陳飛　田苗苗　王新軍　劉德取　駱欽東

摘要：為研究不同軟基處治技術(shù)的碳排放水平，基于生命周期理論開(kāi)展就地固化、預(yù)應(yīng)力管樁、泡沫混凝土技術(shù)建設(shè)期碳排放核算研究，對(duì)碳排放貢獻(xiàn)突出因素進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，就地固化技術(shù)碳排放強(qiáng)度最小，為0. 05 t·m-3，泡沫混凝土次之，為0. 30 t·m-3，預(yù)應(yīng)力管樁最大，為1.61 t·m-3。對(duì)三種軟基處治技術(shù)碳排放影響最大的因素均是材料生產(chǎn)碳排，占93%以上。同時(shí)，從固廢利用、智能管理、能源升級(jí)、生命周期降碳角度提出軟基施工降碳建議。研究結(jié)果可為中國(guó)軟土地區(qū)公路建設(shè)低碳技術(shù)選用及低碳建設(shè)管理提供支撐。

關(guān)鍵詞：公路軟基就地固化；預(yù)應(yīng)力管樁；泡沫混凝土；碳排放核算；降碳對(duì)策

中圖分類號(hào)：X22 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

前言

目前，公路工程常用軟基加固方式有換填法、排水固結(jié)法、打樁法、就地固化法等，在“雙碳”背景下，針對(duì)軟基處治技術(shù)開(kāi)展碳排放核算，優(yōu)選低碳建設(shè)技術(shù)對(duì)降低公路工程施工碳排放至關(guān)重要。

目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用LCA（生命周期）評(píng)價(jià)方法開(kāi)展交通基礎(chǔ)設(shè)施碳排放核算。薛志佳等通過(guò)核算提出了濕軟黃土地區(qū)處治方案中對(duì)于碳排放影響最大的因素。韓俊平等開(kāi)展了工業(yè)廢渣在軟基處治中碳排放核算研究，利用鋼渣共減少碳排放9 315 t。鄭良科等研究了太陽(yáng)能加熱排水固結(jié)法處治軟基的碳排放量，比真空預(yù)壓法在施工機(jī)械方面碳排量減少了近18. 4%。通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前對(duì)于軟基處治技術(shù)的碳排放研究文獻(xiàn)數(shù)量很少且研究不全面，部分學(xué)者從替代原材料角度研究了材料隱含碳排放降低情況，部分學(xué)者側(cè)重于施工設(shè)備的碳排放研究，未從生命周期角度開(kāi)展綜合比選研究。文章依托浙江省某高速公路開(kāi)展不同軟基處治技術(shù)的碳排放核算及評(píng)估分析，選取就地固化、預(yù)應(yīng)力管樁、泡沫混凝土三種技術(shù)，從原材料生產(chǎn)、材料運(yùn)輸以及施工階段開(kāi)展碳排放核算與分析，識(shí)別碳排放重點(diǎn)影響因素，提出降碳措施建議，為公路軟基處治技術(shù)比選及施工方案優(yōu)化提供支撐。

1 碳排放核算方法

文章重點(diǎn)針對(duì)軟土路基施工建設(shè)期不同技術(shù)措施產(chǎn)生的碳排放開(kāi)展研究，采用簡(jiǎn)化的LCA流程，將軟土路基工程建設(shè)期碳排放核算范圍規(guī)定為材料生產(chǎn)、材料場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸、施工階段的碳排放。按碳源區(qū)分將核算內(nèi)容分為兩類，分別是材料隱含碳排放及場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸、施工設(shè)備能耗碳排放。選取排放因子法進(jìn)行碳排放核算，即基于材料、能源消耗量和排放因子的碳排放計(jì)算方法。由工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)得到材料、能源用量。按照本地?cái)?shù)據(jù)優(yōu)先原則選用中國(guó)相關(guān)行業(yè)國(guó)標(biāo)、行標(biāo)、地標(biāo)推薦的碳排放因子，國(guó)外主流數(shù)據(jù)庫(kù)IPCC等收錄的碳排放因子作為參照使用。

2 基于浙江省工程實(shí)例的高速公路軟基處治碳排放核算與降碳對(duì)策

2.1 工程概況

浙江省某高速公路通過(guò)海積平原區(qū)，全線軟基路段占比45%以上。在工程建設(shè)中分別采用了水泥膠凝材就地固化技術(shù)、預(yù)應(yīng)力管樁技術(shù)、泡沫混凝土換填技術(shù)處治軟土路基。為研究不同技術(shù)在同等工程規(guī)模、地質(zhì)及建設(shè)條件下碳排放情況，選定預(yù)制梁場(chǎng)下方路基為試驗(yàn)段區(qū)域，設(shè)計(jì)了上述軟基處治方案并開(kāi)展碳排放核算。

2.2 就地固化技術(shù)

預(yù)制梁場(chǎng)生產(chǎn)線區(qū)域下方軟土地基采用就地固化技術(shù)，梁場(chǎng)面積60 121 m2，固化方量共計(jì)145 160 m3。固化劑為水泥（6%）與S95礦粉（20%）復(fù)配而成。S95級(jí)礦粉為?；郀t礦渣粉，屬于工業(yè)固廢材料循環(huán)利用，其隱含碳排放不計(jì)人核算。就地固化技術(shù)的場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸和施工機(jī)械設(shè)備均使用柴油。固化劑材料生產(chǎn)及運(yùn)輸施工設(shè)備能源消耗產(chǎn)生的碳排放量見(jiàn)表1。

由表1可知，就地固化技術(shù)建設(shè)期總碳排放量為7 801. 15 t，其中材料生產(chǎn)階段碳排放7 415. 92 t，材料運(yùn)輸階段碳排放232. 63 t，施工階段碳排放152.60 t，占比分別為95.06%、2.98%、1.96%。按碳源區(qū)分，水泥碳排放占比95.06%，柴油碳排放占比4.94%。由此，水泥生產(chǎn)碳排放是主要貢獻(xiàn)因素，可考慮采用工業(yè)廢渣替代水泥制備固化劑，降低軟土路基工程碳排放。

2.3 預(yù)應(yīng)力管樁處治技術(shù)

預(yù)應(yīng)力管樁采用正方形布設(shè)，管樁長(zhǎng)度12 m-36 m，預(yù)制梁場(chǎng)區(qū)域設(shè)計(jì)方案共采用管樁12 233根。文章只考慮樁體本身的材料隱含碳排放。管樁鋼筋主筋（φ12）采用HRB400熱軋鋼筋，箍筋（φ8）采用HPB300鋼筋。樁身采用C60混凝土，由其組成材料及對(duì)應(yīng)的碳排放因子計(jì)算出混凝土每單位碳排放量為644. 85 kg。預(yù)應(yīng)力管樁場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸設(shè)備使用柴油，施工設(shè)備部分使用柴油、部分用電、部分油電結(jié)合。預(yù)應(yīng)力管樁技術(shù)材料生產(chǎn)及機(jī)械設(shè)備能源消耗碳排放量見(jiàn)表2。

由表2可知，預(yù)應(yīng)力管樁技術(shù)建設(shè)期總碳排放量為16 507. 72 t，其中材料生產(chǎn)階段碳排放15 457. 22 t，材料運(yùn)輸階段碳排放440. 98 t，施工階段碳排放609. 52 t，占比分別為93. 64%、2.67%、3. 69%。其中，鋼筋碳排放最大，占比55. 54％。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)于鋼筋的綠色采購(gòu)，采用智能系統(tǒng)提高設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度，避免浪費(fèi)，并促進(jìn)鋼筋材料的循環(huán)利用．起到降低碳排放的作用。

2.4 泡沫混凝土處治技術(shù)

泡沫混凝土設(shè)計(jì)換填深度平均1.5 m，為達(dá)到強(qiáng)度要求，在泡沫混凝土頂部鋪設(shè)一層15 cm厚C25混凝土板，內(nèi)置10 cm×10 cm φ8鋼筋網(wǎng)，并在泡沫混凝土底面以上及頂面以下50 cm各設(shè)置一層10 cm×10 cm φ6鋼絲網(wǎng)。泡沫土成分中，發(fā)泡劑占比0.1%以下，對(duì)碳排放總量影響可忽略不計(jì)，摻合料為工業(yè)固廢循環(huán)利用，不計(jì)人材料隱含碳核算。泡沫混凝土頂部鋪設(shè)的C25混凝土板，由其組成材料及對(duì)應(yīng)的碳排放因子計(jì)算得混凝土每單位碳排放量為289. 44 kg。場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸設(shè)備使用柴油，施工設(shè)備使用電能。泡沫混凝土技術(shù)材料生產(chǎn)及運(yùn)輸施工機(jī)械設(shè)備能源消耗產(chǎn)生的碳排放量見(jiàn)表3。

由表3可知，泡沫混凝土技術(shù)建設(shè)期總碳排放量27 089. 82 t，其中材料生產(chǎn)階段碳排放25 581. 23 t，材料運(yùn)輸階段碳排放743. 73 t，施工階段碳排放764. 86 t，占比分別為94. 43%、2.75%、2.82%。其中，水泥碳排放占比最大，為76. 01%，應(yīng)重點(diǎn)管控水泥用量，或積極采用水泥替代材料等，減少水泥生產(chǎn)階段的碳排放。

2.5 核算結(jié)果分析及技術(shù)比選

2.5.1 碳排放核算結(jié)果分析

基于核算結(jié)果，將三種軟基處治技術(shù)在同等工程規(guī)模下的碳排放總量及碳排放強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)圖1。

由圖1可知，三種技術(shù)比選，同等工程規(guī)模下，就地固化技術(shù)的碳排放總量最低，預(yù)應(yīng)力管樁的碳排放總量次之，約是就地固化技術(shù)的2倍，泡沫混凝土技術(shù)的碳排放總量最大，約是就地固化技術(shù)的3.5倍。但由于預(yù)制梁場(chǎng)路段是臨建工程，其設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力管樁與項(xiàng)目主線路段鋪設(shè)的預(yù)應(yīng)力管樁相比簡(jiǎn)化了形式，若核算主線管樁，其碳排放總量可能更大。碳排放強(qiáng)度方面，就地固化技術(shù)的碳排放強(qiáng)度最小，約為泡沫混凝土方案的1/6。預(yù)應(yīng)力管樁的碳排放強(qiáng)度遠(yuǎn)大于就地固化及泡沫混凝土技術(shù)，說(shuō)明同等單位工程量下，預(yù)應(yīng)力管樁的碳排放最大，由此亦可推斷，在軟土路基公路主線上預(yù)應(yīng)力管樁的碳排放可能最大。

2.5.2 技術(shù)比選

在碳排放核算的基礎(chǔ)上，對(duì)三種軟基處治方案的技術(shù)性能及材料造價(jià)進(jìn)行對(duì)比，如表4、圖2所示。在滿足基底承載力觸探值設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，就地固化技術(shù)的承載力可達(dá)到其它技術(shù)的2倍左右，技術(shù)性能較好。并且，處治同一地段的軟基，就地固化技術(shù)造價(jià)最低，泡沫混凝土技術(shù)造價(jià)最高。因此，綜合碳排放、技術(shù)性能、造價(jià)比選，就地固化技術(shù)具有顯著優(yōu)勢(shì)，而泡沫混凝土技術(shù)和預(yù)應(yīng)力管樁技術(shù)可根據(jù)工程項(xiàng)目具體技術(shù)、環(huán)保要求等選擇使用。

2.6 降碳施工對(duì)策

基于以上分析，對(duì)降低軟土路基施工碳排放，提出建議如下：

2.6.1 促進(jìn)固廢利用

目前中國(guó)固廢公路資源化利用技術(shù)已取得突出進(jìn)展，應(yīng)進(jìn)一步推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；瘧?yīng)用，利用粉煤灰、鋼渣等廢舊資源循環(huán)利用，高比例替代水泥，制備固廢基膠凝材固化劑、泡沫輕質(zhì)土等材料用于軟基處治，目前已有大量研究表明固廢基膠凝材可達(dá)到與水泥同樣的路用性能與使用效果，固廢利用將大幅抵消材料生產(chǎn)過(guò)程中的材料隱含碳排放。

2.6.2 推行智能建造

充分利用數(shù)字化、智能化等技術(shù)系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)期準(zhǔn)確計(jì)算鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物配筋、材料配比、用料等，施工期模擬預(yù)制構(gòu)件的安裝工藝等，提高工程設(shè)計(jì)及施工精度與準(zhǔn)確度，控制材料用量，減少材料浪費(fèi)，同時(shí)避免出現(xiàn)因施工質(zhì)量問(wèn)題而返工等產(chǎn)生的碳排放，由減少材料用量及不必要的施工活動(dòng)，減少材料生產(chǎn)及施工碳排放。

2.6.3 促進(jìn)能源升級(jí)

目前，公路工程建設(shè)運(yùn)輸能源以柴油為主，施工能源多采用油電結(jié)合的方式，近階段可通過(guò)技術(shù)提級(jí)、設(shè)備改造等，將用油設(shè)備逐步替換為用電設(shè)備，由于電力的碳排放因子遠(yuǎn)小于柴油，設(shè)備能源轉(zhuǎn)變后，將對(duì)運(yùn)輸及施工階段的碳排放起到顯著降低作用。并且，大力發(fā)展新能源科技，使用光伏等清潔能源，局部應(yīng)用于拌和站等，逐漸將使用“火電”設(shè)備更迭替換為使用“綠電”設(shè)備，將對(duì)于降低能耗碳排放起到革命性作用。

2.6.4 降低生命周期碳排放

檢驗(yàn)一項(xiàng)技術(shù)是否真正節(jié)能降碳，對(duì)其生命周期的碳排放跟蹤評(píng)價(jià)至關(guān)重要。文章固化土路段總體性能較好，但一年后在梁場(chǎng)前端的路面處出現(xiàn)了少量裂縫，可能是施工質(zhì)量控制不當(dāng)造成，也可能是固化技術(shù)的耐久性不足導(dǎo)致了反射裂縫，應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土體沉降、變形等，以跟蹤觀測(cè)固化土的長(zhǎng)期使用效果。因此，在建設(shè)期使用的降碳技術(shù)措施，還應(yīng)兼顧考慮運(yùn)營(yíng)期的養(yǎng)護(hù)維修活動(dòng)規(guī)模、頻率等，從生命周期角度綜合評(píng)價(jià)降碳能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章開(kāi)展了公路軟基處治技術(shù)的碳排放核算與分析，闡述了軟基處治技術(shù)碳排放核算方法，并開(kāi)展了就地固化技術(shù)、預(yù)應(yīng)力管樁技術(shù)、泡沫混凝土技術(shù)的建設(shè)期碳排放實(shí)例核算。由核算結(jié)果得出，材料生產(chǎn)階段碳排放均占比93%以上，是工程降碳的首要管控對(duì)象。在同等工程規(guī)模下，就地固化技術(shù)的碳排放總量及碳排放強(qiáng)度均為最小，泡沫混凝土技術(shù)碳排放總量最大，預(yù)應(yīng)力管樁技術(shù)碳排放強(qiáng)度最大?；诮ㄔO(shè)期碳排放核算結(jié)果與技術(shù)性能指標(biāo)、造價(jià)等對(duì)比分析，提出就地固化技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)，并提出了軟基工程的低碳施工對(duì)策。后續(xù)將擴(kuò)大研究范圍，分析特殊路基施工多種技術(shù)手段的生命周期碳排放水平，為中國(guó)公路低碳建設(shè)與管理、節(jié)能降碳技術(shù)選取及應(yīng)用提供支撐。

基金項(xiàng)目：浙江省交通投資集團(tuán)科技項(xiàng)目（202201）