? 就地?zé)嵩偕鸀r青路面建設(shè)期碳排放分析柴明明1,李 明2,齊桂才3,王 騰1 (1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400074;2.江西贛粵高速公路股份有限公司九景高速公路管理處,江西 九江 332000;3.上饒市公路管理局婺源分局,江西 上饒 333200) 摘要:為分析就地?zé)嵩偕鸀r青路面建設(shè)期產(chǎn)生的碳排放,采用生命周期分析方法,將建設(shè)期劃分為材料生產(chǎn)和路面施工兩個(gè)階段,根據(jù)碳排放系數(shù)與活動(dòng)數(shù)據(jù)相乘原理建立碳排放模型。結(jié)合工程實(shí)例計(jì)算路面建設(shè)期的碳排放,量化不同新料摻比、舊料運(yùn)距及利用率下的碳排放,對(duì)比分析4種路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)的碳排放強(qiáng)度。結(jié)果表明:材料生產(chǎn)和路面施工階段碳排放占比20%和80%;就地?zé)嵩偕铝蠐奖忍岣?%,碳排放增加2%;舊料利用率100%的廠拌熱再生與就地?zé)嵩偕寂欧畔嗟葧r(shí)的舊料運(yùn)距為42km,只有舊料運(yùn)距高于42 km時(shí),就地?zé)嵩偕寂欧挪疟葟S拌熱再生少,當(dāng)舊料利用率低于75%時(shí),無(wú)論舊料運(yùn)距長(zhǎng)短,就地?zé)嵩偕寂欧哦急葟S拌熱再生少;與就地?zé)嵩偕啾龋⒈硖?、超薄罩面和銑刨重鋪碳排放?qiáng)度增幅分別為53%,72%和79%。 關(guān)鍵詞:環(huán)境工程;碳排放;生命周期分析;就地?zé)嵩偕鸀r青路面 0 引言目前,全球性能源緊張及氣候變化已成為社會(huì)普遍關(guān)注的重大問(wèn)題,節(jié)能減排已成為國(guó)際社會(huì)的共同責(zé)任。我國(guó)“十二五”期間道路建設(shè)瀝青混合料的年需求量超過(guò)1億t,CO2年排放量達(dá)到450萬(wàn)t[1],隨著道路大范圍的進(jìn)入維修期,傳統(tǒng)的銑刨重鋪方法會(huì)造成大量材料廢棄、環(huán)境污染、碳排放量急劇增加。2020年全國(guó)公路路面舊料循環(huán)利用率要達(dá)到90%以上[2],近年來(lái)新興路面維修養(yǎng)護(hù)工藝如就地?zé)嵩偕夹g(shù)可100%回收利用原瀝青路面舊料,此技術(shù)可在提高資源利用率的同時(shí)減少碳排放。 國(guó)內(nèi)外主要采用生命周期分析方法(LCA)開(kāi)展道路碳排放的量化分析研究,基于LCA和 Darrell Cass[3]等研究了一條州際干線公路大修工程中材料生產(chǎn)、運(yùn)輸和機(jī)械施工的能耗及環(huán)境影響;Qazi Aurangzeb[4]等分析了舊瀝青混合料含量對(duì)環(huán)境的影響,包括能量消耗和溫室氣體的排放;尚春靜[5]等研究了高速公路水泥混凝土路面在建筑材料生產(chǎn)、建造、養(yǎng)護(hù)和拆除廢棄4個(gè)階段能耗和排放;王賢衛(wèi)[6]等研究了高速公路建設(shè)過(guò)程中路基、路面、橋涵和隧道工程在材料生產(chǎn)、材料運(yùn)輸和機(jī)械施工3個(gè)階段的CO2排放。這些研究主要集中在新建道路的碳排放,針對(duì)就地?zé)嵩偕鸀r青路面建設(shè)期的碳排放并無(wú)具體研究。 本文采用生命周期分析方法,采取碳排放系數(shù)與活動(dòng)數(shù)據(jù)相乘原理,建立就地?zé)嵩偕鸀r青路面建設(shè)期碳排放計(jì)算模型,結(jié)合工程實(shí)例計(jì)算路面建設(shè)期碳排放,量化不同新料摻比、不同舊料運(yùn)距及利用率下的碳排放,對(duì)比分析4種常用高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)的碳排放。 1 就地?zé)嵩偕ㄔO(shè)期碳排放計(jì)算模型基于生命周期分析法,就地?zé)嵩偕鸀r青路面的建設(shè)期界定為材料生產(chǎn)和路面施工兩階段,見(jiàn)圖1,建設(shè)期碳排放的計(jì)算模型包括兩階段的碳排放總和。 ![]() (1) ![]() (2) ![]() (3) 式中,P,Pcl,Psg分別為就地?zé)嵩偕鸀r青路面建設(shè)期、材料生產(chǎn)階段、路面施工階段碳排放量;mi為原材料的使用量;si為原材料的碳排放系數(shù);i為各種原材料;n為原材料種類數(shù);mj為加熱路面的總量;ΔT為路面升高的溫度;p為加熱機(jī)碳排放系數(shù);xj,ms為施工機(jī)械活動(dòng)數(shù)據(jù);vj,fs為施工機(jī)械碳排放系數(shù);j,s為各路面施工機(jī)械;t,u為施工機(jī)械種類數(shù)。 ![]() 圖1 就地?zé)嵩偕鸀r青路面建設(shè)過(guò)程劃分 2 工程實(shí)例結(jié)合某高速公路就地?zé)嵩偕鸀r青路面試驗(yàn)路工程,通過(guò)分析碳排放系數(shù)和活動(dòng)數(shù)據(jù),計(jì)算路面建設(shè)期的碳排放。 2.1 碳排放系數(shù) 通過(guò)各能源缺省排放因子[7]和凈發(fā)熱值[8],考慮目前我國(guó)的發(fā)電情況[9],結(jié)合CO2,CH4,N2O的全球變暖潛值,得到以CO2為計(jì)算代表的能源的碳排放系數(shù):柴油3.171 kg/kg,汽油2.996 kg/kg,重油3.247 kg/kg,電能0.785 kg/(kW·h)。 查閱相關(guān)文獻(xiàn)[10-15]得到建設(shè)期各過(guò)程的能源消耗量,結(jié)合能源的碳排放系數(shù),計(jì)算得到各過(guò)程碳排放系數(shù)見(jiàn)表1。 2.2 活動(dòng)數(shù)據(jù) 就地?zé)嵩偕鸀r青路面試驗(yàn)路工程完成路面實(shí)體1 210.64 m3,再生后路面密度2.475 t/m3,新料摻比10%,新料瀝青含量5.1%,瀝青、集料、混合料運(yùn)距分別為70,27,45 km。再生設(shè)備為鞍山森遠(yuǎn)集團(tuán)的SY4500再生機(jī)組(3臺(tái)加熱機(jī)、1臺(tái)銑刨機(jī)和1臺(tái)復(fù)拌機(jī)),攤鋪機(jī)使用的是4.5 m以內(nèi)的攤鋪機(jī),光輪壓路機(jī)和振動(dòng)壓路機(jī)使用的是15 t以內(nèi)、輪胎壓路機(jī)為16~20 t。 表1 就地?zé)嵩偕ㄔO(shè)期各過(guò)程碳排放系數(shù) ![]() 階段過(guò)程碳排放系數(shù)材料生產(chǎn)階段SBS改性瀝青生產(chǎn)315.77kg/t 集料生產(chǎn)2.36kg/t瀝青運(yùn)輸(10t以內(nèi))159.49kg/臺(tái)班集料運(yùn)輸(10t以內(nèi))175.44kg/臺(tái)班混合料拌和(60t/h)6864.15kg/臺(tái)班混合料運(yùn)輸(15t以內(nèi))215.30kg/臺(tái)班路面施工階段加熱機(jī)銑刨機(jī)復(fù)拌機(jī)攤鋪機(jī)(4.5m以內(nèi))光輪壓路機(jī)(15t以內(nèi))振動(dòng)壓路機(jī)(15t以內(nèi))輪胎壓路機(jī)(16~20t) 0.0925kg/(t·℃)2.58kg/t2.11kg/t133.38kg/臺(tái)班256.62kg/臺(tái)班256.62kg/臺(tái)班134.12kg/臺(tái)班 3 工程實(shí)例碳排放分析3.1 就地?zé)嵩偕鸀r青路面建設(shè)期碳排放分析 由圖2可知,就地?zé)嵩偕鸀r青路面試驗(yàn)路工程材料生產(chǎn)和路面施工階段產(chǎn)生碳排放占建設(shè)期總排放的20%和80%,路面施工階段是就地?zé)嵩偕鸀r青路面建設(shè)期碳排放的主要組成部分。材料生產(chǎn)階段的碳排放主要集中在原材料的生產(chǎn)和混合料的拌和,碳排放占比39%和41%;路面施工階段的碳排放主要來(lái)源于就地?zé)嵩偕O(shè)備(加熱機(jī)、銑刨機(jī)、復(fù)拌機(jī)),碳排放占比90%,其中加熱機(jī)產(chǎn)生碳排放占比66%。從碳排放角度來(lái)看,需選用高效節(jié)能的就地?zé)嵩偕鷻C(jī)組。 ![]() 圖2 就地?zé)嵩偕鸀r青路面建設(shè)期碳排放 3.2 不同新料摻比下碳排放分析 就地?zé)嵩偕夹g(shù)可以實(shí)現(xiàn)舊料的100%利用,但新料的摻量卻根據(jù)工程而定,不同新料摻比下1 000 m3路面實(shí)體產(chǎn)生的碳排放見(jiàn)圖3,可知新料摻比為15%,10%,5%時(shí)碳排放分別為63 153,56 601,50 688 kg,碳排放增長(zhǎng)率與新料摻比呈線性正相關(guān),新料摻比提高1%,碳排放增加2%。 ![]() 圖3 就地?zé)嵩偕鸀r青路面不同新料摻比下的碳排放 3.3 不同舊料運(yùn)距及利用率下的碳排放分析 廠拌熱再生碳排放隨舊料運(yùn)距增大而逐漸增加,就地?zé)嵩偕窃诂F(xiàn)場(chǎng)100%利用舊料,碳排放保持不變。1 t舊料不同運(yùn)距及利用率下產(chǎn)生的碳排放見(jiàn)圖4,就地?zé)嵩偕a(chǎn)生碳排放20 kg。 ![]() 圖4 舊料不同運(yùn)距及利用率下的碳排放 (1)舊料利用率100%的廠拌熱再生在舊料運(yùn)距為0時(shí)產(chǎn)生碳排放10 kg,當(dāng)運(yùn)距為42 km時(shí),廠拌和就地?zé)嵩偕a(chǎn)生碳排放相等。從碳排放環(huán)保角度出發(fā),只有當(dāng)運(yùn)距大于42 km時(shí),就地?zé)嵩偕庞袃?yōu)勢(shì)。 (2)舊料運(yùn)距為0時(shí),舊料利用率為70%,80%,90%的廠拌熱再生產(chǎn)生碳排放為22,18,14 kg,碳排放增長(zhǎng)量與舊料利用率呈線性負(fù)相關(guān),利用率減少10%,碳排放增加4 kg,采用內(nèi)插法,得到舊料利用率為75%的廠拌熱再生產(chǎn)生碳排放為20 kg,和就地?zé)嵩偕a(chǎn)生碳排放相等。故舊料利用率低于75%時(shí),無(wú)論運(yùn)距長(zhǎng)短,就地?zé)嵩偕葟S拌熱再生更具有減排優(yōu)勢(shì)。 3.4 不同養(yǎng)護(hù)技術(shù)碳排放對(duì)比分析 選取3種常用高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)行碳排放對(duì)比分析,分別是銑刨重鋪技術(shù)、超薄罩面技術(shù)和微表處技術(shù),分析設(shè)定: (1)銑刨重鋪技術(shù),工程量1 210.64 m3,新料2 996.33 t,瀝青含量4.8%,粘層油用量0.464 kg/m3,運(yùn)距115 km。銑刨機(jī)采用維特根2 000,舊料運(yùn)距11 km,預(yù)計(jì)使用壽命4 a。 (2)超薄罩面技術(shù),采用NovaChip?Type-B級(jí)配,工程量605.32 m3,新料1 498.17 t,瀝青含量5.0%,粘層油用量0.8 kg/m2。罩面機(jī)械為中交西筑ZT600型專用攤鋪機(jī),預(yù)計(jì)使用壽命4 a。 (3)微表處技術(shù),采用MS-3級(jí)配,工程量272.39 m3,礦料用量18 kg/m2,其他材料用量為瀝青:填料(水泥)∶水∶礦料=7.2∶1.5∶10∶100,施工機(jī)械為河南高遠(yuǎn)HGY5311TXJ微表處攤鋪車,預(yù)計(jì)使用壽命3 a。 就地?zé)嵩偕访娴念A(yù)計(jì)使用壽命為3 a,4種常用高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)的碳排放強(qiáng)度見(jiàn)圖5,就地?zé)嵩偕奶寂欧艔?qiáng)度為19 kg/(m3·a),為4種技術(shù)最少,其次是微表處、超薄罩面,產(chǎn)生碳排放最多的是銑刨重鋪。微表處、超薄罩面和銑刨重鋪技術(shù)碳排放強(qiáng)度增幅分別為53%,72%和79%。 ![]() 圖5 4種養(yǎng)護(hù)技術(shù)碳排放強(qiáng)度 銑刨重鋪、超薄罩面和微表處建設(shè)期的碳排放主要來(lái)源于材料生產(chǎn)階段,與就地?zé)嵩偕喾?,主要原因是就地?zé)嵩偕俜职倮寐访媾f料,減少了原材料的生產(chǎn)和運(yùn)輸。 4 結(jié)論本文就地?zé)嵩偕鸀r青路面建設(shè)期劃分為材料生產(chǎn)和路面施工兩個(gè)階段,采用LCA方法,建立了碳排放計(jì)算模型,結(jié)合工程實(shí)例計(jì)算了建設(shè)期的碳排放,主要結(jié)論如下: (1)案例計(jì)算結(jié)果顯示,材料生產(chǎn)和路面施工階段產(chǎn)生的碳排放分別占建設(shè)期總碳排放的20%和80%,路面施工階段的碳排放主要來(lái)源于就地?zé)嵩偕O(shè)備尤其是加熱機(jī),材料生產(chǎn)階段的碳排放主要來(lái)自原材料的生產(chǎn)和混合料的拌和。 (2)就地?zé)嵩偕夹g(shù)碳排放增長(zhǎng)率與新料摻比呈線性正相關(guān),新料摻比每提高1%,碳排放增加2%。 (3)就地?zé)嵩偕夹g(shù)利用1 t舊料產(chǎn)生碳排放20 kg。舊料100%利用的廠拌熱再生與就地?zé)嵩偕寂欧畔嗟葧r(shí)的舊料臨界運(yùn)距為42 km,當(dāng)舊料運(yùn)距高于42 km時(shí),就地?zé)嵩偕葟S拌熱再生才有優(yōu)勢(shì)。隨著舊料利用率減少,臨界運(yùn)距隨著縮短,舊料75%利用的廠拌熱再生臨界運(yùn)距減少為0 km,無(wú)論運(yùn)距長(zhǎng)短,就地?zé)嵩偕葟S拌熱再生有優(yōu)勢(shì)。 (4)路面建設(shè)期碳排放強(qiáng)度:就地?zé)嵩偕?><><銑刨重鋪。就地?zé)嵩偕寂欧艔?qiáng)度為19>銑刨重鋪。就地?zé)嵩偕寂欧艔?qiáng)度為19>kg/(m3·a),微表處、超薄罩面和銑刨重鋪技術(shù)碳排放增幅分別為53%,72%和79%。 參考文獻(xiàn): [1] 吳軍偉. 道路工程碳排放量計(jì)算與分析模型的發(fā)展與應(yīng)用[J]. 城市道橋與防洪,2011(7):248-250,274,20. WU Jun-wei. Development and Applications of Carbon Emissions Calculation and Analysis Models in Road Engineering [J]. Urban Roads Bridges & Floods Control,2011(7):248-250,274,20. [2] 交通運(yùn)輸部. 關(guān)于加快推進(jìn)公路路面材料循環(huán)利用工作的指導(dǎo)意見(jiàn)[EB/OL]. [2012-09-27]. http://www.mot.gov.cn/sj/gonglj/gongluyh_glj/201408/t20140813 _1668887.html.Ministry of Transport. Work Guidance on Accelerating Utilization of Recycling Road Pavement Material[EB/OL]. [2012-09-27]. http://www.mot.gov.cn/sj/gonglj/gongluyh_glj / 201408/t20140813_1668887.html. [3] ZAPATA P,GAMBATESE J A. Energy Consumption of Asphalt and Reinforced Concrete Pavement Materials and Construction[J]. Journal of Infrastructure Systems,2005,11(1):9-20. [4] AURANGZEB Q,AL-QADI I L,OZER H,et al. Hybrid Life Cycle Assessment for Asphalt Mixtures with High RAP Content. Resources[J]. Resources Conservation & Recycling,2014,83(1):77-86. [5] 尚春靜,張智慧,李小冬. 高速公路生命周期能耗和大氣排放研究[J]. 公路交通科技,2010,27(8) :149-154. SHANG Chun-jing,ZHANG Zhi-hui,LI Xiao-dong. Research on Energy Consumption and Emission of Life Cycle of Expressway[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development,2010, 27(8):149-154. [6] 王賢衛(wèi),吳靈生,楊東援. 高速公路建設(shè)CO2排放計(jì)算分析[J]. 公路交通科技,2014,31(2):150-158.WANG Xian-wei,WU ling-sheng,YANG dong-yuan. Calculation and Analysis of CO2 Emission from Expressway Construction[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development,2014,31 (2):150-158. [7] IPCC National Greenhouse Gas Listing Task Force. IPCC2006,IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories[M]. Kanagawa, Japan:Institute for Global Environmental Strategies,2006. [8] GB-T2589—2008, 綜合能耗計(jì)算通則 [S]. GB-T2589—2008, General Principles for Calculation of Total Production Energy Consumption [S]. [9] 交通運(yùn)輸部.節(jié)能減排量或投資額核算技術(shù)細(xì)則(第二部分)[EB/OL]. [2014-04-04]. http://jnzx.mot.gov.cn/gongaotongzhi/201404/t20140404_1601780.html. Ministry of Transport. Energy-saving and Emission-reduction or Investment Accounting Rules (Part II)[EB/OL]. [2014-04-04].http://jnzx.mot.gov.cn/gongaotongzhi/201404/t20140404_1601780.html. [10]HJ443—2008,清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)-石油煉制業(yè)(瀝青)[S]. HJ443—2008,Cleaner Production Standard—Petroleum Refinery Industry(Bitumen) [S]. [11]章毅. 瀝青路面生命周期能耗與環(huán)境排放評(píng)價(jià)技術(shù)研究 [R]. 上海:同濟(jì)大學(xué),2014. ZHANG Yi. Research on Assessment Technology of Asphalt Pavement Life Cycle Energy Consumption and Environmental Emissions [R]. Shanghai:Tongji University,2014. [12]STRIPPLE H. Life Cycle Inventory of Asphalt Pavements[M]. Gothenburg: IVL Swedish Environmental Research Institute Ltd.,2001. [13]JTG/T B06-02—2007,公路工程預(yù)算定額[S]. JTG/T B06-02—2007,Highway Engineering Budget Quota[S]. [14]JTG/T B06-03—2007,公路工程機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額[S]. JTG/T B06-02—2007,Highway Engineering Machine-team Budget Quota[S]. [15]任淑晶,齊廣田. SY4500型瀝青路面就地?zé)嵩偕劁仚C(jī)組[J]. 工程機(jī)械,2009,40(6):18-19. REN Shu-jing,QI Guang-tian. Model SY4500 Hot-in-place Reclamation and Repaving Machine Train for Asphalt Pavements[J]. Construction Machinery and Equipment,2009,40(6):18-19. Analysis of Carbon Emission during Hot In-place Recycling Asphalt Pavement ConstructionCHAI Ming-ming1,LI Ming2,QI Gui-cai3,WANG Teng1 (1. School of Civil Engineering,Chongqing Jiaotomg University,Chongqing 400074,China;2. Jiujiang Expressway Administration of Jiangxi Ganyue Expressway Co.,Ltd.,Jiujiang Jiangxi 332000,China;3. Wuyuan Branch of Shangrao Highway Administration,Shangrao Jiangxi,333200,China) Abstract:To analyse the carbon emission of hot in-place recycling asphalt pavement during construction period, the construction period is divided into material production and pavement construction by using the life cycle analysis method, and the carbon emission model is established according to the multiplication principle of carbon emission coefficient and activity data. Combining the engineering example, the carbon emission of pavement construction is calculated, the carbon emission with different new material ratios, different recycled material haul distances and utilization rates of recycling asphalt mixture are quantified, and the carbon emission of 4 pavement maintenance technologies are compared. The result shows that (1) carbon emission of material production and pavement construction account for 20% and 80% respectively; (2) carbon emission increases by 2% with the increases of hot in-place recycling new material ratio by 1%; (3) when hot mix plant recycling with 100% utilization rate of recycled asphalt mixture produces the equal carbon emission with hot in-place recycling, recycled asphalt mixture haul distance is 42 km, only when the haul distance is over 42 km, the carbon emission of hot in-place recycling is less than that of hot mix plant recycling, when the utilization rate of recycled asphalt mixture is lower than 75%, the carbon emission of hot in-place recycling is always less than that of hot mix plant recycling no matter how long the haul distance is; (4) compared with hot in-place recycling, the increase amplitudes of carbon emission about micro surfacing, ultra-thin overlay and mill and resurface asphalt pavement is 53%,72% and 79% respectively. Key words:environment engineering; carbon emission; life cycle analysis; hot in-place recycling asphalt pavement References: 收稿日期:2016-05-24 基金項(xiàng)目:重慶市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科技項(xiàng)目(cstc2015jcs30001); 江西省交通科技項(xiàng)目(2015B0050);重慶市交通委員會(huì)科技項(xiàng)目(2015JDH-0174);重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CYB14089) 作者簡(jiǎn)介:柴明明(1993-),女,河北衡水人,碩士研究生.(CMMTGMH@163.com) doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.10.023 中圖分類號(hào):X734 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1002-0268(2016)10-0148-05 |
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