乳化瀝青與改性瀝青在路面施工中能耗與碳排放的對比

王雪英1     鄔建波2

1.湖北安捷路橋技術有限公司（湖北鄂州 436000）

 2.中建新疆建工（集團）有限公司國際總承包分公司 （新疆烏魯木齊 830002）

摘  要：通過對不同路面施工材料乳化瀝青和SBS改性瀝青進行能耗和碳排放對比，經定量分析方法計算得到兩段路面施工用材料的能量消耗總量和碳排放量值。通過計算，同樣是1公里的高速公路，SBS改性瀝青路面耗能為14.157噸標煤，而乳化瀝青只有7.498噸標煤；1公里SBS改性瀝青路面的碳排放為29.27tCO2e，乳化瀝青只有20.061tCO2e。結果表明，乳化瀝青從能耗和碳排放均優秀于SBS改性瀝青。

關鍵詞：乳化瀝青、SBS改性瀝青、碳排放、能耗

0.    引言

隨著中國公路建設的發展，2020年公路通車總里程已達510萬公里，據交通運輸部統計數據顯示，2019年我國公路養護里程就已經達到495.31萬公里，占公路總里程的98.8%。由于瀝青是中國路面新建和養護使用的主要材料，瀝青的生產和使用都需要消耗大量的電力和化石能源，不僅破壞資源環境，還會產生大量的碳排放。但是瀝青在不同存儲狀態，使用不同的施工方式其排放量和能耗有較大的差異。張旭通過計算得出溫拌瀝青混合料比熱拌瀝青混合料碳排放量減少46.8%，環境效益顯著[1]。彭勃等研究認為瀝青面層施工碳排放評價達到Ⅰ級,Ⅱ級,Ⅲ級和Ⅳ級的比率分別為15%，31%，46%和8%；碳減排關鍵工序為集料加熱、瀝青加熱和瀝青混合料碾壓，集料加熱和瀝青加熱工序的碳排放主要受原材料加熱能源類型影響，瀝青混合料碾壓工序的碳排放主要受瀝青類型影響[2]。

本文將研究目前應用比較廣泛、具有代表性的SBS改性瀝青，對比SBS改性瀝青和乳化后的SBS改性瀝青（以下簡稱為乳化改性瀝青或乳化瀝青）之間的能耗和碳排放量，從量的角度分析對比它們之間的整個生命周期的數據，驗證乳化瀝青更優于SBS改性瀝青。目前國內的研究中，基本沒有出現這方面的研究，本文將對此做一些嘗試。

1.    瀝青存儲狀態和施工方式

瀝青的生產和使用都會消耗大量電力和化石能源，產生碳排放。通常情況下，根據瀝青的形態將瀝青分為：稀釋瀝青（液體瀝青）、固體瀝青和乳化瀝青等。在這些瀝青中除稀釋瀝青和乳化瀝青外的其他種類的瀝青，在常溫狀態下均為固體，為能達到使用狀態需要對其進行加熱，以使其變成液體，通常這類瀝青稱為熱瀝青，在熱瀝青的存儲和使用過程中，需要加熱保溫使瀝青保持長期流動的狀態。而乳化瀝青和稀釋瀝青則是常溫儲存，不需要對其進行加熱。在日常施工操作過程中，瀝青的存儲方式和施工方式都會影響碳排放和耗能。瀝青的幾種存儲方式如下圖1。

    熱瀝青在加熱過程中，需要耗能，產生碳排放。而乳化瀝青即使是常溫狀態下仍然是液態，直接可以用于攤鋪或噴灑，省去了保持溫度或者達到液態的耗能，也減少了這部分的碳排放。

京德高速是北京大興機場至山東德州的新建高速公路，我們在該高速公路的京冀界至津石高速段，截取其中不同用料的兩段路面進行研究，根據《京德高速永久路面實施指南》，兩段道路膠結料一種為SBS改性瀝青，另一種為乳化SBS改性瀝青，分別計算它們在生產、拌合和攤鋪等環節中的碳排放。SBS改性瀝青存儲方式采用熱儲存，施工方式采用熱拌合和攤鋪，而乳化瀝青的存儲方式為常溫儲存，施工方式采用冷拌冷鋪?；?/span>合料運輸、攤鋪和壓實環節，熱瀝青和乳化瀝青基本相同，這部分的能量輸入和碳排放忽略，不予比較。

2.    兩種瀝青及其混合料的能耗和碳排放量

本文采用的路面結構是以雙向4車道（瀝青路面寬度22米），結構層厚度共18cm（下、中、上面層分別為8cm、6cm、4cm）為主。為便于比較，本文均以路面長度1公里，攤鋪厚度1cm，改性瀝青中SBS改性劑內摻4.5%，油石比4.3%來進行后續能耗和碳排放的計算。

2.1 SBS改性瀝青

2.1.1 SBS改性瀝青及其混合料的能耗

1公里、寬度為22米、厚度為1cm的高速公路，我們根據“m=ρ*v”的公式，可以計算出混合料的重量為：1000m×22m×0.01m×2.4=528噸

------式中2.4為壓實后混合料密度，噸/m3

根據SBS改性劑的內摻比和油石比，可以計算得出各個用料的重量分別為：

改性瀝青用量：528×4.3%=22.704噸

改性瀝青中SBS：22.704×4.5%=1.022噸

改性瀝青中基質瀝青：22.704×95.5%=21.682噸

    首先根據上式中計算得出的1公里高速路面的各個用料的重量，分別計算改性瀝青、SBS和基質瀝青及在拌合過程中所耗用的能量，再把這些數據相加即可得出SBS改性瀝青的能耗。

（1）SBS改性瀝青的能耗

SBS改性劑的能耗：根據《2006年中國統計年鑒》中的數據計算，SBS的能量強度約為180MJ/kg，

1公里路面中SBS的重量為1.022噸，則SBS能量輸入為：1.022×1000×180×106=1.84×1011J

基質瀝青的能耗：按中燃油研究院提供的數據，煉制1噸稠油約耗能12kg標油（標油熱值為104Kcal/kg），按瀝青占50%計，則生產1噸基質瀝青需耗油6kg，1噸基質瀝青的能量輸入為6×104Kcal（1Kcal=4.2×103J）。1公里高速路面含有21.682噸基質瀝青，則基質瀝青總能量輸入為：

21.682×6×104×4.2×103=5.46×109J

生產SBS改性瀝青的能耗：按湖北安捷路橋技術有限公司提供的生產數據統計，生產一噸SBS改性瀝青約需天然氣15NM3（熱值為104Kcal/m3）（1Kcal=4.2×103J），耗電25kwh（1kwh=3.6×106J），通過計算生產1噸SBS改性瀝青需耗能：15×107×4.2+25×3.6×106=7.2×108J。SBS改性瀝青生產時的能量輸入為：22.704×7.2×108=1.635×1010J

SBS改性瀝青的能量輸入匯總：1.84×1011J+5.46×109J+1.635×1010J=2.058×1011J

（2）拌合混合料時的能耗

按瀝青拌合站統計數據，生產一噸改性瀝青混合料約需天然氣9NM3，耗電5kwh，兩項合計為：

9×107×4.2+5×3.6×106=3.96×108J

改性瀝青混合料的能量輸入為：528×3.96×108=2.091×1011J

（3）SBS改性瀝青及其混合料整個生產過程中能量輸入匯總

2.058×1011+2.091×1011=4.149×1011J

折合標煤（1kg標煤能量為29307.6J）：4.149×1011÷29307.6÷106=14.157噸標煤

2.1.2 SBS改性瀝青及其混合料的碳排放

根據《綜合能耗計算通則》（GB/T2589-2008），本文中計算碳排放的公式如下：

CEF=CC×OF×44/12

式中：

CEF-----燃料使用過程的碳排放量，kgCO2e/MJ

CC------單位熱值含碳量，kgCO2e/MJ，采用表2提供的參數值

OF------碳氧化率，%，采用表2提供的參數值

44/12------碳氧化成CO2分子量從12變成44

表1 能源/燃料生產的碳排放因子

表2 各種能源碳排放參考系數

說明：

1. 低（位）發熱量等于29307kJ的燃料，成為1 kgce（千克標準煤）；

        2. 上表前兩列來源于《綜合能耗計算通則》（GB/T 2589-2008）；

        3. 上表后兩列來源于《省級溫室氣體清單編制指南》（發改辦氣候[2011]1041號）

（1）SBS改性瀝青進入拌合站前的碳排放

    SBS的碳排放：將前面SBS耗能折算成標煤為1.84×1011÷29307.6÷106=6.278噸標煤，根據公式計算出SBS的碳排放量：6.278×0.67×44÷12=15.423tCO2e（0.67tc/tce為國家發改委能源研究所給出的標煤碳排放系數的推薦值）

基質瀝青的碳排放：

燃料油密度按0.85kg/L，表2中燃料油的二氧化碳排放系數為3.1705kgCO2/kg

燃料油生產的碳排放因子近似按0.29kgCO2e/L，折合為：1/0.85×0.29=0.3412kgCO2e/kg

1kg燃料油使用過程的碳排放：3.1705+0.3412=3.5117kgCO2e/kg

基質瀝青碳排放：21.682×6×3.3884×10-3=0.441tCO2e

改性瀝青生產時的碳排放：

按湖北安捷路橋技術有限公司提供的生產數據統計，生產一噸SBS改性瀝青約需天然氣15NM3（熱值為104Kcal/m3），耗電25kwh。根據公式將天然氣和耗電產生的碳排放量加起來：22.704×25×0.635×10-3+22.704×15×10-4×389.31×（15.3×10-3×99%×44/12）+22.704×15×0.07×10-3=1.12tCO2e

改性瀝青碳排放匯總：15.425+0.441+1.12=16.986tCO2e

（2）拌合混合料時的碳排放

統計瀝青拌合站數據，生產1噸改性瀝青混合料約需天然氣9NM3，耗電5kwh，根據公式將天然氣和耗電產生的碳排放量加起來：528×5×0.635×10-3+528×9×10-4×389.31×（15.3×10-3×99%×44/12）+528×9×0.07×10-3=10.608tCO2e

混合料生產碳排放匯總：1.676+10.608=12.284tCO2e

（3）SBS改性瀝青及其混合料整個生產過程碳排放匯總

將上述（1）（2）得到的計算結果加總起來：16.986+12.284=29.27tCO2e

2.2 乳化SBS改性瀝青

SBS改性瀝青生產完成后，再進行乳化。乳化過程中需要水和乳化劑，還需消耗電力和熱能。而乳化SBS改性瀝青拌合時相較于熱瀝青拌合又減少了熱能消耗，本文將乳化SBS改性瀝青生產過程中的耗能進行了系統計算。

成型后的路面混合料油石比與改性瀝青同，乳化瀝青固含量按65%，則冷拌時混合料中乳化瀝青用量為：22.704÷65%=34.93噸。同時冷拌過程還需添加約3.5%水，因此，冷拌混合料約為559.8噸，攤鋪破乳后，水分蒸發，路面混合料為528噸。由此，可計算得到乳化SBS改性瀝青中各種材料的用量如下：65%固含量的乳化SBS改性瀝青34.93噸，乳化劑含量按1.5%計，34.93×1.5%=0.52噸，水33.5%，34.93×33.5%=11.7噸，SBS改性瀝青22.704噸，冷拌過程中外加水19.59噸。以此為據，進行后面的研究計算。

2.2.1 乳化SBS改性瀝青及其混合料的能耗

（1）乳化SBS改性瀝青的能量消耗：

同樣的計算方法，可以分別得出乳化SBS改性瀝青混合料的能耗分別為：

SBS改性瀝青能量輸入為：2.113×1011J

乳化劑能量輸入：4.31×108J（生產1噸乳化劑約消耗電能為230Kwh/t）

水的能量輸入：1.352×108J（生產1噸水約消耗電能為1.2Kwh/t）

生產乳化瀝青時的能量輸入：0.56×1010J

乳化SBS改性瀝青總的能量消耗是將上述數據加總為212.124×109J

（2）拌合混合料時的能量輸入：7.613×109J（生產1噸冷拌混合料約耗電4kwh）

拌合后，乳化瀝青混合料運輸、攤鋪和碾壓溫度要遠遠低于SBS改性瀝青混合料，但后續能量輸入相當，不予比對。

（3）能量輸入匯總：212.124×109+7.613×109=219.737×109J

折合標煤：219.737×109÷29306÷1000÷1000=7.498噸

2.2.2 乳化SBS改性瀝青及其混合料的碳排放

（1）乳化SBS改性瀝青的碳排放

改性瀝青的碳排放為17.427tCO2e

乳化劑的碳排放：

按乳化劑廠家圣泉提供的數據，每生產1t乳化劑產生的碳排放包括：乳化劑原材料、原材料的運輸和生產、乳化劑的生產、乳化劑運輸等4個方面，分別計算碳排放量然后加總計算得到乳化劑的碳排放量為：0.8615+0.1561+0.528+0.2439=1.7897tCO2e

乳化劑的碳排放為：0.52×1.2617=0.656tCO2e

乳化瀝青中水的碳排放：11.71×0.91=10.66kgCO2e（水的碳排放系數為0.91kgCO2e/t）

乳化瀝青總的碳排放：17.427+0.656+0.01+0.528=18.621tCO2e

（2）混合料生產時的碳排放

統計瀝青拌合站數據，生產一噸冷拌瀝青混合料約需耗電4kwh，產生的碳排放：

559.8×4×0.635/103=1.422tCO2e

外加水19.59噸：19.59×0.91=17.83kgCO2e

（3）乳化瀝青生產和施工碳排放匯總

18.621+1.422+0.01783=20.061tCO2e

3.    能耗和碳排放對比

3.1 能耗對比

SBS改性瀝青和乳化SBS改性瀝青從原材料生產到路面施工，1公里雙向4車道高速，按1cm厚度，改性瀝青能耗為14.157噸標煤，乳化SBS改性瀝青能耗為7.498噸標煤，能耗相差：14.157-7.498=6.659噸標煤。另外，在拌合過程中，SBS改性瀝青能耗為2.091×1011J，折合標煤為7.135噸，乳化SBS改性瀝青能耗為7.613×109J，折合標煤為0.26噸，SBS改性瀝青為乳化SBS改性瀝青的27倍多。

如果按雙向8車道（路面寬37米），100公里10cm厚度計算，則可節約能耗1.152萬噸標煤。

表 1   一公里高速路面能耗匯總表

3.2 碳排放對比

SBS改性瀝青和乳化SBS改性瀝青從原材料生產到路面施工，1公里雙向4車道高速，按1cm厚度，熱拌改性瀝青與冷拌乳化改性瀝青碳排放增加：29.27-20.061=9.209tCO2e

如果按雙向8車道（路面寬37米），100公里10cm厚度計算，如果用冷拌乳化瀝青替代傳統熱瀝青則可減少CO2排放1.623萬噸。

表 2  一公里高速路面碳排放匯總表

4.    結語

通過上文的計算，能得出如下結論：

1.   能量消耗方面，1公里高速公路的SBS改性瀝青能量消耗為14.157噸標煤，而乳化SBS改性瀝青的能量消耗為7.498噸標煤，乳化SBS改性瀝青的能量消耗僅為SBS改性瀝青能量消耗的一半。根據計算的數據，對比在拌合過程中，兩者的能耗，SBS改性瀝青的能耗為乳化SBS改性瀝青的27.47倍，且SBS改性瀝青混合料拌合過程中的能耗幾乎占整個生產過程中能耗的一半；

2.   碳排放方面，1公里高速公路的SBS改性瀝青產生的碳排放為29.27tCO2e，乳化SBS改性瀝青的碳排放為20.061tCO2e，乳化SBS改性瀝青的碳排放少于SBS改性瀝青。混合料拌合過程中，SBS改性瀝青的碳排放量為乳化SBS改性瀝青的8.53倍，且SBS改性瀝青在拌合過程中所產生的碳排放量占整個生產過程的41.97%。

無論是從能耗方面，還是從碳排放方面，乳化SBS改性瀝青都優于SBS改性瀝青，由此乳化SBS改性瀝青更能夠節能減排，雖然乳化SBS改性瀝青比SBS改性瀝青多了一個乳化的過程，但是在此過程中的能耗和碳排放都不高，且在拌合過程中，乳化SBS改性瀝青的能耗和碳排放量遠低于SBS改性量。在日常操作過程中，乳化SBS改性瀝青由于技術的不斷提高，減少了揚塵和施工過程中的再加熱，從環境保護和安全施工方面，乳化SBS改性瀝青也更加優秀。

參 考 文 獻

[1]張旭. 溫拌與熱拌瀝青混合料碳排放量對比實例研究[J]. 中國市政工程, 2018, 200(05):100-102+121-122.

[2]彭波, 何娟, 蔡春麗,等. 瀝青面層施工碳排放量化評價方法及其應用[J]. 華南理工大學學報（自然科學版）, 2018, 046(011):102-109.

[3]《公路瀝青路面再生技術規范》，中華人民共和國交通部，2008

[4]《公路瀝青路面施工技術規范》，中華人民共和國交通部，2004

[5]《綜合能耗計算通則》(GBT 2589—2008）

[6]《中國統計年鑒》2020

Comparison of energy consumption and carbon emission between emulsified asphalt and hot asphalt in pavement construction

Wang xueying①   Wu jianbo②

①Hubei Anjie Road and Bridge Technology Co., Ltd （Hubei, Ezhou 436006）

②CSCEC Xinjiang Construction Engineering (Group) Co., Ltd. International General Contracting Branch  （Xinjiang, Wulumuqi 830002）

Abstract:By comparing the energy consumption and carbon emission of emulsified asphalt and SBS modified asphalt, the total energy consumption and carbon emission of two sections of pavement maintenance materials are calculated by quantitative analysis method. Through calculation, the energy consumption of SBS modified asphalt pavement is 14.157 tons of standard coal, while emulsified asphalt is only 7.498 tons of standard coal; The carbon emission of 1km SBS modified asphalt pavement is 29.27tco2e, and that of emulsified asphalt is only 20.061tco2e. The results show that emulsified asphalt is superior to SBS modified asphalt in energy consumption and carbon emission.

Keywords: Emulsified asphalt; SBS modified asphalt; Carbon emission; Energy consumption