沥青混凝土路面预防性养护技术碳排放量化分析

沥青混凝土路面预防性养护技术碳排放量化分析

    温室气体造成的全球气候变暖问题已成为国际社会共同关注的焦点，而我国 已成为全球较大的二氧化碳排放国，而且交通行业预测在2020年能耗和碳排放总量可能较2015年增长20％以上。目前，我国道路行业已进入建养并重的阶段，特别在养护技术应用过程中，需要消耗能源并产生大量二氧化碳等温室气体。，2015年末全国公路总里程457.73万km，比上年末增加11.34万km，公路养护里程446.56万km，占公路总里程97.6％，而且未来道路行业的养护工程还将持续增加。在十三五“绿色发展”理念的要求下，研究沥青混凝土路面不同预防性养护技术碳排放，对采取相应节能减排措施具有重要意义。

    目前，生命周期方法（LCA）是国际公认最适用于量化评价环境影响的方法 。 基 于LCA，RosarioVidal等研究了不同RAP掺量下热拌再生技术与温拌再生技术建设期碳排放强度；杨博研究了沥青混凝土路面建设期和使用期的碳排放；王贤卫等研究了一条高速公路各类工程建设期原材料生产阶段、原材料运输阶段及机械施工阶段的碳排放水平；章毅等研究了再生技术、温拌技术以及脱硫石膏水稳碎石等环保技术与材料在应用过程中的碳排放。现有研究多集中于路面建设期碳排放分析，缺乏养护技术应用过程碳排放的整体分析及横向比较，且针对养护技术碳排放的影响因素分析相对单一，多限于宏观比较分析。

    本文主要针对沥青混凝土路面养护技术应用过程碳排放，以铣刨重铺技术、就地热再生技术、厂拌热再生技术、薄层罩面以及微表处等5种当前国内应用广泛的养护技术为研究对象，建立养护工程不同阶段碳排放计算模型，分析不同养护技术碳排放组成分布及关键环节，量化对比不同养护技术碳排放优势特征，并考虑RAP掺量对厂拌热再生技术碳排放效果的影响，为科学选择养护技术提供参考，以提高我国道路养护事业的环保水平。

1 基本假定与流程图

1.1 研究范围

    基于LCA的概念，产品生命周期 涵盖产品生产到消亡的全部过程。由于考虑养护工程整个寿命过程碳排放量难度较大，本文只考虑养护工程施工期间碳排放。本文评定对象与范围为就地热再生、厂拌热再生、微表处及超薄层罩面等4种养护技术建设过程碳排放，与普通铣刨摊铺技术做比较，基于生命周期方法将养护工程碳排放分为材料生产阶段、运输阶段以及机械施工阶段。

1.2 边界条件

    边界条件决定LCA所涵盖的单元计算，决定碳排放量化分析深度。养护工程实施期间采用的大多数产品都有相对复杂的上游过程，为减小研究范围，本文设定边界条件见表１。

表１ 沥青混凝土路面养护技术材料边界条件

1.3 功能单位

    为了方便计算分析，本文功能单位设定为1km车道，路面宽度为3.75ｍ，以1m³·年的碳排放量进行碳排放强度比较。

1.4 计算流程图

    根据分析范围与边界条件，建立养护工程建设期间不同养护技术碳排放计算流程见图１。

图１ 养护工程实施期间碳排放计算流程

2 计算模型及分析清单

    根据本文边界条件及计算流程图，以定额法为主，理论法为辅建立碳排放计算模型。整个养护工程实施期间碳排放量由材料生产阶段、材料运输阶段以及机械施工阶段3部分组成，通过下列公式计算：

    式中：Ｑ表示养护工程实施期总碳排放量；表示第i个阶段，第j个影响类别的碳排放量。各阶段详细计算过程如下。

2.1 材料生产阶段碳排放计算

    材料生产阶段包括原材料以及混合料生产加工，其中原材料生产过程碳排放是指材料在开采加工过程中产生的碳排放，需要综合各原材料用量乘以单位原材料碳排放系数获得：

    式中：为原材料用量；为单位材料碳排放系数。

    普通沥青混合料生产过程包括加热过程和机械作业，其中机械作业过程采用式（５）计算，加热过程采用理论法计算：

    式中：FE为柴油的排放因子，g/L；CV为每升柴油净发热值，MJ/L；P为柴 油燃烧热效率，％；Ｋ为传热效率；ｍ为原材料质量；c为原材料比热容，J/（kg·K）；ΔT为材料由初始温度加热至拌和温度时的温度差。

    养护工程实施期间材料主要包括水泥、沥青、集料以及混合料等，由于采用的计算方法以及材料生产工艺的不同，材料生产阶段的碳排放量有所差异。章毅、潘美萍、龚志起等对不同材料的碳排放系数进行一定的统计研究，基于前人研究以及本文研究对象，综合整理得到不同材料生产阶段碳排放系数。

表2 材料生产阶段碳排放系数

2.2 材料运输阶段碳排放量计算

    材料运输阶段是养护工程建设期间产生碳排放重要环节，主要与运距及工程量有关，包括原材料运输以及混合料运输（再生技术比较时，旧料运输需考虑在内），根据定额法计算：

    式中：为运输车辆数；单位车辆碳排放系数。

    材料运输阶段碳排放与选择的运输方式以及运输距离有很大关系，设定运输过程沥青、集料运输选用10t自卸汽车，混合料运输选用15t自卸汽车作为标准运输方式，根据《公路工程预算定额》和《公路工程机械台班费用定额》以及源碳排放系数，得到沥青运输、集料运输以及混合料运输的碳排放系数分别为159.49kg/台班、175.44kg/台班、215.30kg/台班。

2.3 施工阶段碳排放量计算

    施工阶段的碳排放量主要由施工机械消耗能源产生的碳排放组成，主要包括路面加热、旧料铣刨、混合料摊铺以及碾压等施工工艺。能源消耗主要产生温室气体包括，结合能源的缺省排放因子、净发热值以及温室气 体全球变暖潜值，各能源单位质量温室气体排放系数为：柴油3.171kg/kg，汽油2.996kkg/kg，重油3.247kg/kg，电能0.972kg/（kw·h）。施工阶段碳排放量可以通过机械施工台班数乘以机械台班碳排放系数计算：

    式中：为施工机械台班数；为施工机械碳排放系数；为能源排放数；为单位台班能源消耗量。

    其中就地热再生技术中加热机碳排放采用理论法计算：

    式中：Ｍ为加热路面的总量；ΔT为路面升高温度；p为加热机碳排放系数。

3 不同养护技术碳排放分析

3.1 工程假定

    为了统一计算，假设沥青、集料、混合料运距分别为50km、30km、15km，沥青混凝土面层混合料的密度约为2.4t/m³，旧料的运输路径与混合料的运输路径相反，但运输方式保持一致。根据国内常用的沥青混凝土路面养护技术，建立５个工况。

表3 施工阶段不同设备台班碳排放系数

    （１）铣刨加铺：铣刨（铣刨速度为4m/min）后加铺5cm AC-13沥青混合料，沥青含量4.8％，黏层油（乳化沥青）用量0.046kg/㎡，铣刨机采用维特根2000，沥青洒布机采用4000L以内，预计使用寿命4年。

    （２）超薄磨耗层：加铺2cm SMA-10热拌沥青混合料，黏层油用量0.8kg/㎡，沥青含量为6％，罩面机械为中交西筑ZT600型专用摊铺机，预计使用寿命4年。

    （３）微表处：厚度1cm，采用MS-3级配，矿料用量为18kg/㎡，其他材料用量为沥青∶水泥∶水∶矿料＝8.2∶0.3∶10∶100，黏层油用量0.4kg/㎡，施工机 械为河南高远HGY5311TXJ微表处摊铺车，预计使用寿命4年。

    （４）就地热再生：铣刨原路面4cm，旧料100％利用，新添10％混合料，新料沥青含量为5.1％，再铺筑5cm再生混合料。 再生设备采用鞍山森远SY4500就地热再生机组，预计使用寿命为3年。

    （５）厂拌热再生：铣刨原路面4cm，将回收旧料按照20％比例掺配进行厂拌热再生混合料生产，新料沥青含量为4.8％，再铺筑5cm再生混合料，铣刨铺筑机械同铣刨加铺技术，预计使用寿命4年。

3.2 加铺罩面养护技术碳排放量化分析

    由于路面强度仍符合要求，为改善沥青混凝土路面质量，只需在沥青混凝土路面面层进行加铺罩面，当前国内应用广泛的加铺养护技术为微表处和超薄层罩面技术。根据养护工程实施期间碳排放计算模型以及不同养护技术材料清单，对比分析微表处技术、超薄层罩面技术与普通铣刨重铺技术实施期间碳排放分布情况及碳排放当量大小，如图２～图5所示。

图２ 铣刨重铺技术实施期间碳排放

图３ 超薄层罩面技术实施期间碳排放

图４ 微表处技术建设实施碳排放

图５ 罩面技术与铣刨重铺技术碳排放强度对比

图６ 就地热再生技术实施期间碳排放

图７ 厂拌热再生技术实施期间碳排放

图８ 大中修养护技术与铣刨重铺技术碳排放强度对比

   由图２～图５可知如下。

    （１）３种技术材料生产阶段碳排放比例最高，均超过70％；机械施工阶段比例最低，均低于10％。因此减少材料生产阶段碳排放量对于加铺罩面养护技术来说尤为重要。

    （２）对于材料运输阶段，３种技术原材料运输过程碳排放量均高于混合料运输过程碳排放量。因此原材料运输过程产生的碳排放是影响运输过程碳排放的首要因素。对于微表处技术来说，由于原材料直接运至施工现场在摊铺机中进行拌和，因此为考虑混合料运输阶段碳排放。

    （３）水泥是微表处技术碳排放量的主要来源，占总排放量42％，表明水泥生产过程产生碳排放量高于沥青生产碳排放量，因此减少水泥用量会对养护技术碳排放的减少起到良好效果。

    （４）３种技术碳排放强度：铣刨重铺技术＞超薄层罩面技术＞微表处技术。与铣刨重铺技术相比，超薄层罩面技术与微表处技术减排效果显著，降幅分别为19.8％，26.9％。

3.3 大中修养护技术碳排放定量分析

    由于路面强度不足，混合料质量差等因素导致路面病害严重，需对路面进行大中修养护技术，且对旧沥青混凝土路面材料的再生利用符合国家可持续发展战略要求，当前国内应用广泛的热再生技术为就地热再生和厂拌热再生。根据养护工程实施期间碳排放计算模型以及不同养护技术材料清单，对比分析就地热再生技术、厂拌热再生技术与普通铣刨重铺技术实施期间碳排放分布情况及碳排放当量大小，如图６～图８所示。

    由图2及图６～图８可知如下。

    （１）就地热再生技术材料生产阶段碳排放量最少，机械施工阶段碳排放量最多，而铣刨重铺技术、厂拌热再生技术与其不同阶段碳排放量占比多少相反。这是由于就地热再生技术旧料利用率达100％，新料用量较少，且施工过程中再生机组庞大，耗能比较多，导致产生当量碳排放相对较多。

    （２）材料运输阶段，３种技术原材料运输碳排放均大于混合料运输碳排放，因此控制运输阶段的碳排放应以减少原材料运距为主。

    （３）厂拌热再生技术由于需要对一部分旧料回收利用，虽然RAP掺量为20％时，旧料运输碳排放仅占运输阶段总排放1％，但RAP料的运距及运量达到一定程度时，减排效果将会消失，尚需进一步研究。

    （４）３种技术碳排放强度：铣刨重铺技术＞厂拌热再生技术＞就地热再生技术。与铣刨重铺技术相比，厂拌热再生技术与就地热再生技术具有明显的减排效果，降幅分别为12.6％，37.5％。

3.4 RAP掺量对厂拌热再生碳排放影响分析

    由图9可知：对于厂拌热再生技术来说，不同RAP掺量对其碳排放强度具有明显的作用，碳排放强度随着RAP料掺量比例的增加而下降，且碳排放强度下降 量与RAP掺量增长量成线性相关关系，RAP掺量比例提高10％，碳排放强度下 降0.6kg／（m³·年）。

图９ 不同RAP掺量厂拌热再生碳排放强度

    由于厂拌热再生实际工程中工程量相当庞大，因此提高RAP料利用率对于其减排效果具有相当可观的作用。

4 结语

    基于生命周期分析方法，将养护期沥青混凝土路面养护技术实施阶段划分为材料生产阶段、材料运输阶段以及机械施工阶段，以定额法为主、理论法为辅，建立碳排放计算模型，对比分析了5种常用养护技术应用过程中碳排放强度，量化分析旧料掺量对厂拌热再生碳排放强度的影响程度，得到主要结论如下。

   （１）除就地热再生技术外，其他养护技术材料生产阶段碳排放量最多，达到70％以上；机械施工阶段碳排放量最少，均在10％以下。

    （２）材料运输阶段，所有技术的原材料运输碳排放均大于混合料运输碳排放，因此控制运输阶段的碳排放应以减少原材料运距为主。

    （３）养护期沥青混凝土路面不同养护技术碳排放强度：就地热再生＜微表处＜超薄罩面＜厂拌热再生 ＜ 铣刨重铺。 铣刨重铺技术碳排放强度为27.11kg／（m³·年），与铣刨重铺技术相比，就地热再生、微表处、超薄罩面和厂拌热再生碳排放降幅分别为37.6％、26.9％和19.8％、12.4％。

    （４）对于厂拌热再生技术，RAP掺量对厂拌热再生减排效果作用显著，旧料掺量提高10％，碳排放强度下降0.6kg/（m³·年）。