高速公路路基验收工程量（高速公路路面能耗分析）

背景

近十几年来，我国高速公路建设获得跨越式发展，对国民经济和社会发展起到巨大推进作用，截至2014年年底，全国公路网总里程逾446万km，其中高速公路通车里程达到11.2万km。大规模的公路工程建设必定会对环境产生影响，传统的公路环境影响评价一般是针对公路建设过程的社会环境、生态环境、声环境、水环境和空气环境进行的预评价，但我国公路工程设计仍主要是基于技术和经济方面的分析。近年来，绿色公路相关概念的兴起，对于公路建造、养护、拆除与回收利用整个过程的资源、能源消耗及环境排放的研究日益引起学者重视，国外学者普遍采用寿命周期评价(LCA)理论与方法评估公路建造方案或工艺对环境的影响，环境影响参数包括能耗、排放、有毒物质、水使用情况等。国内学者尚春静等、潘美萍采用寿命周期评价(LCA)理论与方法对高速公路路面寿命周期能耗及排放进行定量评估，但采用的基础数据是基于工程量清单和公路工程预算定额。目前路面工程LCA研究中一个重要问题是国内外的施工工艺、施工设备、原材料等方面都有所差异，基础数据来源变异性较大，评价结果之间缺乏一致性。因此，有必要结合国内的具体工艺，开展相关调查研究，形成准确可靠的本地基础数据库，再进行相关分析。

本文研究目的主要是比较高速公路三种沥青混凝土路面结构和两种水泥混凝土路面结构在原材料获取和施工阶段能耗方面的差异，其中施工能耗参数采用国内路面工程实测数据。通过掌握路面工程从原材料获取、混合料拌和、运输、摊铺压实/成型各环节的能耗情况，有利于从能耗角度对路面工程的设计和施工进行优化，减少全寿命周期内的能源消耗。

研究范围

为了能更好地反映不同路面结构的寿命周期能耗情况，也为了有利于研究比较，取1km双向四车道高速公路的半幅路面作为1个基本单元。本文选取的高速公路基本情况为：采用高速公路技术标准，全封闭、全立交、双向四车道，计算行车速度为100km/h，路基宽度为26m，半幅路幅布置为0.75m土路肩 3m硬路肩 2×3.75m行车道 0.75m左路缘带 1/2×2m中央分隔带。沥青混凝土路面结构1是国内常见的半刚性基层沥青混凝土路面结构，沥青混凝土路面结构2是柔性基层沥青混凝土路面结构，沥青混凝土路面结构3是一种全厚式沥青混凝土路面结构。水泥混凝土路面结构1是国内常见的水泥混凝土路面结构，水泥混凝土路面结构2与水泥混凝土路面结构1的差别仅在于水泥混凝土路面板厚度不同。

本研究由于数据收集带来的局限性，因此有必要做一些假设。

(1)道路全寿命周期通常分为五个阶段：原材料物化阶段、施工阶段、运营阶段、养护维修阶段和寿命终止阶段。确定道路运营和养护期间的能耗需要建立养护计划，包括识别最可能破坏路面结构完整性的因素，选择最有效的方法控制和预防系统的恶化。本研究仅考虑前两个阶段。

(2)本研究没有考虑两种路面类型土方、中央分隔带和土路肩的材料物化和施工能耗。

(3)本研究没有考虑原材料的运输能耗。运输能耗可能因运距、使用的设备以及运输道路的条件而差别巨大。

(4)路面结构寿命周期的许多活动和过程需要水。尽管每种路面消耗的水量可以计算，但本研究中水的获取和运输的能耗没有考虑。一方面是因为已有文献中缺少能耗的数据；另一方面是因为水的获取和运输能耗与其他材料的能耗相比非常小。

(5)本研究忽略了生产厂(如炼制厂和水泥厂)建设的能耗，以及道路施工建设必要设备(摊铺机、混凝土拌和机、压路机等)的生产和维修能耗。这些因素本研究中不予考虑。

(6)沥青混凝土的密度均为2.45t/m³，SMA13的油石比为6.0%，AC20的油石比为4.5%，AC25的油石比为4.2%，AC13F的油石比为5.2%，LSM25的油石比为3.8%。黏层和封层均使用乳化沥青，用量为0.5kg/m²。水泥混凝土的密度为2.40t/m³，假设水泥∶粉煤灰∶矿渣粉∶砂∶石=274:99:99:692:1083，水泥用量为12.2%，砂石用量79.0%。水泥稳定碎石的密度为2.30t/m³，水泥用量为3.5%。级配碎石的密度为2.25t/m³。

能耗参数选取

筑路材料物化的环境负荷计算以单位材料的能耗量和碳排放量表示。材料清单分析是将单位筑路材料生产过程中所使用的化石燃料及电能分别统计，得出单位材料生产消耗的化石燃料数量和电量，然后根据上述不同化石燃料的能源热值将其换算为能值。道路沥青主要含直馏沥青，是石油蒸馏后的残留物或残留物氧化而得到的产品，偶尔也加入大量添加剂。沥青生产包括如下阶段：提取、运输／储存、加热、蒸馏、冷却和最终处理。砂石骨料是公路建设中用量最大的一种建筑材料，砂石骨料的寿命周期清单是基于岩石的破碎生产。首先将岩石进行爆破，爆破后的岩石用货车运输到碎石器处。将爆破的石头进行破碎和筛选，成为最终产品即集料。

沥青混合料、水泥稳定碎石、水泥混凝土路面施工过程能耗包括拌和阶段、运输阶段和摊铺压实/成型阶段的能耗，涉及到拌和楼、运输车辆、摊铺机、压路机、混凝土刻槽机以及其他辅助设备设施(装载机、水车、班车等)的运转能耗。根据国内实际调研结果。从拌和站至路面现场的运输距离假设为20km，运输车装载48t，满载时车辆百公里柴油耗为40L，空载为10L。

能耗分析

材料物化阶段

根据路面结构计算出原材料消耗量清单。根据前面的能耗参数，可得五种路面结构的原材料物化能耗。

本研究中水泥混凝土路面的原材料物化能耗高于沥青混凝土路面，沥青混凝土路面结构3的原材料物化能耗最低。水泥混凝土路面结构1的原材料物化能耗超出沥青混凝土路面结构1、2、3的比例分别为61%、89%和200%。

半刚性基层沥青混凝土路面的原材料物化能耗中水泥贡献比例最高(60.8%)，其次是沥青，再者是集料。全厚式沥青混凝土路面的原材料物化能耗中沥青贡献比例最高。水泥混凝土路面的原材料物化能耗中水泥贡献比例最高，约在80%，值得注意的是，钢材贡献比例占10%，如果采用钢纤维沥青混凝土或者连续配筋混凝土，这一比例仍会增高。

施工阶段

施工过程大部分建造活动是用工程机械实现的，使用机械必然消耗动力燃料和能源，故施工阶段的能耗分析主要针对施工机械能耗和材料运输过程的能耗。按生产过程分为拌和阶段、运输阶段、现场的摊铺压实/成型阶段。

(1)拌和阶段。

水泥混凝土路面的拌和能耗相对于沥青混凝土路面的拌和能耗可谓微不足道。

(2)运输阶段。

五种路面结构混合料运输能耗如图３所示。运输能耗主要与材料总重、运距和车辆单位油耗有关，本研究中由于假设相同的汽车和运距，故主要影响因素是材料总重，因此水泥混凝土路面材料运输能耗更高。

(3)摊铺、压实/成型阶段。

除了全厚式沥青混凝土路面摊铺、压实能耗较低外，其余四种路面摊铺、压实/成型阶段能耗基本相当。

(4)施工阶段能耗分析。

沥青混凝土路面施工阶段能耗高于水泥混凝土路面，其中全厚式沥青混凝土路面施工阶段能耗最高，这与其所有路面结构层全部采用沥青拌和楼有关。本研究中沥青混凝土路面施工阶段中能耗主要发生在拌和阶段(尤其是全厚式沥青混凝土路面结构)，节能的关键环节在于沥青混合料拌和楼，其次是压路机和摊铺机。至于水泥混凝土路面，施工阶段中主要能耗发生在摊铺成型阶段，这主要与水泥混凝土面板需要进行刻槽、切缝有关。

材料物化阶段和施工阶段总能耗

两种水泥混凝土路面结构的总能耗最多，其中水泥混凝土路面结构１的总能耗比三种沥青混凝土路面结构分别超出20.0%、21.5%和37.5%。

两种路面结构类型都是原材料物化阶段能耗占据非常显著的比例，但两种路面结构类型的能耗组成特点仍存在不同之处。沥青混凝土路面的拌和阶段的能耗也占有一定的比例，特别是当采用全厚式沥青混凝土路面结构时，拌和阶段的能耗比例是最高的。水泥混凝土路面结构则是原材料物化阶段的能耗比例占有绝对统治地位，约为95%左右。

结语

本文以高速公路双向四车道的路面结构为分析对象，得到了五种路面结构原材料物化阶段、施工阶段(拌和、运输、摊铺、压实/成型)的能耗，并进行了对比分析。主要研究结论如下。

(1)水泥混凝土路面的原材料物化能耗高于沥青混凝土路面。半刚性基层沥青混凝土路面和水泥混凝土路面的原材料物化能耗中水泥贡献比例最高。全厚式沥青混凝土路面的原材料物化能耗中沥青贡献比例最高。

(2)沥青混凝土路面施工能耗远高于水泥混凝土路面，其中全厚式沥青混凝土路面施工能耗最高，这与其所有路面结构层施工全部采用沥青拌和楼有关。水泥混凝土路面的拌和能耗相对于沥青混凝土路面的拌和能耗可谓微不足道。沥青混凝土路面施工能耗主要发生在拌和阶段(尤其是全厚式沥青混凝土路面结构)。水泥混凝土路面施工能耗主要发生在摊铺成型阶段。

(3)综合考虑材料物化阶段和施工阶段总能耗，两种路面结构类型都是原材料物化阶段能耗占非常显著的比例，但两种路面结构类型的能耗组成特点仍存在不同之处。沥青混凝土路面结构的拌和阶段的能耗占有相当的比例(约23%~54%)，水泥混凝土路面结构则是原材料物化阶段的能耗比例占有绝对统治地位，约为95%左右。