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“雙碳”目標實現(xiàn)的重要路徑。本文以內(nèi)蒙古包茂高速（包東段）改擴建工程和興巴高速（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，八車道每公里可實現(xiàn)碳減排量為58.3tCO2，鋼渣的碳減排率達81%。以粉煤灰與石灰的組合代替水泥，四車道每公里可實現(xiàn)碳減排量為40tCO2，粉煤灰的碳減排率為12%。本研究認為工業(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材料運距的影響顯著。1工程概況包茂高速（包東段）改擴建工程中使用鋼渣進行試驗段鋪設(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段，試驗段整體路用性能良好。水泥穩(wěn)定鋼渣集料上基層試驗段在G65包茂高速公路（包東段）K70+600-K72+100處鋪筑，長度為1.5km，總體鋪設(shè)種類分為兩類，一類為粗集料鋼渣、細集料天然集料的鋼渣碎石混合料，鋪設(shè)長度為800m，另一類為粗細集料全部為鋼渣的全鋼渣水泥混合料，鋪設(shè)長度為700m。興巴高速（清水河段）進行了粉煤灰代替水泥的實驗路段鋪設(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碳減排邊界識別本次研究基于全生命周期評價方法，建立針對工業(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)過程本身所直接產(chǎn)生的二氧化碳排放量，僅包括實際發(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械燃燒的能源性物料，汽油、柴油、煤等所排放的二氧化碳。對于內(nèi)源性碳減排量，根據(jù)實地調(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，本次研究認為應(yīng)用工業(yè)固廢材料無內(nèi)源性碳減排量。外源性碳排放量是指工程建設(shè)過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、運輸環(huán)節(jié)碳排放以及材料的場外加工過程的碳排放。對于外源性碳減排量，主要考慮兩個部分的碳減排量。第一部分為應(yīng)用工業(yè)固廢材料后由于運距節(jié)約而帶來的運輸過程碳減排量，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，運輸過程的碳排放來源于車輛使用化石燃料產(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表示場外加工環(huán)節(jié)碳排放量；E3ijk表示運輸環(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)、場外加工、運輸?shù)男枨罅?；fm，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為各碳排放來源測算模型的清單物質(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

類材料運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

類材料運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輸?shù)趈

類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

類材料運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）鋼渣試驗段以及興巴高速（清河水段）粉煤灰應(yīng)用試驗段的實際情況，混合材料中主要包括水泥、石灰、碎石等，碳排放系數(shù)參照《建筑碳排放計算標準》（GB/T51366—2019）確定（見表1），由于鋼渣和粉煤灰無須進一步加工即可直接應(yīng)用于公路工程，因此本文認為應(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)用過程主要材料碳排放系數(shù)表G65包茂高速（包東段）試驗段建設(shè)期間，鋼渣的運距為45km，玄武巖碎石運距為250km。運輸載具選擇重型柴油貨車運輸，載重30噸，運輸碳排放因子參照GB/T51366—2019，為0.078kgCO2/t?km。興巴高速（清水河段）粉煤灰試驗段運距上取粉煤灰的運距為45km，石灰運距為45km，碎石運距為100km，水泥運距為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G65包茂高速（包東段）鋼渣試驗路段，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，由鋼渣的運輸產(chǎn)生碳排放14.0tCO2，因此對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替代水泥。試驗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