加筋擋土結(jié)構(gòu)碳排放計(jì)算

陳帝升，王志杰，蒲夢(mèng)龍，金 陽(yáng)，李 建，趙 璽，苑澤宇

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北石家莊 050043)

[通信作者]王志杰(1985～)，男，博士，講師，主要從事環(huán)境巖土、土工合成材料加筋土技術(shù)等方面的研究工作。

作為世界上主要的經(jīng)濟(jì)體和溫室氣體排放國(guó)，我國(guó)在應(yīng)對(duì)氣候變化方面做出了重要的承諾，如我國(guó)在2009年哥本哈根全球氣候變化大會(huì)上提出了到2020年實(shí)現(xiàn)單位GDP二氧化碳排放量比2005年降低40 %～45 %的目標(biāo)，在2015年巴黎全球氣候變化大會(huì)上又提出到2030年實(shí)現(xiàn)單位GDP二氧化碳排放量比2005年降低60 %～65 %的目標(biāo)[1]。

為了盡早實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，且保持當(dāng)前經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)，提高碳排放效率成為必然選擇。相關(guān)專(zhuān)家學(xué)者對(duì)各行各業(yè)碳排放情況進(jìn)行了深入研究。在鐵路、道路方面，陳進(jìn)杰等[2]對(duì)高速鐵路碳排放分解結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析，建立高速鐵路全生命周期碳排放數(shù)學(xué)模型。王琿[3]對(duì)道路運(yùn)輸場(chǎng)站排放重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行分析，建立了道路貨運(yùn)場(chǎng)站碳排放量計(jì)算模型。

在護(hù)岸工程方面，黎禮剛等[4]定量計(jì)算了天然建筑材料加工及護(hù)岸工程成品材料過(guò)程中的能耗，并計(jì)算了護(hù)岸工程過(guò)程中使用的水泥、鋼筋和土工合成材料的能耗，采用國(guó)際上通用的碳排放模式，對(duì)幾種典型護(hù)岸工程結(jié)構(gòu)形式的碳排放進(jìn)行了定量計(jì)算和比較。

在房屋建筑方面，范正根和黃駿[5]以建筑建造為對(duì)象，結(jié)合我國(guó)國(guó)情和具體工程案例，闡述了建筑建造階段碳排放量的計(jì)算方法。彭渤[6]基于典型案例的生命周期能耗排放，比較和總結(jié)了綠色建筑與普通建筑的能耗和碳排放差異特點(diǎn)。張珍[7]建立了建筑施工碳足跡計(jì)算模型，為建筑施工階段碳排放提供了定量的計(jì)算方法。王建軍等[8]提出了建筑物構(gòu)造過(guò)程中碳排放計(jì)算模型，并以北京某工程為例，介紹了建造階段碳排放計(jì)算方法。

擋土結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于房屋建筑、鐵路、公路、水利等工程建設(shè)，而關(guān)于擋土結(jié)構(gòu)碳排放計(jì)算的研究成果，尤其是加筋擋土結(jié)構(gòu)碳排放的研究成果鮮有報(bào)道。因此，本文將基于上述有關(guān)研究成果，建立擋土結(jié)構(gòu)在各階段的碳排放數(shù)學(xué)計(jì)算模型，并結(jié)合某一工程實(shí)例，計(jì)算加筋土擋墻在各階段的碳排放量。并采用相同的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算重力式擋墻在各階段的碳排放量，對(duì)兩種擋土結(jié)構(gòu)的碳排放量進(jìn)行分析比較。

1 擋土結(jié)構(gòu)碳排放數(shù)學(xué)計(jì)算模型

基于有關(guān)研究成果，結(jié)合擋土結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)，本文將擋土結(jié)構(gòu)碳排放周期劃分為四個(gè)階段，即建材生產(chǎn)階段、建材運(yùn)輸階段、施工建設(shè)階段以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段。由于擋土結(jié)構(gòu)，尤其是加筋擋土結(jié)構(gòu)墻面形式(返包式、砌塊式、現(xiàn)澆整體式等)各異，在運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段碳排放量計(jì)算較為復(fù)雜，故本研究暫不考慮運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段碳排放量，僅計(jì)算建材生產(chǎn)、建材運(yùn)輸、施工建設(shè)階段的碳排放量。

擋土結(jié)構(gòu)碳排放數(shù)學(xué)計(jì)算模型為：

C=C1+C2+C3

(1)

式中：C為總的碳排放量(t)；C1為建材生產(chǎn)階段的碳排放量(t)；C2為建材運(yùn)輸階段的碳排放量(t)；C3為施工建設(shè)階段的碳排放量(t)。

1.1 建材生產(chǎn)階段的碳排放量計(jì)算

擋土結(jié)構(gòu)建設(shè)需消耗大量建筑材料，包括水泥、鋼材、木材、石料等。這些建筑材料的生產(chǎn)過(guò)程消耗了大量的二氧化碳。本研究選取幾種實(shí)際工程中用量較大的建筑材料，對(duì)其生產(chǎn)階段的碳排放量進(jìn)行計(jì)算。

建材生產(chǎn)階段的碳排放量計(jì)算模型為：

(2)

式中：Mi為第i種建筑材料的用量；Fi為第i種建筑材料的碳排放系數(shù)(表1)；n為所用建筑材料種類(lèi)個(gè)數(shù)。

1.2 建材運(yùn)輸階段的碳排放量計(jì)算

在擋土結(jié)構(gòu)建設(shè)階段，建筑材料由生產(chǎn)地運(yùn)輸?shù)侥康牡兀诖诉^(guò)程中碳排放主要由運(yùn)輸工具消耗能源而產(chǎn)生。

建材運(yùn)輸階段的碳排放量計(jì)算模型為：

表1 主要建材的碳排放系數(shù)

注：表中數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[9]。

(3)

式中：Mi為第i種建筑材料的用量；Di為第i種建筑材料的運(yùn)輸距離；f為運(yùn)輸?shù)奶寂欧畔禂?shù)(表2)；n為所用建筑材料種類(lèi)個(gè)數(shù)。

表2 不同運(yùn)輸方式的碳排放系數(shù)

注：表中數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[2]。

1.3 施工建設(shè)階段的碳排放量計(jì)算

擋土結(jié)構(gòu)在施工建設(shè)過(guò)程中碳排放主要考慮因機(jī)械設(shè)備使用所產(chǎn)生的二氧化碳排放。可根據(jù)機(jī)械設(shè)備的燃油量和耗電量來(lái)計(jì)算其碳排放量。

施工建設(shè)階段的碳排放量計(jì)算模型為：

(4)

式中：Qi為第i種機(jī)械設(shè)備每小時(shí)消耗電能或燃油量；Wi為第i種機(jī)械設(shè)備的使用時(shí)間；Pi為第i種機(jī)械設(shè)備所消耗能源的碳排放系數(shù)(表3)；n為所用機(jī)械設(shè)備種類(lèi)個(gè)數(shù)。

表3 主要能源的碳排放系數(shù)

注：表中數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[2]。

2 擋土結(jié)構(gòu)碳排放計(jì)算結(jié)果與分析

擋土結(jié)構(gòu)碳排放計(jì)算考慮因素較多，計(jì)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，故本研究參照文獻(xiàn)[10]中的擋土墻算例進(jìn)行計(jì)算，墻高5.6 m，總長(zhǎng)200 m。兩種擋土結(jié)構(gòu)均達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.1 加筋土擋墻

2.1.1 主要建材生產(chǎn)階段的碳排放量

加筋土擋墻所涉及的建筑材料主要包括墻面材料、加筋材料、排水材料等，填土就地取材。

(1)墻面材料。

假定加筋土擋墻墻面板采用C20預(yù)拌混凝土，厚度為0.2 m，故：

混凝土用量=0.2×5.6×200=224 m3

(2)加筋材料。

加筋材料采用土工格柵，筋材豎向間距0.5 m(最上部一層間距0.6 m)，筋材層數(shù)為11層，加筋土擋墻截面尺寸如圖1所示。參照文獻(xiàn)[10]中結(jié)構(gòu)外部與內(nèi)部穩(wěn)定設(shè)計(jì)，筋材的鋪設(shè)寬度為5.4 m，取筋材重疊部分為筋材寬度的10 %，故:

筋材用量=5.4×200×11×(1+10%)=13068m2

圖1 加筋土擋墻尺寸[10]

(3)排水材料。

排水材料采用碎石，參照文獻(xiàn)[10]，其用量為872 m3。參照文獻(xiàn)[11]，碎石的密度取值為1 560 kg/m3，故：

碎石質(zhì)量=1560×872/1000=1360t

因此，加筋土擋墻在主要建材生產(chǎn)階段的碳排放量為：

C1=224×0.289+13068×0.433/1000+1360×3.1/1000=74.61t

2.1.2 建材運(yùn)輸階段的碳排放量

因擋土結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中建筑材料的運(yùn)輸距離與所選擋土結(jié)構(gòu)類(lèi)型相關(guān)性很小，與各個(gè)工程之間距離相關(guān)性較大，且對(duì)本研究影響結(jié)果較小，故本研究假定建筑材料運(yùn)輸均為100 km的公路運(yùn)輸。

參照相關(guān)文獻(xiàn)[12-13]，混凝土的密度取值為2 500 kg/m3，土工格柵的單位面積質(zhì)量取值為0.33 kg/m2。因此，各種建筑材料的質(zhì)量分別為：

混凝土質(zhì)量=2500×224/1000=560t

土工格柵質(zhì)量=0.33×13068/1000=4.31t

因此，加筋土擋墻在建材運(yùn)輸階段的碳排放量為：

C2=(560+4.31+1360)×100×161.4/1000/1000=31.06t

2.1.3 施工建設(shè)階段的碳排放量

參照文獻(xiàn)[10]，加筋土擋墻施工過(guò)程中主要采用挖土機(jī)和壓路機(jī)，兩種機(jī)械均采用柴油。挖土機(jī)的耗油量為12.7 L/h，需要使用挖土機(jī)時(shí)長(zhǎng)為360 h；壓路機(jī)的耗油量為12.5 L/h，需要使用壓路機(jī)時(shí)長(zhǎng)為180 h。

因此，加筋土擋墻在施工建設(shè)階段的碳排放量為：

C3=(12.7×360+12.5×180)×0.85×3.16/1000=18.32t

其中，柴油密度取值為0.85 kg/L。

2.1.4 總碳排放量

綜上，建造本座加筋土擋墻所產(chǎn)生的二氧化碳量為：

C=74.61+31.06+18.32=123.99t

各階段碳排放量占總碳排放量比重情況如圖2所示。由圖2可以看出，建材生產(chǎn)階段的碳排放量占修建加筋土擋墻總碳排放量的比重最大，約為60 %；其次為建材運(yùn)輸階段，約為25 %；施工建設(shè)階段碳排放量最小，所占比重約為15 %。

圖2 加筋土擋墻碳排放組成比例

2.2 重力式擋墻

2.2.1 主要建材生產(chǎn)階段的碳排放量

重力式擋墻所涉及的建筑材料主要包括重力式擋墻墻體與排水材料等，填土就地取材。

(1)重力式擋墻墻體。

重力式擋墻墻體采用C20預(yù)拌混凝土，參照文獻(xiàn)[10]，重力式擋墻的尺寸如圖3所示，故：

擋墻截面尺寸=0.47+7.52+0.47+2.7=11.16m2

混凝土用量=11.16×200=2232m3

混凝土質(zhì)量=2500×2232/1000=5580t

圖3 重力式擋墻的尺寸[10]

(2)排水材料。

排水材料采用碎石，參照文獻(xiàn)[10]，其用量為882 m3。

碎石質(zhì)量=1560×882/1000=1375.92t

因此，重力式擋墻在主要建材生產(chǎn)階段的碳排放量為：

C1=2232×0.289+1375.92×3.1/1000=649.31t

2.2.2 建材運(yùn)輸階段的碳排放量

同樣假定建筑材料運(yùn)輸均為100 km的公路運(yùn)輸。故重力式擋墻在建材運(yùn)輸階段的碳排放量為：

C2=(5580+1375.92)×100×161.4=112.27t

2.2.3 施工建設(shè)階段的碳排放量

參照文獻(xiàn)[10]，重力式擋墻施工過(guò)程中主要采用挖土機(jī)和壓路機(jī)，兩種機(jī)械均采用柴油。挖土機(jī)的耗油量為12.7 L/h，需要使用挖土機(jī)時(shí)長(zhǎng)為104.16 h；壓路機(jī)的耗油量為12.5 L/h，需要使用壓路機(jī)時(shí)長(zhǎng)為69.44 h。因此，重力式擋墻在施工建設(shè)階段的碳排放量為：

C3=(12.7×104.16+12.5×69.44)×0.85×3.16/1000=5.88t

2.2.4 總碳排放量

綜上，建造本座重力式擋墻所產(chǎn)生的二氧化碳量為：

C=649.31+112.27+5.88=767.46t

各階段碳排放量占總碳排放量比重情況如圖4所示。由圖4可以看出，建材生產(chǎn)階段的碳排放量占修建重力式擋墻總碳排放量的比重最大，約為84 %；其次為建材運(yùn)輸階段，約為15 %；施工建設(shè)階段碳排放量最小，所占比重約為1 %。

圖4 重力式擋墻碳排放組成比例

2.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

采用所建立的擋土結(jié)構(gòu)碳排放數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得到了加筋土擋墻與重力式擋墻在建材生產(chǎn)、建材運(yùn)輸、施工建設(shè)階段的碳排放量，計(jì)算結(jié)果如表4所示。為了便于直觀對(duì)比，兩種擋土結(jié)構(gòu)在各階段以及總的碳排放量如圖5所示。

表4 碳排放量計(jì)算結(jié)果 t

圖5 擋土結(jié)構(gòu)碳排放量

對(duì)比兩種擋土結(jié)構(gòu)的總碳排放量，可以看出：在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，加筋土擋墻的總碳排放量遠(yuǎn)小于重力式擋墻的總碳排放量，前者僅為后者的16 %。

對(duì)比兩種擋土結(jié)構(gòu)在各階段的碳排放量，可以看出：在建材生產(chǎn)階段加筋土擋墻的碳排放量遠(yuǎn)小于重力式擋墻的碳排放量；在建材運(yùn)輸階段加筋土擋墻的碳排放量略小于重力式擋墻的碳排放量；而在施工建設(shè)階段加筋土擋墻的碳排放量略大于重力式擋墻的碳排放量。

3 結(jié)論

(1) 基于有關(guān)研究成果，建立了擋土結(jié)構(gòu)在各階段的碳排放數(shù)學(xué)計(jì)算模型，并結(jié)合某一工程實(shí)例，計(jì)算得到了加筋土擋墻與重力式擋墻在在建材生產(chǎn)、建材運(yùn)輸、施工建設(shè)階段的碳排放量。

(2) 加筋土擋墻的總碳排放量遠(yuǎn)小于重力式擋墻的總碳排放量，前者僅為后者的16 %。加筋土擋墻總碳排放量較少的主要原因是加筋擋土墻相比重力式擋墻極大的節(jié)省了混凝土用量，進(jìn)而在建筑材料生產(chǎn)階段與建筑材料運(yùn)輸階段的碳排放量大大縮減。因此，減少混凝土用量可以大大降低工程建設(shè)中的碳排放量。

(3) 研究工作揭示了加筋擋土結(jié)構(gòu)在節(jié)能減排方面的優(yōu)越性，為評(píng)估各類(lèi)擋土結(jié)構(gòu)的碳排放提供了一定的參考。

需要指明的是，各類(lèi)擋土結(jié)構(gòu)碳排放計(jì)算所需考慮因素眾多、計(jì)算過(guò)程也相對(duì)復(fù)雜。本文僅考慮了部分主要因素，后續(xù)工作將細(xì)分擋土結(jié)構(gòu)碳排放計(jì)算周期、細(xì)化各階段計(jì)算內(nèi)容，以獲取更為詳實(shí)的擋土結(jié)構(gòu)碳排放量。