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1瀝青混凝土路面LCA的基本設定

1．1生命周期評價方法

生命周期評價（LifeCycleAssessment，簡稱LCA）由4部分組成：目標與范圍定義、清單分析、影響評價和結果解釋［8－10］。目標定義是定義評價的環境類型，需要根據評價對象的環境影響特點進行目標選擇。范圍定義，即系統邊界設置，需要在既有研究條件（時間、費用）下，定義適用、合理的研究范圍。清單分析和影響評價是研究的主要內容，清單分析是在目標和邊界確定的基礎上，針對研究對象的過程特點，建立與之相關的環境影響數據清單。影響評價又是在清單數據的基礎上進行與評價目的有關的計算和分析。最后需要對分析結果進行解釋，提供改善環境影響的建議。本文采用LCA方法對瀝青混凝土路面在建設期的能耗與碳排放進行分析計算評價。

1．2研究對象、范圍

本文的研究對象與范圍為建設期的半剛性基層瀝青混凝土路面，不包含路基及路面其他相關輔助設施（如標志標線、護欄、照明設施等）。

1．3過程法、邊界條件及假設

過程法（P－LCA）是對分析范圍內每個與系統相關聯的離散過程中的消耗和排放進行逐一量化，而后累計各個離散過程的數據得到總的環境影響［4］。然而，產品的每一個階段過程都包含復雜的上游過程，如材料運輸階段，除運輸過程以外，還包括運輸設備的生產，運輸設備生產又包括設備制造原料的開采、加工和運輸等。若進行如此深入細致的過程分析勢必費時費力，而這部份計算結果又僅占有極小的比例，分析效率低下，因此，需要把握分析重點，設定合理研究邊界及假設，舍棄細枝末節，提高分析效率。

1．4環境類型和功能單位

瀝青混凝土路面生命周期清單分析的環境影響類型為碳排放（以t當量CO2計）以及能耗（以GJ當量熱計）。功能單位設定為1km車道，車道道面寬度為3．75m。

2分析模型

2．1原材料生產階段

（1）生產階段能耗Ep。瀝青混凝土路面建材包括基本的筑路材料和道路輔助設施建材，如瀝青、水泥、碎石等，建材開采生產階段的總能耗計算模型見式（1）。再利用材料視為原材料，材料再利用過程即為其生產過程，并以使用歸屬為前提進行計算，即當考慮一種再利用材料、工藝或方法的能耗與排放是否計入某項工程時，以該種材料、工藝或方法是否使用于該工程來判定。例如，瀝青混凝土路面再利用包括舊路銑刨、舊料粉碎、篩分、運輸等工藝過程，由于銑刨形成新的工作面用于舊路施工，整個銑刨過程計入施工中，而舊料粉碎、篩分和運輸至堆放地的能耗和排放則視為其舊料的生產能耗及排放，有多少舊料得到再生利用則計入多少能耗與排放，其他工程使用本工程產生的舊料時，應將舊料生產的能耗與排放計入其他工程中。（2）生產階段排放Ipr。原材料生產階段排放的計算方法與其能耗計算方法相似，計算模型見式（2）。Ipr＝∑i（1＋φi）VirMi（2）式中：Vir為開采和生產單位材料時第r種污染物的排放質量；其他符號意義見式（1）。

2．2施工階段

施工階段的能耗和排放由兩個部分組成：一是原材料、廢棄材料的運輸；另一是施工機具設備的運行。（1）運輸能耗Ect和環境排放Ictr。施工過程中的運輸要分為長距離運輸和短距離運輸，長距離運輸包括原材料自產地到現場，以及廢棄材料由現場到處置地的運輸，短距離運輸是材料在施工現場的轉運。本文將長距離運輸歸入施工運輸過程中，短距離運輸歸入施工機具設備分析中。運輸過程考慮運輸方式、運輸距離、燃料類型、運輸質量以及返程運輸。鐵路和水路運輸不考慮返程，公路運輸考慮返程，設定返程運輸的基本流為滿載運輸的70％［1］。廢棄材料運輸一般采用公路運輸，處置場地固定，運輸距離設定為50km。（2）施工機具設備能耗Ece和環境排放Icer。瀝青混凝土路面施工的機具設備包括拌和設備、攤鋪機、壓路機等，施工過程能耗和環境排放的實質是各種機具設備運行能耗與排放的總和。機具運行的能源類型主要有三種：柴油、汽油和電能。計算中將各機具設備按單位工作量換算其能耗強度（MJ／工作量）和排放強度（t／工作量）。如拌和樓的能耗強度單位為MJ／t混合料，壓路機的能耗強度為MJ／m2。

3路面結構、分析清單及計算軟件

3．1瀝青混凝土路面結構

參照我國瀝青混凝土路面設計規范［11，12］以圖1所示的半剛性基層瀝青混凝土路面結構為典型路面結構，分析該路面結構在建設期的能耗及環境碳排放。

3．2分析清單

分析清單即計算所需的各類原材料、施工機具設備的能耗與碳排放強度數據，是通過對過程流的劃分及數據的收集和處理，得到的過程流中組成要素的環境數據。過程流的劃分一般采用過程法，將材料的生產和施工過程逐一分解至可計算的過程流。以瀝青為例：瀝青制煉和生產的流程主要由原油開采、運輸、提煉加工、存儲四個環節組成。根據前述確定的研究范圍，分析瀝青制煉加工的能耗與排放。我國道路瀝青生產用的原油主要來自國內和中東，2010年，我國約開采原油19000萬t，進口原油24000萬t，假定兩類原油用于生產道路瀝青的比例是相等，而國產原油的瀝青收率（即單位質量原油產出瀝青的比率）為25％，進口原油的收率為40％。原油提煉瀝青的生產能耗參考《清潔生產標準－石油煉制業（瀝青）》（HJ443－2008），該標準適用于以石油為原料用連續氧化法（養護瀝青裝置）和溶劑法。其中清潔等級三級為我國瀝青生產能耗的基本水平，取表3中清潔等級三級的平均值代表我國瀝青制煉的平均水平，得瀝青生產的平均能耗為34kg標油／t原油，按能耗將標油換算為標準煤，1kg標油＝1．43kg標準煤，由標準煤的排放換算標油的排放。文獻［13］中采用上述過程法，收集并計算得到我國70余類相關原材料和施工機具設備的能耗與排放清單，為瀝青混凝土路面的LCA評價奠定了數據基礎。3．3計算軟件計算采用由上海市城市建設設計研究總院編制的《瀝青路面建設期能耗與碳排放計算軟件》軟件（軟件著作權號：2013R11L142356）。該軟件由網絡服務器、數據處理后臺和輸入頁面組成，輸入頁面為網頁形式，目前可供局域網用戶進行使用，后臺處理器為EXCEL軟件，結果以EXCEL文件形式輸出，清單數據主要來源于文獻［13］。

4計算結果與分析

4．1典型結構與材料組合的能耗、碳排放分析

將路面結構和材料參數輸入軟件中，各結構層在生產、運輸和施工階段的能耗與碳排放。典型瀝青混凝土路面結構中瀝青混凝土面層由上至下建設能耗占比分別為8．6％、11．2％和15．6％，基層由上至下能耗占比分別為27．9％、23．7％和11．9％，其中水穩碎石上基層能耗占比最大，基層材料能耗與碳排放整體占比約62％，面層材料占比約38％，層間材料能耗占比最小約1．4％，如圖2所示。路面各層在碳排放占比方面與能耗占比分布相似，但基層材料尤其是水穩碎石材料的碳排放占比明顯高于其能耗占比，水穩碎石基層的碳排放占比高達65％，表明以水泥為結合料的半剛性基層材料是瀝青混凝土路面建設期碳排放的主要來源，如圖3所示。各階段能耗與碳排放分布分析，原材料生產階段的能耗與碳排放占建設期能耗與碳排放的比例分別為65．0％和77．0％，施工階段占比分別為27％和18％，運輸階段的能耗與碳排放占比最小，分別為8％和5％，如圖4和圖5所示。說明原材料生產期間的能耗與碳排放是瀝青混凝土路面建設期能耗與碳排放的主要組成部分。而在原材料生產階段能耗與碳排放占比最高的是水泥，能耗占比為57．1％，碳排放占比達到73．4％，而集料和瀝青類結合料在這兩項指標中的占比分別為17．2％、25．7％以及10．5％、16．1％。水泥生產期能耗與碳排放，在瀝青混凝土路面建設期占比分別達到37．1％和56．6％，水泥摻量是影響半剛性基層瀝青混凝土路面能耗與碳排放的關鍵因素。根據路面結構設計壽命，算得路面結構承載標準荷載每百萬軸次作用的能耗為84．9GJ和9．9t碳排放。

4．2不同環保瀝青混凝土路面技術下能耗與碳排放的比較分析

將路面結構層材料的能耗與碳排放換算為1cm厚3．75m寬和1000m長的單位體積下的能耗與碳排放，結果見表6。單位體積下路面材料的能耗隨層位降低而下降，與材料的性能和費用成正比。其中SBS改性瀝青混合料的能耗達到70．7GJ，是各類材料中最高的，其能耗與碳排放高出普通熱拌瀝青混合料約15％，主要是因為SBS改性劑的生產，具有高能耗與高排放的特征以及成品SBS改性瀝青在生產和施工中存在二次加熱。水穩碎石的單位體積能耗低于瀝青混凝土，而6％水泥摻量的水穩碎石單位體積碳排放則高于SBS改性瀝青混凝土，達6．1t，相比4％水泥摻量其能耗與碳排放增加約30％，能耗增加約23．2％，進一步說明水泥摻量是影響水穩碎石能耗與碳排放的主要因素。選擇三類對與減少路面能耗與排放具有明顯效果的材料和技術進行分析，分別是：瀝青混合料溫拌技術、瀝青混合料再生技術以及替代部分水泥的脫硫石膏水穩碎石。分析設定：（1）溫拌技術，集料加熱、瀝青加熱溫度相比熱拌混合料降低30℃［14］；（2）再生技術，以舊料替代集料及部分瀝青，不添加再生劑，舊料總量為30％，分別替代29％的集料及1％的瀝青，舊料往返運距為20km，考慮舊料破碎加工；（3）脫硫石膏水穩碎石，以7％的脫硫石膏替代2％的水泥及5％的細集料，脫硫石膏往返運距為20km。算得上述材料或技術單位體積材料建設期能耗與碳排放，見表6。（1）溫拌技術：瀝青混合料溫拌能耗降低約5．2～5．3GJ，碳排放減少約0．4t，能耗與碳排放降幅分為7．5％～8．6％和6．7％～8％。（2）再生技術：再生混合料能耗降低約5．6GJ，碳排放建設約0．5t，降幅分為9．3％和10％，另計算，當舊料往返運輸量相比集料多133km·t時，能耗優勢消失，當舊料往返運輸量相比集料多160km·t時，碳排放優勢消失，考慮舊料棄置的運輸時，在上述技術基礎上增加舊料運輸距離。（3）溫拌＋再生技術：由表6可見，兩種技術同時使用時形成節能減排的疊加效果。（4）脫硫石膏穩定碎石：能耗降低3．2GJ，降幅約9．6％，碳排放減少1．2t，降幅約25．5％。三種技術中，脫硫石膏水穩碎石的環境友好性最好，尤其是對碳排放的減少起到良好效果。再生技術需考慮舊料運輸的距離，當舊料棄置的運距大于舊料利用的運距可認為舊料利用是有效的。

5研究結果的比較分析

由于各國瀝青混凝土路面的設計方法，路面結構和材料組合有著較大差異，研究人員所選取的路面尺寸差異較大，在比較各國研究結果前，將各文獻得出計算結果以及本文計算結果在同一參考系下進行換算（等路面寬度、無構造坡度）。瑞典、加拿大和美國等的瀝青混凝土路面結構能耗和碳排放范圍分別為840～1170GJ及63．9～109．5t，大約為我國能耗與碳排放的1／2～2／3，主要原因在于：（1）國外瀝青混凝土路面材料中不添加水泥結合料，國外多采用無結合料柔性基層瀝青混凝土路面，相比我國路面在材料組成上減少了水泥的使用；（2）電能相對潔凈，國外的電能中用煤比例較低，以瑞典為例，其60％以上的電能來源于風、水、核等，而我國這一比例不到20％，在同樣電耗情況下，我國的上游碳排放為國外的2倍以上；（3）統計口徑的差別，統計分析的范圍差別影響最終分析結果，6結語本文將瀝青混凝土路面建設期劃分為原材料生產、原材料運輸及施工三個階段組成，建立了環境計算模型，并利用編制的計算軟件，詳細分析計算了我國典型的半鋼基層瀝青混凝土路面的能耗與碳排放組成，并量化對比分析了三種節能減排技術和材料，得到的主要結論如下。（1）原材料生產、原材料運輸及施工三個階段的能耗占比為65％、8％和21％，碳排放占比為77％、5％和18％。（2）水泥為結合料的半剛性基層材料是瀝青混凝土路面建設期碳排放的主要來源，基層材料能耗與碳排放整體占比約62％，面層材料占比約38％。（3）水泥摻量是影響半剛性基層瀝青混凝土路面能耗與碳排放的重要因素。（4）計算得到各路面材料單位體積的建設期能耗與碳排放。（5）路面結構承載標準荷載每百萬軸次作用的能耗為84．9GJ和9．9t碳排放。（6）溫拌技術對能耗與碳排放降幅分為7．5％～8．6％和6．7％～8％，再生技術能耗與碳排放降幅分為9．3％和10％，兩種技術同時使用時其節能減排效應可以疊加。（7）使用脫硫石膏穩定碎石，其能耗降低3．2GJ，降幅約9．6％，碳排放減少1．2t，減幅約25．5％，大幅減少水泥用量使得脫硫石膏水穩碎石的環境友好性最好，尤其是對碳排放的減少起到良好效果。關于研究結論的討論。（1）瀝青混凝土路面的能耗與碳排放計算結果受路面結構、幾何尺寸和材料組成的影響較大，單一分析某種固定參數的路面結構必然帶來計算結果應用的不便，因此本文給出了單位體積材料的計算結果，以便于研究人員的估算應用。（2）廢舊材料再利用的環境效能受舊料運輸距離的影響，過長距離的運輸抵消了大部分的節能減排效應，因此廢舊料利用應因地制宜，注重綜合環保效率。（3）相比國外的瀝青混凝土路面，我國瀝青混凝土路面材料中包含大量的水泥原材料，致使我國瀝青混凝土路面的環保性能大大低于國外水平，在滿足性能要求的基礎上，研究并推廣應用無結合料粒料基層瀝青混凝土路面對于降低我國瀝青混凝土路面的能耗與碳排放有著重要意義。

作者：章毅劉偉杰單位：上海市城市建設設計研究總院同濟大學交通運輸工程學院