瀝青路面建造碳排放來源及減排技術研究綜述

摘要：文章圍繞瀝青路面建造過程重點探討了碳排放的主要來源，包括材料生產、運輸及施工過程中的排放因素等，分析了國內外常見碳減排技術，涵蓋節能降碳的路面建造技術、可回收材料的應用以及施工機械設備的低碳化措施等，提出了瀝青路面建造碳減排面臨的挑戰，并展望了未來碳減排技術發展方向，為瀝青路面的低碳建造提供參考依據。

關鍵詞：瀝青路面；碳排放；碳減排技術；低碳化措施；挑戰和展望

中文分類號：U416.217A080214

0引言

在全球氣候變暖的背景下，低碳經濟已成為社會可持續發展的核心議題。根據國際能源署（IEA）統計數據，2023年我國的碳排放總量與增幅均為全球第一，其中碳排放量占全球的32%。交通領域碳排放成為我國碳排放的主要來源，占總量的10%，其中交通基礎建設和運營所產生的碳排放占整個交通行業的90%以上［1］。因此，在道路基礎設施領域，研究和推廣節能減排技術，推動低碳交通的發展至關重要。

道路建造對環境的影響引起了國內外學者的廣泛關注，主要集中在兩個方面：（1）眾多研究者分析了不同路面類型的道路建造CO2排放情況，包括SBS瀝青路面、橡膠瀝青路面等，主要對道路建設階段、道路使用階段的碳排放研究進行了探討，并提出了基于LCA的道路最新研究和低碳技術應用；（2）眾多學者開始關注在道路生命周期內減緩CO2排放的創新技術和解決方案。一部分學者通過設定情景來確定實施不同減排措施時的CO2減排范圍，另一部分學者則聚焦于不同道路生命周期階段的具體減排技術，如材料生產階段的低碳材料替代和材料回收技術，混合料制造階段的溫拌瀝青技術等。

因此，研究和分析道路的碳排放水平，識別各道路階段的貢獻，明確碳排放源和主要貢獻以及實施有效的減排技術對于瀝青路面的建造碳排放至關重要。本文通過分析瀝青路面建造碳排放的主要來源、減排技術與措施，提出了瀝青路面建造碳減排面臨的挑戰和減排技術發展方向，旨在為實現瀝青路面建造碳減排提供理論依據和實踐指導。

1瀝青路面建造碳排放來源

瀝青路面建造過程的溫室氣體排放來源涉及材料生產、運輸以及現場施工等多個環節，碳排放源多且組成復雜［2-3］，如圖1所示。為了進一步探究瀝青路面建造的碳排放影響因素，設計減碳路徑，開展碳排放來源分析和碳排放測算研究是必要的。

1.1材料生產階段

作為瀝青路面建造的主要材料，瀝青混合料是由瀝青和骨料組成。瀝青本身是許多化學物質的復雜混合物，其生產消耗大量的能源，而骨料的開采、加工和運輸也會產生相應的碳排放，這都將會間接導致碳排放量的增加。瀝青和骨料高溫加熱、能源消耗為瀝青混合料生產中的主要過程，直接增加了瀝青路面建造的碳排放量。

學者們針對冷拌、溫拌、熱拌、RAP再生以及橡膠改性等多種類型的瀝青混合料各階段碳排放開展相關研究，結果表明瀝青混合料加熱、集料加熱和混合料拌和過程中的能源消耗是溫室氣體排放的主要源頭，分別占碳總量的50%～80%，10%～30%和10%～20%。在估算材料生產階段的CO2排放時，大多數研究考慮了集料、水泥、鋼材、瀝青、混凝土、添加劑及其他材料的生產排放，以及附屬設施的生產排放，如排水結構、交通信號設施、管道、路緣和排水設施等，其中瀝青、水泥和鋼材的生產是碳排放的主要貢獻者，總計占比約為70%［4］。如下頁圖2所示。

1.2材料運輸階段

道路建造過程中材料的運輸主要包括瀝青和砂石骨料等原材料、水泥穩定碎石和瀝青混合料等道路材料，

現場攤鋪、碾壓等施工設備，以及設計、施工、監理等人員的調運。由于施工設備運輸和人員調運涉及多種復雜且多變的機械設備，目前的研究主要聚焦于道路材料的運輸環節。

材料從生產地運輸到施工現場的過程中，需要消耗大量燃料。當運輸材料的車輛運輸距離較短時，能耗由材料生產的過程決定；當運輸材料量較大時，材料運輸距離則成為能耗大小的決定因素。目前只有少數研究人員研究了原材料運輸過程的碳排放。江琪［5］研究了基層材料的運距對總能耗的影響規律，發現運距影響幅度較大，生產能耗占比為43%，運輸能耗占比為47%，因此提出可采用就地取材降低能耗。Chowdhury等［6］的研究確定生產階段物料運輸距離對CO2的排放有顯著影響。Yu等［7］發現材料運輸過程中的道路交通擁堵是CO2排放產生的主要原因，因為車輛在延誤期間會消耗額外的燃料。Wu Peng等［8］研究結果表明，在混凝土路面，因道路養護和修復活動造成交通延誤所產生的材料運輸額外CO2排放量占總排放量的7.72%～30.12%。劉亞濤等［9］研究發現，單位質量混合料的運輸總能耗隨著運距的增加呈線性增加；隨著汽車載重量的增大，汽車空返次數減少，總能耗也隨之降低，載重20 t的運輸總能耗是載重10 t的70%左右。而Noland等［10］研究發現道路生命周期中，與交通中斷相關的碳排放占比是較少的。因此，材料運輸過程中CO2的排放量應根據不同的項目條件、路面類型、交通量和燃油經濟性進行分析。

1.3現場施工階段

施工過程中碳排放主要來自于攤鋪機、壓路機等機械設備的使用，這些設備在運行過程中消耗燃料，排放CO2［11］。瀝青路面的施工通常包括場地清理、基層混合料和面層混合料的攤鋪碾壓以及相應的運輸過程等階段。不同施工環節使用的機械設備在能源消耗和溫室氣體排放方面存在顯著差異。通過綜合分析相關研究成果，總結出瀝青路面在施工過程中碳排放的主要來源及溫室氣體的排放類型，如表1所示。

學者們針對瀝青路面現場施工過程中碳排放的主要來源展開研究。陳赟等［12］基于能源的熱值與碳排放因子，構建了高速公路瀝青路面施工機械的碳排放測算模型，研究表明瀝青拌和站在碳排放總量中占比＞87%。李靜等［13］構建了基于全生命周期的建筑工程碳排放計算模型，提出電能、能源油耗為瀝青路面施工階段的主要來源之一。朱海蓉［14］通過量化評價瀝青路面施工過程中的能耗，發現拌和設備能耗占主導地位，占比為51.8%。沈藝奇等［15］研究發現在瀝青路面施工過程中，瀝青混合料拌和環節的能耗和溫室氣體排放量分別占整個施工過程的79.6%～82.0%和84.1%～85.8%，在拌和過程中，原材料加熱所使用的精煤和重油能耗占據整個拌和過程的94.5%。因此，主要節能減排關鍵控制過程在瀝青混合料拌和階段，為了有效實現節能減排，選擇熱值高、排放低的能源是關鍵策略之一。

2瀝青路面建造期碳減排技術研究

2.1建造技術與材料

2.1.1節能降碳的路面建造技術

研究發現使用再生瀝青、冷再生和溫拌瀝青等節能降碳建造技術，能有效減少瀝青的使用量，從而降低碳排放。陳宇亮等［16］采用生命周期分析方法分析了就地熱再生瀝青路面建造期的能源消耗與碳排放，研究表明相較于銑刨重鋪，就地熱再生節能減排效益顯著，其能耗和碳排放僅為銑刨重鋪的35.6%和49.2%。齊小飛［17］同樣基于生命周期評價方法，研究了不同瀝青混凝土路面技術生產階段產生的碳排放，研究表明相比于銑刨重鋪，微表處、超薄罩面和廠拌熱再生技術的碳排放降幅分別為37.6%、26.9%、19.8%和12.5%，當采用廠拌熱再生技術時，控制RAP摻量對瀝青廠拌的再生減排效果具有顯著效果。Jullien等［18］發現隨著RAP摻量的增加，碳排放強度進一步下降，并且有機揮發性化合物（VOC）和多環芳烴（PAH）的排放量級也和RAP摻量明顯相關。

2.1.2可回收材料的應用

通過采用低碳替代材料或利用清潔能源生產的材料替代高碳或碳密集型材料，被廣泛認為是一種有效的減排途徑。用于減碳常見的材料有廢舊輪胎、再生瀝青路面材料（RAP料）、廢舊鋼筋、工業固廢以及建筑垃圾等，這些材料的應用不僅降低了對新資源的需求，而且減少了碳排放量。

在瀝青混合料的制備過程中，學者們通過添加廢舊橡膠輪胎顆粒降低碳排放。Farina等［19］研究發現，采用濕法生產的廢舊輪胎橡膠為18%的瀝青混合料與對照組相比，碳減排量可達36%～44%。Wang等［20］對橡膠改性瀝青和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯改性瀝青進行了比較，發現前者可以減少17%的CO2排放。然而，White等［21］在分析使用廢舊輪胎橡膠改性的熱拌瀝青（HMA）路面CO2排放時，發現其CO2排放量略有增加，產生這一矛盾的原因在于混合料生產階段增加的碳排放量大于使用廢舊輪胎減少的原材料生產過程碳排放量。

此外，學者們發現使用再生瀝青路面（RAP）也能有效降低碳排放。Giani等［22］通過情景分析發現，使用RAP可以使碳排放量減少6.8%。Saberi等［23］研究表明，當RAP的數量呈現不斷增加的趨勢，則CO2等溫室氣體的排放量不斷降低。Gulotta等［24］研究發現RAP與溫拌瀝青結合使用在減少CO2排放方面表現出顯著優勢。然而，Saeedzadeh等［25］研究指出，高含量的RAP會增加耗能，這是由于高RAP摻量的熱拌瀝青在生產和壓實過程中需要更多的加熱量和額外的壓實力。

2.2建造期機械設備

2.2.1瀝青生產設備優化處理

在瀝青路面施工期間，瀝青拌和站所消耗的電能和重油為碳排放最主要的來源。因此，當瀝青路面進行低碳化施工時，應嚴格控制拌和站的能源消耗。為精確控制瀝青的加熱溫度，可增加一個重油罐到拌和樓的燃燒系統中，并在重油罐中放置導熱油盤。同時，將導熱油雙層管路安裝至重油罐與增壓泵之間，利用管路和重油加熱器的聯合作用，優化燃油的霧化效果，這種改進不僅有利于提高燃燒效率，還能確保加熱過程的穩定性和均勻性，從而為瀝青拌和提供更可靠的溫度控制。

2.2.2降低瀝青設備能耗

公路建造設施和設備的主要減碳措施有替代燃料、電氣化和燃料混合等方式。Peng等［26］發現，與重油相比，使用天然氣加熱集料可減少約27.68%的碳排放，與煤炭相比減少40.92%，使用天然氣替代電力可減少65%的CO2排放。然而，Bueche等［27］指出，依賴電力的工廠CO2排放最多，比僅使用天然氣的瀝青廠高117%。Fernandez-Sanchez等［28］發現，將柴油替換為20%生物燃料混合的生物柴油B20，可使運輸機械的CO2排放減少13%。Karlsson等［29］發現，使用生物質燃料可使碳排放量減少高達90%，而采用電氣化施工設備，減排量為67%～95%，減排效果亦很顯著。

2.2.3瀝青加熱新工藝、新技術

為了實現瀝青加熱低碳化目標，超導管加熱和太陽能加熱瀝青技術等新型加熱方式具有低能耗、低排放等特點，逐漸被推廣應用。以瀝青混合料拌和站為例，通過“油改氣”技術，采用天然氣代替重油作為燃料，既可以減少能耗，又避免了燃燒后產生的氣體排放到空氣中，污染空氣質量。張童童等［30］研究發現，相比于瀝青熱拌技術，溫拌瀝青機械發泡溫拌技術具有顯著的節能減排效果，節能率和減排率分別達到11.1%和10.5%。

3瀝青路面建造碳減排技術的挑戰與展望

國內外研究學者采用生命周期評價方法，以全面評估瀝青路面建造期的碳排放，但目前瀝青路面建造碳減排技術發展仍存在一些挑戰。

（1）盡管低碳技術已經有所發展，但對于將其大規模應用于工程項目，以及保證碳減排技術在不同地區和氣候條件下的適應性等問題，仍需進一步研究。

（2）大部分施工機械設備仍依賴于高碳能源，推廣使用低能耗、高效率的設備，特別是電動和混合動力機械，是未來發展的重要方向，但其成本較高。在兼顧經濟效益的同時實現有效的碳減排，是未來的研究方向。

（3）隨著材料科學和建造技術的進步，可通過減少瀝青混合料的生產能耗和降低施工過程的能耗來實現碳減排，因此未來的降碳減排研究應專注于更高效的材料組合和施工工藝的優化。

（4）機械電動化、混合動力以及其他清潔能源技術的應用將成為降低施工機械設備碳排放的關鍵，未來應通過智能化和自動化技術進一步優化能源利用，來達到減少碳排放的目的。

4結語

瀝青路面建造期的碳減排是實現道路交通領域“雙碳”目標的重要途徑。通過材料、施工工藝、運輸過程等多方面的技術創新和優化，可以顯著降低瀝青路面建造過程中的碳排放。未來，隨著技術的不斷進步和應用推廣，瀝青路面建造期的碳減排潛力將進一步釋放，有利于推動交通領域綠色耐久的持續發展，實現社會可持續發展的最終目標。

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基金項目：廣西交通運輸科技成果推廣項目資助“廣西交通運輸行業公路碳達峰碳中和重點實驗室”（編號：GXJT-ZDSYS-2023-03-01）；廣西重點研發計劃項目“公路工程建造碳排放核算評價研究與應用示范”（編號：2024AB06020）

作者簡介：呂化冰（1976—），碩士，高級工程師，主要從事公路與橋梁施工、工程管理、合同管理、招投標及項目建設工作。