加筋擋土結構碳排放計算

陳帝升，王志杰，蒲夢龍，金 陽，李 建，趙 璽，苑澤宇

(石家莊鐵道大學土木工程學院，河北石家莊 050043)

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

作為世界上主要的經濟體和溫室氣體排放國，我國在應對氣候變化方面做出了重要的承諾，如我國在2009年哥本哈根全球氣候變化大會上提出了到2020年實現單位GDP二氧化碳排放量比2005年降低40 %～45 %的目標，在2015年巴黎全球氣候變化大會上又提出到2030年實現單位GDP二氧化碳排放量比2005年降低60 %～65 %的目標[1]。

為了盡早實現這一目標，且保持當前經濟持續增長，提高碳排放效率成為必然選擇。相關專家學者對各行各業碳排放情況進行了深入研究。在鐵路、道路方面，陳進杰等[2]對高速鐵路碳排放分解結構體系進行分析，建立高速鐵路全生命周期碳排放數學模型。王琿[3]對道路運輸場站排放重點區域進行分析，建立了道路貨運場站碳排放量計算模型。

在護岸工程方面，黎禮剛等[4]定量計算了天然建筑材料加工及護岸工程成品材料過程中的能耗，并計算了護岸工程過程中使用的水泥、鋼筋和土工合成材料的能耗，采用國際上通用的碳排放模式，對幾種典型護岸工程結構形式的碳排放進行了定量計算和比較。

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

擋土結構廣泛應用于房屋建筑、鐵路、公路、水利等工程建設，而關于擋土結構碳排放計算的研究成果，尤其是加筋擋土結構碳排放的研究成果鮮有報道。因此，本文將基于上述有關研究成果，建立擋土結構在各階段的碳排放數學計算模型，并結合某一工程實例，計算加筋土擋墻在各階段的碳排放量。并采用相同的數學模型，計算重力式擋墻在各階段的碳排放量，對兩種擋土結構的碳排放量進行分析比較。

1 擋土結構碳排放數學計算模型

基于有關研究成果，結合擋土結構自身特點，本文將擋土結構碳排放周期劃分為四個階段，即建材生產階段、建材運輸階段、施工建設階段以及運營維護階段。由于擋土結構，尤其是加筋擋土結構墻面形式(返包式、砌塊式、現澆整體式等)各異，在運營維護階段碳排放量計算較為復雜，故本研究暫不考慮運營維護階段碳排放量，僅計算建材生產、建材運輸、施工建設階段的碳排放量。

擋土結構碳排放數學計算模型為：

C=C1+C2+C3

(1)

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

1.1 建材生產階段的碳排放量計算

擋土結構建設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過程消耗了大量的二氧化碳。本研究選取幾種實際工程中用量較大的建筑材料，對其生產階段的碳排放量進行計算。

建材生產階段的碳排放量計算模型為：

(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(表1)；n為所用建筑材料種類個數。

1.2 建材運輸階段的碳排放量計算

在擋土結構建設階段，建筑材料由生產地運輸到目的地，在此過程中碳排放主要由運輸工具消耗能源而產生。

建材運輸階段的碳排放量計算模型為：

表1 主要建材的碳排放系數

注：表中數據引自文獻[2]和文獻[9]。

(3)

式中：Mi為第i種建筑材料的用量；Di為第i種建筑材料的運輸距離；f為運輸的碳排放系數(表2)；n為所用建筑材料種類個數。

表2 不同運輸方式的碳排放系數

注：表中數據引自文獻[2]。

1.3 施工建設階段的碳排放量計算

擋土結構在施工建設過程中碳排放主要考慮因機械設備使用所產生的二氧化碳排放。可根據機械設備的燃油量和耗電量來計算其碳排放量。

施工建設階段的碳排放量計算模型為：

(4)

式中：Qi為第i種機械設備每小時消耗電能或燃油量；Wi為第i種機械設備的使用時間；Pi為第i種機械設備所消耗能源的碳排放系數(表3)；n為所用機械設備種類個數。

表3 主要能源的碳排放系數

注：表中數據引自文獻[2]。

2 擋土結構碳排放計算結果與分析

擋土結構碳排放計算考慮因素較多，計算過程相對復雜，故本研究參照文獻[10]中的擋土墻算例進行計算，墻高5.6 m，總長200 m。兩種擋土結構均達到設計標準要求。

2.1 加筋土擋墻

2.1.1 主要建材生產階段的碳排放量

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)，筋材層數為11層，加筋土擋墻截面尺寸如圖1所示。參照文獻[10]中結構外部與內部穩定設計，筋材的鋪設寬度為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[10]，其用量為872 m3。參照文獻[11]，碎石的密度取值為1 560 kg/m3，故：

碎石質量=1560×872/1000=1360t

因此，加筋土擋墻在主要建材生產階段的碳排放量為：

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

2.1.2 建材運輸階段的碳排放量

因擋土結構施工過程中建筑材料的運輸距離與所選擋土結構類型相關性很小，與各個工程之間距離相關性較大，且對本研究影響結果較小，故本研究假定建筑材料運輸均為100 km的公路運輸。

參照相關文獻[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量取值為0.33 kg/m2。因此，各種建筑材料的質量分別為：

混凝土質量=2500×224/1000=560t

土工格柵質量=0.33×13068/1000=4.31t

因此，加筋土擋墻在建材運輸階段的碳排放量為：

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

2.1.3 施工建設階段的碳排放量

參照文獻[10]，加筋土擋墻施工過程中主要采用挖土機和壓路機，兩種機械均采用柴油。挖土機的耗油量為12.7 L/h，需要使用挖土機時長為360 h；壓路機的耗油量為12.5 L/h，需要使用壓路機時長為180 h。

因此，加筋土擋墻在施工建設階段的碳排放量為：

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 %；其次為建材運輸階段，約為25 %；施工建設階段碳排放量最小，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預拌混凝土，參照文獻[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[10]，其用量為882 m3。

碎石質量=1560×882/1000=1375.92t

因此，重力式擋墻在主要建材生產階段的碳排放量為：

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

2.2.2 建材運輸階段的碳排放量

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

C2=(5580+1375.92)×100×161.4=112.27t

2.2.3 施工建設階段的碳排放量

參照文獻[10]，重力式擋墻施工過程中主要采用挖土機和壓路機，兩種機械均采用柴油。挖土機的耗油量為12.7 L/h，需要使用挖土機時長為104.16 h；壓路機的耗油量為12.5 L/h，需要使用壓路機時長為69.44 h。因此，重力式擋墻在施工建設階段的碳排放量為：

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 %；其次為建材運輸階段，約為15 %；施工建設階段碳排放量最小，所占比重約為1 %。

圖4 重力式擋墻碳排放組成比例

2.3 計算結果對比

采用所建立的擋土結構碳排放數學模型，計算得到了加筋土擋墻與重力式擋墻在建材生產、建材運輸、施工建設階段的碳排放量，計算結果如表4所示。為了便于直觀對比，兩種擋土結構在各階段以及總的碳排放量如圖5所示。

表4 碳排放量計算結果 t

圖5 擋土結構碳排放量

對比兩種擋土結構的總碳排放量，可以看出：在滿足設計標準的前提下，加筋土擋墻的總碳排放量遠小于重力式擋墻的總碳排放量，前者僅為后者的16 %。

對比兩種擋土結構在各階段的碳排放量，可以看出：在建材生產階段加筋土擋墻的碳排放量遠小于重力式擋墻的碳排放量；在建材運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 結論

(1) 基于有關研究成果，建立了擋土結構在各階段的碳排放數學計算模型，并結合某一工程實例，計算得到了加筋土擋墻與重力式擋墻在在建材生產、建材運輸、施工建設階段的碳排放量。

(2) 加筋土擋墻的總碳排放量遠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省了混凝土用量，進而在建筑材料生產階段與建筑材料運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中的碳排放量。

(3) 研究工作揭示了加筋擋土結構在節能減排方面的優越性，為評估各類擋土結構的碳排放提供了一定的參考。

需要指明的是，各類擋土結構碳排放計算所需考慮因素眾多、計算過程也相對復雜。本文僅考慮了部分主要因素，后續工作將細分擋土結構碳排放計算周期、細化各階段計算內容，以獲取更為詳實的擋土結構碳排放量。