河北省高速公路橋梁建設減排效益分析

蘇麗娜

（河北省高速公路京石改擴建籌建處，河北 石家莊071051）

0 引言

隨著世界經濟的快速發展，人類對環境資源的依賴與需求與日俱增，經濟發展所帶來的環境惡化與資源缺乏問題日趨嚴峻。據統計，如果按照目前的消耗方式和水平，到2500 年地球上的所有主要的工業燃料將被消耗殆盡[1]。

因此，越來越多的國家開始通過各種創新及變革來協調人類與自然間的關系，探索環境保護的途徑與方法。節能與減排并列成為當今世界能源研究的重點方向。

了解、掌握和評價建筑材料全壽命周期內能源消耗和碳排放是開展建筑節能減排技術研發和推廣應用的前提基礎。近些年，國內外相關學者開展了一系列的研究并取得了豐碩成果。國外對于壽命周期評價的研究開展的比較早，文獻[2]介紹了近年來國外學者對于生命周期評價的相關研究及應用。然而，目前就國內而言，相關研究起步較晚，特別是對于作為資源高度集中的高速公路系統的壽命周期環境影響評價的研究還比較少，而對于高速公路改擴建工程中的橋梁建設的能源消耗和排放系統評價的研究則更少。

本文是將壽命周期能耗和碳排放量評價的基本概念和理論框架運用于高速公路橋梁改擴建工程，以高性能混凝土為例，從原料物化階段、運輸階段和現場施工階段對高速公路橋梁改擴建的節能減排進行探索性研究。

1 橋梁工程系統碳排放計算模型

進行改擴建橋梁的相關評價，首先要明確研究目標。能耗-原材料橋梁改擴建環境影響評價的主要目標是確定橋梁改擴建過程中對周圍環境碳排放所產生的影響。

從系統工程角度出發，橋梁在改擴建過程中主要的碳排放來源為能源消耗和原材料物化兩類。其中，能源消耗包括原材料運輸階段和橋梁現場施工階段；原材料制備則是原材料的原料開采、運輸加工等工序。其中絕大部分碳排放來源于原材料物化階段。因此，能源消耗和原材料物化是研究碳排放的重點。而在改擴建工程中，重點研究的是原材料物化、橋梁原料運輸和現場施工兩個階段。

國內龔志起[3]等人對水泥、鋼材的碳排放清單作過統計計算，而瀝青的碳排放清單來源于歐洲瀝青協會。表1列出了計算后每種原材料的溫室氣體排放系數。橋梁原材料生產加工階段的碳排放通過統計原材料使用量，結合表1 和公式（1）-（5）即可獲得。

表1 各種原材料的CO2排放系數（單位：kg/t）

式中：M為建筑材料的耗用量；i為建筑材料的種類；Ki為建筑材料i的溫室氣體的排放氣數。

式中：M為水泥用量；mwi為混凝土單位用水量；W C為對應水膠比。

式中：M為石料和砂的用量；mcp為混凝土單位體積質量，mwi為單位用水量，mci為水泥用量。

式中：m0為瀝青混凝土總質量，ρ為油石比。

橋梁原料運輸和現場施工階段溫室氣體排放主要來源于大型機械的使用及材料設備的運輸，包含了固定燃燒源的碳排放。該過程的溫室氣體排放量與設備的工作效率以及所用的能源類型緊密相關。針對這部分碳排放，應根據施工組織設計和現場調查，對施工期內所用設備耗用的能源類型及耗用量進行詳盡地統計計算。橋梁原料運輸和現場施工階段所排放的溫室氣體量可結合表2與公式（6）進行計算。

式中：Ci為i類能源排放因子缺省值；N為機械臺班數；a為機械類別；P為能源類型為i的機械a；e為單位距離（km）單位質量（t）的公路交通運輸的碳排放因子（統計施工過程所有運輸活動）；L為運輸距離；m為運輸物質量；P為耗電量，G為電力平均碳排放系數。根據資料[4]可以得出每噸每公里公路運輸的碳排放因子為23 770mg。同時根據文獻[5]，得到相關能源的排放因子缺省值。

表2 高速公路相關能源的排放清單

2 綠色高性能混凝土（GHPC）碳排放計算

混凝土是工程領域不可或缺的材料，綠色高性能混凝土（GHPC）更多地節約熟料水泥，降低能耗與環境污染，所摻加的細摻料以工業廢料為主，同時應更大地發揮混凝土的高性能優勢，減少水泥與混凝土的用量。

采用新技術的低碳高性能混凝土的水泥部分采用工業廢棄物替代，比如粉煤灰，礦渣。則每立方米混凝土的水泥用量減少至190 ～250 kg 之間，工業棄渣使用量達到190 ～210 kg，成分比例如圖1所示。

圖1 低碳高性能混凝土成分比例圖

摻入棄渣的混凝土經過技術處理，能都充分達到普通高強C30、C40、C50 混凝土要求的各項指標，而且棄渣的成本遠遠小于生產水泥的成本，最重要的是通過利用工業棄渣，減少了水泥的用量，既減少了環境保護的壓力，又節約了產能。

每立方米C30至C50混凝土減少水泥用量190～210kg，而生產水泥的石灰石在化合反應中將會釋放大量CO2，不僅如此，生產水泥還將要消耗煤炭，電力等一系列不可再生能源。水泥工業是我國碳排放量的主要來源，因此降低水泥工業CO2排放是減排的重點之一。目前，普硅水泥的成本價格大約為450～500 元/t，而棄渣的成本大約為60～180 元/t，每立方米混凝土用棄渣0.19～0.21t，直接節省成本52～93元，此外，通常每生產1t水泥要排放1.2tCO2，折進1m3混凝土為0.54tCO2，采用低碳高性能混凝土則約為0.3t，減排CO2數0.24t，統計結果如圖2所示。

圖2 普通混凝土與低碳高性能混凝土指標對比圖

當混凝土大規模應用于高速公路建設時，其成效是十分可觀的。

3 實例應用

以京石改擴建工程沙河特大橋為例，進行能耗和原材料碳排放計算，并分階段分析該橋橋梁排放情況，著重比較C30普通混凝土和C50普通混凝土在改用高性能混凝土后節能減排效果。該橋總長1 081.0m，寬19.5×2m，上部結構為預應力混凝土T梁，下部結構采用柱式墩、樁基礎，橋面系使用瀝青混凝土完成。預應力混凝土連續梁橋在高速公路中的應用越來越普遍，因此選用沙河特大橋作為研究對象有很強的代表性。

經沙河特大橋相關設計文件統計計算得到主要工程數量如表3所示。

表3 沙河特大橋主要工程數量

由這些數據及表1 和公式（1）～（5）計算可得碳排放量為7.48×107kg。

而若是該工程的C30普通混凝土選用高性能混凝土，則原材料生產階段的碳排放將減少1.06×107kg/t。而若是該工程的C50普通混凝土選用高性能混凝土，則原材料生產階段的碳排放將減少2.64×106kg。全橋碳排放比較示意圖如圖3所示。

在基礎工程中，C30混凝土使用較多，在上部橋面系部位C50混凝土較多，圖4為兩類混凝土在使用高性能混凝土后的減排效果。

對沙河特大橋施工現場所用機械設備型號及數量進行統計調查，所使用的燃料為柴油（見表4），結合表4和公式（2），可計算出運輸原料以及施工階段碳排放為2.09×106kg。

圖3 全橋碳排放對比圖（單位：kg）

圖4 全橋碳排放對比圖（單位：kg）

表4 沙河特大橋主要施工設備機械臺班

根據研究目的，將原料物化階段，原料運輸以及橋梁施工過程的碳排放進行比較，如圖5所示。

4 結論

（1）在原材料物化階段，生產鋼材的碳排放量較大，故可通過減輕結構自重以及增加預應力構件的使用，減少鋼材用量來改善由于材料物化所帶來的溫室氣體排放量。

圖5 碳排放比例圖

（2）若使用高性能混凝土，則生產混凝土所產生的碳排放量將會大大減少，故可通過改良材料生產工藝過程，開發新型環保建筑材料來減少溫室氣體的排放量。

（3）在橋梁工程中，低強度普通混凝土較多，在改用高性能混凝土后減排效果比高強度混凝土替代效果明顯。因此在工藝允許情況下，首先考慮在低強度混凝土中應用高性能混凝土達到減排預期效果。

（4）在兩個階段，超過90%的碳排放來源于原料物化階段。因此，通過改善原料生產工藝可以最大限度地達到減排效果。

（5）對于施工過程而言，碳排放量較少，主要考慮選用新工藝的節能材料來減低碳排放量。

[1] WU JUN. Research on Green Manufacturing- oriented Product Life Cycle Assessment and Key Technologies[D].Wuhan: HuaZhong University of Science and Technology,2004.

[2] ZAPATA P, GAMBATESE J A. Energy Consumption of Asphalt and Reinforced Concrete Pavement an Materials d Construction[J].Journal of Infrastructure Systems,2005,11(1):9-20.

[3] 龔志起.建筑材料壽命周期中物化環境狀況的定量評價研究[D].北京：清華大學，2004.

[4] 楊建新，徐成，王如松.產品壽命周期評價方法及應用[M].北京：氣象出版社，2002.

[5] JIM PENMAN,MICHAEL GYTARSKY, TAKA HIRAISHI, etc. 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories [M]. Miura, Kanagawa Prefecture: Japan′s Institute for Global Environmental Strategies, 2006: 14-30.