基于碳排放計算模型的某公路項目建設期碳排放源分析

成 昊,申鐵軍

（1. 山西路橋第六工程有限公司,山西 晉中 030600; 2.山西路橋建設集團有限公司,山西 太原 030006）

0 引言

目前，國內外針對路面建設期碳排放的分析多采用生命周期評價方法（Life Cycle Assessment，LCA）[1]。章毅等[2]基于LCA 理論，將半剛性瀝青路面建設期劃分為原材料生產階段和運輸階段，進而分析建設期的能耗與碳排放。潘美萍[3]分析比較了瀝青路面、半剛性基層在現場施工、材料生產中的碳排放情況，提出目前對于半剛性瀝青路面建設期的碳排放源識別研究較少，該文正是基于LCA 理論對此進行深入研究。

1 碳排放計算模型分析

1.1 碳排放的生命周期理論簡述

生命周期理論（簡稱LCA）是分析評價產品或工藝從獲取材料、生產、處理、循環及最終處置的潛在的環境影響和環境因素，能為各種材料、機械設備的使用提供準備環境影響評估結果。該文主要指相對碳排放管理的加速度上，速度由慢變快主要取決認同者的多少，認同者越多則速度越快且加速度越快，碳排放呈幾何級數的變化。山西省

霍州至黎城高速公路瀝青半剛性路面建設期的碳排放見圖1。

圖1 管理周期理論背景下的瀝青半剛性路面建設期的碳排放

1.2 碳排放計算模型分析

（1）建設期碳排放計算模型的計算公式如下：

式中，C——建設期半剛性瀝青路面的碳排放總量（kgCO2）；Cr——原材料的碳排放量（集中生產階段）（kgCO2）；Cm——碳的排放量（場外加工階段）（kgCO2）；Ct——碳的排放量（場外運輸階段）（kgCO2）；Cp——碳的排放量（現場施工階段）（kgCO2）。

（2）原材料碳排放量（集中生產階段）Cr的計算公式如下：

式中，Uri——第i種材料用量（原材料生產階段）（t或m3）；Fri——第i種材料因子（碳排放）（kgCO2/m3或kgCO2/t）。

（3）碳排放量（場外加工階段）Cm的計算公式如下：

式中：Emj——能耗量（第j種機械）（kg 或kW·h）；Fmj——碳排放因子（第j種機械能耗）（kgCO2/kg 或kgCO2/kW·h）。

式中，Emj——能耗量（第j種機械）（kg 或kW·h）；Nmj——臺班（使用第j種機械的臺班數量）（臺班）；Wmj——臺班能耗量（第j種機械單位）（kg/臺班或kW·h/臺班）。

（4）碳排放量（路面施工階段）Cp計算公式如下：

式中，Epj——能耗量（第j種機械）（kg 或kW·h）；Fpj——碳排放因子（第j種機械能耗）（kgCO2/kg 或kg CO2/kW·h）。

式中，Npj——臺班（第j種機械的臺班數量）（臺班）；Wpj——臺班能耗量（第j種機械單位）（kg/臺班或kW·h/臺班）。

（5）碳排放（運輸階段）具體的計算公式如下：

式中，Ctr——碳排放量（材料運輸階段）（kgCO2）；Ctm——碳排放量（混合料運輸階段）（kgCO2）。

式中，Ai——運輸量（運輸階段第i種材料）（t）；Li——碳排放因子（運輸第i種材料），[kgCO2/（t·km）]；Yi——運輸距離（運輸第i種材料）（km）。

式中，Etmq——能耗量（第q種運輸裝備混合料運輸階段）（kW·h 或t）；Ftmq——碳排放因子（第q種運輸裝備能耗混合料運輸階段）（kg CO2/kW·h 或kgCO2/kg）。

式中，Ntmq——臺班（第q種運輸裝備臺班數量）（臺班）；Wtmq——臺班能耗量（運輸階段的第q種運輸的裝備）（kW·h/臺班或kg/臺班）。

2 項目建設期碳排放的分析

山西省霍州至黎城高速公路路面工程合同工期按照兩個階段安排：

第一階段：K0+000~K128+120，交工日期為2023 年9 月30 日；

第二階段：K128+120~K153+142.888，交工日期為2024 年10 月31 日。路面結構類型及主要工程量見表1~2。

表1 路面結構類型設計表

表2 路面主要工程數量表

（1）主線特重交通方向（霍州至黎城段）路面結構組成：4 cm（ARAC-13）+6 cm（AC-20C）+12 cm（ATB-30）+基層40 cm 水泥碎石+底基層20 cm 水泥碎石。

（2）主線重交通方向（黎城至霍州段）路面、互通路面結構組成：4 cm（ARAC-13）+6 cm（AC-20C）+6 cm（AC-20C）+基層38 cm 水泥碎石+底基層20 cm水泥碎石。

（3）收費站路面結構組成：28 cm 水泥面板+30 cm基層水泥碎石+20 cm 底基層水泥碎石。

（4）中短隧道和兩座結構物（橋梁或隧道）之間小于100 m 的路基段落，采用4 cm（ARAC-13）+6 cm（AC-20）+28 cm水泥混凝土+15 cm貧混凝土復合路面。

（5）長隧道（長度大于2 km）采用露石混凝土路面（此工程量在路基單位清單數量中），隧道進出口300 m 采用4 cm（ARAC-13）+6 cm（AC-20C）路面結構層。

2.1 瀝青半剛性路面建設期總碳排放量的分析

依據1.2 中的碳排放計算模型，得出山西省霍州至黎城高速公路某合同段的碳排放結果。路面建設期的碳排放最高的是原材料生產階段，其碳排放量6 060.37 t占46.30%；其次是運輸階段的碳排放5 028.82 t 占38.42%；再次是混合料生產階段的碳排放1 745.23 t 占13.33%；碳排放最小的是施工階段的254.05 t 僅總碳排放量的1.94%。

2.2 關鍵階段碳排放源分析

原材料生產階段、混合料生產階段和路面施工階段為關鍵階段，分析如下：

2.2.1 原材料生產階段

從路面建設期的材料消耗量、碳排放量的分析可以看出，僅占路面建設總消耗量2.81%的生石灰其生產過程的碳排放量卻占了總碳排放量的48.71%；水泥僅占路面建設總消耗量2.52%，碎石在路面建設消耗量卻高達78.92%，但是在總碳排放量中生產水泥過程的碳排放量卻占了36.94%，而碎石的碳排放僅占3.41%。同理，改性瀝青、石油瀝青、礦粉、乳化瀝青、砂、石屑、煤分別占路面建設總消耗量5.19%、2.79%、2.19%、0.30%、0.27%、0.18%、0.02%，其生產過程的碳排放量占了總碳排放量的0.81%、0.74%、1.20%、0.06%、4.90%、8.10%、0.01%。可見，少量消耗的材料卻貢獻了大部分的碳排放量。

2.2.2 混合料生產階段

混合料生產階段生產過程瀝青混合料的生產不僅消耗了電能而且消耗大量的重油用于集料的加熱，其碳排放1 637.19 t 占比高達93.81%，水泥穩定碎石生產的碳排放82.40 t 占比高達4.72%，石灰土生產的碳排放25.64 t 占比高達1.47%，由以上分析可知在混合料生產階段如使用清潔能源替代傳統高的碳排放的燃料。

2.2.3 現場施工階段

現場施工階段主要機械設備的工作時間、碳排放量經過分析，工作時間最長的壓路機，其工作時間占比為74.82%而碳排放占比為59.13%，是現場施工階段最主要的碳排放源；其次是穩定土攤鋪機，其工作時間占比為5.66%而碳排放占比為16.39%；灑水汽車的工作時間占比為10.52%而碳排放占比為15.76%；瀝青混合料攤鋪機的工作時間占比為6.7%而碳排放占比為2.32%；平地機的工作時間占比為5.32%而碳排放占比為3.05%；同步碎石封層車的工作時間占比為1.28%而碳排放占比為0.46%；碳排放量最小的是瀝青灑布車，其工作時間占比為0.98%而碳排放占比為0.66%。由以上分析可知壓路機是施工設備中碳排放量最大的機械。

3 山西省霍州至黎城高速公路影響建設期總碳排放量的因素

如何合理劃分路面施工段落、根據總體進度要求組織施工和統籌考慮設備調遣是影響建設期總碳排放量的因素。

（1）由于地方政策和環保管控要求限制，項目區域內主要地方材料加工廠較少且產量不足，經調查部分原材料需要遠距離調運，結合碎石料源布局和運距對施工原材料的合理組織和策劃，以及碎石材料的儲備和調配調運是該項目的一項重點工作。

（2）項目路面上面層設計為4 cm 細粒式膠粉復合瀝青（ARAC-13）混凝土，對于冬季日照時間較短（陰坡）路段及部分水環境敏感的路段需添加相變材料或低冰點填料。該項技術無成熟經驗可借鑒，需要在施工過程中不斷探索和總結經驗。

4 結論

綜上，該文依托工程實例，在建立瀝青半剛性路面的碳排放計算模型的基礎上，分析了瀝青半剛性路面建設過程中原材料的生產階段、混合料的生產階段、現場施工階段的碳排放量，根據路面設計圖紙，在瀝青上面層設計中采用膠粉復合改性瀝青混凝土、在縱坡較大的陰坡路段左幅采用添加低冰點填料、右幅添加相變材料的瀝青上面層，以達到冬季路面自融雪目的；在鋼箱梁橋面混凝土中采用高韌性環氧瀝青混凝土設計；對路緣石采用人造大理石進行安裝。多種新工藝和新型材料的應用，體現了山西省霍州至黎城高速公路路面工程的智能、綠色、環保的施工特點，同時也增加了路面試驗的工作量和控制難度。該文分析得出以下結論：

（1）施工現場的碳排放主要來自混合料生產加工階段產生了大量的碳排放，因此可以通過用電優化來減少碳排放量。

（2）原材料生產階段在路面建設期的碳排放最高，其碳排放量6 060.37 t 占46.30%；其次是運輸階段的碳排放5 028.82 t 占38.42%；再次是混合料生產階段的碳排放1 745.23 t 占13.33%；碳排放最小的是施工階段的254.05 t 僅總碳排放量的1.94%。