公路施工期瀝青路面結構類型對碳排放的影響分析

銀 奕,吳開慶

（1.廣西交通設計集團有限公司,廣西 南寧 530029; 2.廣西壯族自治區(qū)環(huán)境保護科學研究院,廣西 南寧 530020）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，人類過度的經(jīng)濟活動造成碳排放量與日俱增，產生溫室效應，導致全球溫度升高，引發(fā)冰蓋融化、極端天氣、干旱和海平面升高等氣象災害，對人類生存造成極大影響。公路網(wǎng)絡建設施工是引發(fā)全球碳排放量不斷增加的主要原因之一。瀝青路面因其行車舒適、方便快捷、噪聲低等特點，已經(jīng)成為我國當下公路建設施工中的主要路面形式。然而，在瀝青公路路面的修建與養(yǎng)護中，因瀝青材料拌和與使用，需要大量使用集料、瀝青、改性劑等加工材料，此外，還需要將集料、瀝青等加熱到160 ℃左右，釋放了大量的溫室氣體，給氣候變化及生態(tài)環(huán)境帶來了嚴重危機。在瀝青路面修筑施工的過程中，拌和、運輸、攤鋪、碾壓等設備耗費了較多的燃油和電力 ，并產生了許多二氧化碳等溫室氣體。

因此，在瀝青公路建設中如何有效減少碳排放量，已成為建設部門的關注熱點，也引發(fā)了我國學術界對碳排放影響因素研究的廣泛關注。

閆強[1]等人根據(jù)碳排放因子法，根據(jù)路面施工指標，構建了瀝青路面的碳排放等級分級評估模式，選取了3種具有代表性的路面結構設計方案，并對其在原材料生產、原材料運輸、路面施工3個階段總體的碳排放情況進行研究，得出了水泥在原材料生產階段具有較大的碳排放量、瀝青路面結構對原材料生產階段碳排放有顯著影響、集料在原材料運輸階段所占碳排放比例較大等結論。

該文為研究分析公路施工期瀝青路面結構類型對碳排放的影響，結合某公路建設項目的基本概況，擬定三種類型的瀝青路面結構方案，建立碳排放量計算模型，對公路施工期碳排放進行定量計算，分析各結構類型對碳排放的影響。

1 研究項目概況

該文選取某城市公路建設項目為研究對象，該公路全長約88.6 km，路基寬度約28.5 m。依據(jù)工程可行性研究報告，為雙向4車道的公路，且路面由瀝青混凝土修建而成，厚度約為72 cm。該次研究所選工程項目，雖然建設規(guī)模較小，但其施工技術較為復雜多樣，用于研究路面結構類型對碳排放的影響分析，具有一定代表性。

2 研究方法

2.1 瀝青路面結構類型的擬定

瀝青路面通常由面層、基層、底基層和墊層組成，其中，面層為瀝青路面的表層，直接承受車輪荷載的反復作用和自然因素的影響；基層處于面層之下，是起重要承重作用的層次，對其使用材料的強度有較高要求；底基層位于基層之下，也承擔著一定的承重作用，其使用材料的強度要求低于基層材料；墊層設置于底基層與土層之間，起到排水、隔水、防凍、防污的作用[2]。

在研究所選的公路建設工程中[1]，瀝青路面施工期間所產生的碳排放情況非常明顯，所以該文將從路面結構類型角度出發(fā)，研究其對碳排放的影響。首先需要擬定影響公路施工期間碳排放的路面結構類型[2]，如圖1所示。

圖1 擬定瀝青路面結構類型圖

結合所研究工程的基本概況，本次研究擬定了三種類型的瀝青路面結構方案：方案一是典型的半剛性基層瀝青路面；方案二為從各層厚度的角度對方案一的路面進行改進后的半剛性基層瀝青路面；方案三為從各層選用材料的角度對方案一的路面進行改進后的半剛性基層瀝青路面。

綜合考慮該公路建設施工要求以及工程造價等因素，這三種類型的瀝青路面結構為復合式結構，其中方案一是典型的半剛性基層結構；方案二并未改變原始瀝青路面結構的各基層材料，但將整體厚度提升了22 cm，以提升瀝青路面基層的抗車轍性能；方案三將原始細粒式瀝青混凝土面層，轉換為同等厚度的瀝青瑪蹄脂碎石層，并將原始粗粒式瀝青混凝土面層，轉換為同等厚度的瀝青穩(wěn)定碎石面層，以增強瀝青路面的排水效果[3]。

在擬定好瀝青路面結構類型后，需要對上述三種路面結構進行驗算[3]，通常不同氣溫下的公路瀝青路面結構會發(fā)生不同程度的損壞，所以需要結合我國公路路面設計規(guī)范，確定這三種類型的瀝青路面結構溫度調整系數(shù)，進行路面穩(wěn)定層疲勞開裂驗算[4]。

由于該次研究所選的瀝青路面結構類型，均屬于半剛性集成結構，所以僅需通過拉應力與變形量這兩個指標來驗算各瀝青路面結構的疲勞開裂情況，最終驗算結果如表1所示。

由表1可知，這三種類型公路瀝青路面結構方案，最終驗算結果均滿足我國公路路面設計規(guī)范，可以用于碳排放影響分析研究中。

表1 公路瀝青路面結構疲勞開裂驗算結果表

2.2 公路施工期碳排放的計算

碳排放[4]主要是二氧化碳等溫室氣體的總體排放量。由于公路施工是一個復雜且龐大的工程項目，涉及眾多施工技術，在原料生產中，如石料開采、瀝青煉制、施工中瀝青混合、鋪面碾壓、振動壓路機等都要消耗巨大的電能、熱能、天然氣等，同時，大量二氧化碳排放量也會對地球造成巨大的污染[5]。為使公路施工期碳排放量數(shù)據(jù)的計算結果更為精準，該文設計一個施工期碳排放計算模型[5]。

當下，我國公路施工碳排放量計算主要依靠碳排放因子法來實現(xiàn)，不僅計算量極大，而且所需計算成本較高，并不適用于該文研究中，所以該文從公路瀝青路面施工期的施工材料與施工設備兩個方面著手，建立一個碳排放的定量計算模型。

在公路瀝青路面施工過程中，通常會使用翻斗車、拖拉機、自卸汽車等運輸車輛將瀝青材料運輸至施工現(xiàn)場，所以在公路瀝青路面施工期由施工材料所產生的碳排放主要由材料運輸量、運輸車輛等相關因素所決定，那么該文參考《2018公路工程預算定額》，設計如下式所示的公路施工期瀝青材料運輸產生碳排放計算模型：

式中，P1——公路施工期瀝青材料運輸時造成的碳排放定量數(shù)據(jù)；Bcl——瀝青材料運輸車c每行駛1 km所需臺班量數(shù)據(jù)；Vcl——瀝青材料運輸車c運輸瀝青材料l至施工現(xiàn)場時，所行駛的距離數(shù)據(jù)；Qcl——c的燃料消耗量數(shù)據(jù)；Ycl——c的碳排放因子；Gcl——施工中所運輸?shù)臑r青材料l重量數(shù)據(jù)；m——瀝青運輸車輛的種類數(shù)目；n——瀝青材料種類數(shù)目。

關于公路瀝青路面施工期間，現(xiàn)場的施工機械設備產生的碳排放主要與施工設備種類以及所使用燃料等因素有關，該文同樣參考《2018公路工程預算定額》，設計如下式所示的公路施工期現(xiàn)場施工設備產生碳排放計算模型：

式中，P2——公路施工期現(xiàn)場施工設備運行造成的碳排放定量數(shù)據(jù)；Si——第i臺施工機械設備的臺班量數(shù)據(jù)；Ri——第i臺施工機械設備的燃油量數(shù)據(jù)；Yi——第i臺施工機械設備的碳排放因子；N——公路瀝青路面施工期所使用的機械設備總數(shù)量。

由此可知，該次研究所建立的公路施工期碳排放定量計算模型為：

式中，P——公路施工期碳排放定量計算模型；P3——公路瀝青路面結構施工過程中，由瀝青混凝土拌和、攤鋪、壓實等工序產生的碳排放，該數(shù)據(jù)需要實測獲取，這里不再做詳細介紹。綜上所述，該次研究在計算不同類型的瀝青路面結構施工期所產生的碳排放量時，不僅考慮了施工現(xiàn)場的施工機械設備運行過程中與瀝青材料使用過程中所產生的碳排放量，還包括了原材料加工完成后運輸至施工現(xiàn)場過程中所產生的碳排放量，可以使后期的公路施工期碳排放影響分析更為精確。

3 結果分析

根據(jù)上述公式，獲得研究所選公路工程的瀝青路面施工期碳排放量計算結果，如表2所示。

表2 各類型的瀝青路面施工碳排放量計算結果表

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，繪制如圖2、3、4所示的公路施工碳排放占比圖。

圖2 瀝青路面結構方案一施工期碳排放占比圖

根據(jù)該次研究結果可知，該文選用的三種類型的瀝青路面結構施工期的碳排放量按大小順序排序如下：施工設備運行＞瀝青材料使用＞瀝青材料運輸，且施工設備運行與瀝青材料使用過程為主要碳排放階段，三種方案的占比均在75%以上。主要是因為在施工機械設備的運行中以及瀝青材料的拌和、攤鋪等工序中，具有較高的碳排放因子，造成碳排放量劇增。其中方案一與方案三的整體碳排放量極為接近，這主要是因為這兩種方案下的瀝青路面結構較為相似。而方案二的瀝青材料使用過程中產生的碳排放量較其他兩種方案大大增加，主要是因為方案二中增加了水泥穩(wěn)定碎石基層的厚度，施工中所需拌和及攤鋪等工序的施工材料量更大，導致整體碳排放量最大。

4 結語

隨著公路網(wǎng)絡的不斷發(fā)展，碳排放污染問題日益嚴重，節(jié)能減排工作成為公路建設關鍵任務。該文在查閱總結大量資料的基礎上，遵循科學合理的原則，對不同類型的公路瀝青路面結構施工中所產生的碳排放進行了定量計算，并在計算結果基礎上，針對各類型的瀝青路面結構施工對碳排放的影響進行了分析。結果發(fā)現(xiàn)，瀝青路面結構施工不同階段的碳排放量不同，遵循施工設備運行＞瀝青材料使用＞瀝青材料運輸?shù)囊?guī)律；施工設備運行與瀝青材料使用過程的碳排放量均占75%以上。不同類型瀝青路面結構施工中，基層厚度、所選材料與施工階段均對碳排放量有影響。當然，公路建設的碳排放影響分析是一項長期工作，該文目前僅對施工期間的碳排放影響因素進行了初步探討，今后將對公路工程全部時期的碳排放影響因素展開深入研究，為環(huán)境保護工作提供理論依據(jù)。

圖3 瀝青路面結構方案二施工期碳排放占比圖

圖4 瀝青路面結構方案三施工期碳排放占比圖