)算單元的瀝青路面建設(shè)期碳排放量見(jiàn)表7。

表5 計(jì)算單元瀝青路面結(jié)構(gòu)原材料消耗量

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

對(duì)表7 中的路面上、中、下面層各階段的碳排放量進(jìn)行匯總及占比統(tǒng)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)在瀝青面層鋪筑過(guò)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(jiàn)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(shè)備的生產(chǎn)效率，可以有效降低碳排放量，實(shí)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(duì)表7 中路面基層/ 底基層各階段的碳排放量進(jìn)行匯總及占比統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)水泥穩(wěn)定碎石基層/ 底基層在鋪筑過(guò)程中，原材料生產(chǎn)階段碳排放量占絕對(duì)主體地位，約占總排放量的89.53%（見(jiàn)圖4、圖5）。因此，設(shè)計(jì)選用水泥類(lèi)半剛性基層或底基層時(shí)，應(yīng)倡導(dǎo)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(jì)算單元瀝青路面施工期碳排放量（CO2 當(dāng)量） 單位：kg

對(duì)表7 中路面墊層各階段的碳排放量進(jìn)行匯總及占比統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)級(jí)配碎石墊層在鋪筑過(guò)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(jiàn)圖6、圖7）。

圖6 級(jí)配碎石墊層施工各階段碳排放量

圖7 級(jí)配碎石墊層施工各階段碳排放量百分比

此外，通過(guò)橫向?qū)Ρ葹r青路面各單位結(jié)構(gòu)層的碳排放量（見(jiàn)圖8）發(fā)現(xiàn)：

圖8 瀝青路面各單位結(jié)構(gòu)層碳排放量對(duì)比

（1）在原材料生產(chǎn)階段，碳排放量排序?yàn)椋核喾€(wěn)定碎石＞瀝青混合料＞級(jí)配碎石。

（2）在拌和及現(xiàn)場(chǎng)施工階段，以機(jī)具排放為主，碳排放量排序?yàn)椋簽r青混合料＞水泥穩(wěn)定碎石＞級(jí)配碎石，且瀝青混合料的碳排放量是水泥穩(wěn)定碎石、級(jí)配碎石的10 倍以上。

（3）由于級(jí)配碎石為無(wú)機(jī)結(jié)合料，因此在幾種路面結(jié)構(gòu)層中碳排放量最小。

因此，在施工過(guò)程中，瀝青面層以控制拌和設(shè)備、攤鋪機(jī)等機(jī)具的碳排放為主，建議：一是采用天然氣拌和站、變頻技術(shù)施工設(shè)備，并合理優(yōu)化施工工序，提高機(jī)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(shè)計(jì)要求的前提下，可以適當(dāng)增加級(jí)配碎石層的厚度，減少半剛性基層的厚度，或采用級(jí)配碎石替代半剛性材料基層。

4 結(jié)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(chǎng)外拌和，材料運(yùn)輸以及現(xiàn)場(chǎng)施工4 個(gè)階段，梳理碳排放來(lái)源，搭建瀝青路面施工期碳排放計(jì)量模型。

（2）量化典型瀝青路面結(jié)構(gòu)碳排放量，結(jié)果表明：在瀝青面層、水穩(wěn)基層／底基層、級(jí)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(jí)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?qū)Ρ雀鲉挝唤Y(jié)構(gòu)層的碳排放量發(fā)現(xiàn)：原材料生產(chǎn)階段，碳排放量排序?yàn)樗喾€(wěn)定碎石＞瀝青混合料＞級(jí)配碎石；拌合及現(xiàn)場(chǎng)施工階段，碳排放量排序?yàn)闉r青混合料＞水泥穩(wěn)定碎石＞級(jí)配碎石，且瀝青混合料的碳排放量是水泥穩(wěn)定碎石、級(jí)配碎石的10 倍以上。

（4）通過(guò)對(duì)瀝青路面施工碳排放特征進(jìn)行分析，提出了使用清潔燃料、采用高效節(jié)能機(jī)械設(shè)備、提升拌和設(shè)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(shè)過(guò)程降碳減排的能力，減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞。