公路工程應(yīng)用工業(yè)固廢碳減排效果研究

摘要：在公路建設(shè)中綜合利用大宗工業(yè)固廢可減少資源消耗和降低碳排放，是推動(dòng)“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要路徑。本文以內(nèi)蒙古包茂高速（包東段）改擴(kuò)建工程和興巴高速（清水河段）工程為例，研究工業(yè)固廢鋼渣以及粉煤灰應(yīng)用于公路工程的碳減排效果。結(jié)果表明以鋼渣代替碎石用于上基層，八車(chē)道每公里可實(shí)現(xiàn)碳減排量為58.3tCO2，鋼渣的碳減排率達(dá)81%。以粉煤灰與石灰的組合代替水泥，四車(chē)道每公里可實(shí)現(xiàn)碳減排量為40tCO2，粉煤灰的碳減排率為12%。本研究認(rèn)為工業(yè)固廢代替原筑路材料應(yīng)用于公路工程的碳減排量受被替代材料的碳排放因子以及各類(lèi)材料運(yùn)距的影響顯著。1工程概況包茂高速（包東段）改擴(kuò)建工程中使用鋼渣進(jìn)行試驗(yàn)段鋪設(shè)。采用三種配比的水泥穩(wěn)定鋼渣混合料鋪筑上基層試驗(yàn)段，試驗(yàn)段整體路用性能良好。水泥穩(wěn)定鋼渣集料上基層試驗(yàn)段在G65包茂高速公路（包東段）K70+600-K72+100處鋪筑，長(zhǎng)度為1.5km，總體鋪設(shè)種類(lèi)分為兩類(lèi)，一類(lèi)為粗集料鋼渣、細(xì)集料天然集料的鋼渣碎石混合料，鋪設(shè)長(zhǎng)度為800m，另一類(lèi)為粗細(xì)集料全部為鋼渣的全鋼渣水泥混合料，鋪設(shè)長(zhǎng)度為700m。興巴高速（清水河段）進(jìn)行了粉煤灰代替水泥的實(shí)驗(yàn)路段鋪設(shè)，將粉煤灰應(yīng)用于道路基層鋪筑材料中，以粉煤灰配合石灰的混合料代替水泥用于基層鋪設(shè)，其中粉煤灰的摻和比例為20%。2公路工程應(yīng)用工業(yè)固廢碳減排核算方法2.1碳減排邊界識(shí)別本次研究基于全生命周期評(píng)價(jià)方法，建立針對(duì)工業(yè)固廢材料應(yīng)用的碳減排模型，將碳減排量分為內(nèi)源性減排量以及外源性減排量。內(nèi)源性碳排放是指工程建設(shè)過(guò)程本身所直接產(chǎn)生的二氧化碳排放量，僅包括實(shí)際發(fā)生的能源消耗所產(chǎn)生的二氧化碳，如公路施工中的施工機(jī)械燃燒的能源性物料，汽油、柴油、煤等所排放的二氧化碳。對(duì)于內(nèi)源性碳減排量，根據(jù)實(shí)地調(diào)研，應(yīng)用工業(yè)固廢材料后相較于使用原有工程材料的情況，工程工藝未有顯著改變，本次研究認(rèn)為應(yīng)用工業(yè)固廢材料無(wú)內(nèi)源性碳減排量。外源性碳排放量是指工程建設(shè)過(guò)程中使用的建材等材料在外生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)產(chǎn)生的碳排放量，主要包括建設(shè)期使用工程材料的生產(chǎn)環(huán)節(jié)碳排放、運(yùn)輸環(huán)節(jié)碳排放以及材料的場(chǎng)外加工過(guò)程的碳排放。對(duì)于外源性碳減排量，主要考慮兩個(gè)部分的碳減排量。第一部分為應(yīng)用工業(yè)固廢材料后由于運(yùn)距節(jié)約而帶來(lái)的運(yùn)輸過(guò)程碳減排量，此減排量受公路工程位置與工業(yè)固廢材料供應(yīng)位置的影響，運(yùn)輸過(guò)程的碳排放來(lái)源于車(chē)輛使用化石燃料產(chǎn)生的直接碳排放；第二部分為工業(yè)固廢材料代替原材料的生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)而產(chǎn)生的碳減排量。本文研究的工業(yè)固廢材料主要為鋼渣以及粉煤灰，以G65包茂高速（包東段）為例研究鋼渣應(yīng)用碳減排量，以興巴高速（清水河段）為例研究應(yīng)用粉煤灰的碳減排量。2.2碳減排模型構(gòu)建本研究基于公路工程生命周期碳排放理論框架，將公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)期碳排放分為內(nèi)源性碳排放以及外源性碳排放。內(nèi)源性碳排放計(jì)算公式如式（1）：式中，C1N表示建設(shè)期內(nèi)源性碳排放量；C1Ni分別表示第i項(xiàng)工程的內(nèi)源性碳排放量；ANij表示內(nèi)源性碳排放系數(shù)；XNij表示可引起內(nèi)源性碳排放量的第i工程環(huán)節(jié)的工程量。外源性碳排放計(jì)算公式如式（2）～式（5）所示：式中，C1w表示建設(shè)期外源性碳排放量；E1ijk表示材料生產(chǎn)環(huán)節(jié)碳排放量；E2ijk表示場(chǎng)外加工環(huán)節(jié)碳排放量；E3ijk表示運(yùn)輸環(huán)節(jié)碳排放量；Qmijk，Qhijk，Qtijk為公路基礎(chǔ)設(shè)施外源性材料生產(chǎn)、場(chǎng)外加工、運(yùn)輸?shù)男枨罅浚籪m，fr為公路基礎(chǔ)設(shè)施外源性碳排放因子參數(shù)；i，j，k為公路基礎(chǔ)設(shè)施單元工程的劃分參數(shù)；m，r，?，t為各碳排放來(lái)源測(cè)算模型的清單物質(zhì)選擇模型。以外源性碳排放模型為基礎(chǔ)，本文構(gòu)建了公路工程應(yīng)用工業(yè)固廢材料的碳減排核算模型如式（6）～式（8）所示：式中，CS為工業(yè)固廢材料應(yīng)用的碳減排量；CR為公路工程應(yīng)用工業(yè)固廢材料前制成混合材料的外源性碳排放量；CSW為公路工程應(yīng)用工業(yè)固廢材料后制成混合材料的外源性碳排放量；Qi為使用工業(yè)固廢材料前的混合材料中第i

類(lèi)材料的使用量；fi

為使用工業(yè)固廢材料前的混合材料中生產(chǎn)第i

類(lèi)材料的碳排放系數(shù)；Pi

為使用工業(yè)固廢材料前的混合材料中第i

類(lèi)材料運(yùn)輸所需的化石能源消耗量；ki

為使用工業(yè)固廢材料前的混合材料中第i

類(lèi)材料運(yùn)輸所需的化石能源碳排放系數(shù)；Sj為使用工業(yè)固廢材料后的混合材料中第j

類(lèi)材料的使用量；fj

為使用工業(yè)固廢材料后的混合材料中生產(chǎn)第j

類(lèi)材料的碳排放系數(shù)；Pj

為使用工業(yè)固廢材料后的混合材料運(yùn)輸?shù)趈

類(lèi)材料所需的化石能源消耗量；kj為使用工業(yè)固廢材料后的混合材料中第j

類(lèi)材料運(yùn)輸所需的化石能源碳排放系數(shù)。3公路工程應(yīng)用工業(yè)固廢碳減排分析3.1碳減排參數(shù)確定根據(jù)G65包茂高速（包東段）鋼渣試驗(yàn)段以及興巴高速（清河水段）粉煤灰應(yīng)用試驗(yàn)段的實(shí)際情況，混合材料中主要包括水泥、石灰、碎石等，碳排放系數(shù)參照《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T51366—2019）確定（見(jiàn)表1），由于鋼渣和粉煤灰無(wú)須進(jìn)一步加工即可直接應(yīng)用于公路工程，因此本文認(rèn)為應(yīng)用鋼渣和粉煤灰等工業(yè)固廢材料的碳排放系數(shù)為0。表1工業(yè)固廢應(yīng)用過(guò)程主要材料碳排放系數(shù)表G65包茂高速（包東段）試驗(yàn)段建設(shè)期間，鋼渣的運(yùn)距為45km，玄武巖碎石運(yùn)距為250km。運(yùn)輸載具選擇重型柴油貨車(chē)運(yùn)輸，載重30噸，運(yùn)輸碳排放因子參照GB/T51366—2019，為0.078kgCO2/t?km。興巴高速（清水河段）粉煤灰試驗(yàn)段運(yùn)距上取粉煤灰的運(yùn)距為45km，石灰運(yùn)距為45km，碎石運(yùn)距為100km，水泥運(yùn)距為200km。3.2碳減排分析（1）公路工程應(yīng)用鋼渣碳減排分析針對(duì)G65包茂高速（包東段）鋼渣試驗(yàn)路段，鋼渣的主要利用形式為使用鋼渣代替碎石用于基層，根據(jù)公式（6）（7）（8）計(jì)算，包頭G65包茂高速（包東段）的應(yīng)用鋼渣的碳減排量為18.17kgCO2/t，即可認(rèn)為每使用1t鋼渣代替1t碎石可減少18.17kgCO2排放。包頭G65包茂高速（包東段），在不使用鋼渣的情況下，每公里施工使用碎石需要約3333t，由碎石的生產(chǎn)及運(yùn)輸產(chǎn)生排放72.3tCO2，使用鋼渣代替碎石后每公里使用鋼渣約4000t，由鋼渣的運(yùn)輸產(chǎn)生碳排放14.0tCO2，因此對(duì)于每公里使用鋼渣后的碳減排量為58.3tCO2，應(yīng)用鋼渣后碳減排率高達(dá)81%，碳減排效果顯著。（2）公路工程應(yīng)用粉煤灰碳減排分析興巴高速（清水河段）在道路基層鋪筑材料中使用粉煤灰與石灰來(lái)替代水泥。試驗(yàn)段中使用粉煤灰替代水泥用于二灰穩(wěn)定碎石（基層），若使用水泥穩(wěn)定碎石（基層），每公里基層用水泥約