不同类型挡土结构碳排放计算与评价

2020-08-06史梦园王志杰杨广庆

铁道勘察 2020年4期

史梦园王志杰杨广庆李丹

(1.石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄 050043； 2.石家庄铁道大学经济管理学院，河北石家庄 050043)

1 引言

目前，由温室气体引起的海平面上升、气候反常等各类危害日趋严重。我国作为全球二氧化碳排放量第一大国，截止2018年，我国二氧化碳排放总量达到9 428.7 Mt，人均碳排放量约为6.73 t，在减排方面面临着巨大的压力与挑战[1]。为有效减少二氧化碳排放量，我国政府出台了应对措施及相关政策，力争到2020年底，单位国内生产总值二氧化碳排放强度较2005年下降40%左右[2]。

建筑产业的迅速发展对碳排放环境的影响巨大。在铁路方面，冯旭杰[3]按全生命周期进行剖析，认为高铁的碳排放存在转移性和隐藏性两种特征，各阶段碳排放量所占比重随地区的不同而改变；陈进杰等[4]考虑全生命周期，建立了高速铁路碳排放计算模型，分别对周期内碳排放量和敏感因素进行了分析。在护岸工程方面，黎维林等[5]对护岸工程各个阶段进行了碳排放分析，提出适合该工程的碳排放计算方法。

在建筑结构中，建筑材料的选取对碳排放量也有一定的影响。邵高峰等[6]从材料角度出发，在全寿命周期情况下，得到了建材的碳排放边界。张涛[7]通过查阅文献，搜集、整理了常用的建筑材料碳排放因子。罗智星等[8]根据国际上常用的碳排放计算方法，对我国常用的工程建筑材料进行分析与总结，并提供了相关的计算方法。

近年来，挡土结构已广泛应用于各类土建工程中，并取得了极为广泛的经济效益和社会效益。但现有的研究成果多关注于各类挡土结构的安全与稳定，关于挡土结构碳排放的计算研究报道较少。为了评价其碳排放环境效益，依托河北省新元高速公路改扩建路基加宽工程，针对返包式加筋土陡边坡、液态粉煤灰悬臂式挡墙和泡沫轻质土挡墙三种类型的挡土结构，建立碳排放计算数学模型，计算其碳排放量，并对各阶段的碳排放量进行对比分析。

2 挡土结构碳排放计算模型

河北省新元高速公路改扩建路基加宽工程位于河北省石家庄市新乐至元氏高速公路郭村至拐角铺段，该工程路线起讫桩号为K231+412.249～K253+882.619，全长22.47 km。该工程具体位置如图1所示，其中图中星号代表新元高速公路改扩建路基加宽工程的位置，箭头所指为新元高速公路。

图1 新元高速公路改扩建工程位置示意

依托新元高速公路改扩建工程，建立基于全生命周期的碳排放计算数学模型，计算各类挡土结构的碳排放量。挡土结构在全生命周期内的碳排放计算数学模型为[9]

E=EⅠ+EⅡ+EⅢ+EⅣ

(1)

式中，E代表全生命周期内碳排放总量；EⅠ代表在生产阶段，建材在工程中所产生的二氧化碳排放量；EⅡ代表在运输阶段，建材在工程中产的二氧化碳排放量；EⅢ代表该工程建造施工阶段碳排放量；EⅣ代表该工程运营维护阶段碳排放量。

2.1 建材生产阶段碳排放计算模型

建筑材料在生产阶段碳排放计算数学模型为

(2)

式中，Di代表每一种建材在工程中的使用数量；Ki代表工程中涉及到的建材的碳排放系数(见表1)；n代表所有建材在工程中的总个数。

表1 主要建筑材料碳排放系数

挡土结构在建材生产阶段需要消耗多种建筑材料，为简化计算，选取用量较大的几种建筑材料来计算碳排放量。

2.2 建材运输阶段碳排放计算模型

在建筑材料运输阶段，需要将主要的建筑材料由生产场地或销售场地运往施工现场。运输方式主要包括铁路、公路、水路等，这些交通工具是通过消耗化石能源产生的二氧化碳。挡土结构在施工过程中，建筑材料的运输距离通过工程施工图设计中的《沿线筑路材料一览表》获得。

建材运输阶段的碳排放量计算模型为

(3)

式中，Di代表每一种建材在工程中的使用数量；Li代表工程中所涉及到的建材运送距离/km；K代表各种不同交通类型的碳排放系数(见表2)；n代表所有建材在工程中的总个数。

表2 各种交通类型的碳排放系数

2.3 建造施工阶段碳排放计算模型

在各类挡土结构建造期间内，二氧化碳排放主要是由施工设备消耗能源而产生的。设备消耗的能源主要为燃料油和电能，故可依据这两种能源来进行碳排放量的评估。

工程在建造阶段的碳排放数学模型为

(4)

式中，Fi代表不同施工设备单位时间内消耗的油量或电能；Hi代表不同施工设备的使用时长；Pi代表不同的施工设备所消耗能源的碳排放系数(见表3)；n代表挡土结构中使用的施工设备总数量。

表3 各类能源的碳排放系数

2.4 运营维护阶段碳排放计算模型

在运营维护阶段，加筋挡土结构采用返包式，通过在坡面植生，植物进行光合作用吸收二氧化碳释放氧气。而对于悬臂式挡墙和泡沫轻质土挡墙，墙面无植被，则在该阶段不存在二氧化碳的排放，故只需考虑建材在工程中的生产和运输还有挡土结构建造阶段的碳排放即可。

在运营过程中，返包式加筋挡土结构的碳排放量主要考虑植物的光合作用，即植被固碳能力，可根据植物年固碳量来计算植物所吸收的二氧化碳总量。

加筋土陡边坡运营维护阶段的碳排放量计算模型为

EⅣ=C×S×Y

(5)

式中，C代表植物年固碳量，单位为kg/(m2·y)；S代表挡土结构植生面积，单位为m2；Y代表挡土结构使用年限，单位为年。

3 挡土结构碳排放计算结果与分析

以河北省新元高速公路改扩建路基加宽工程为例，该工程平均墙高为6 m，挡土结构长100 m。3种结构都能够达到工程设计的安全标准。

3.1 返包式加筋土陡边坡

(1)建材生产阶段碳排放量

该阶段涉及的建筑材料主要有土工合成材料、碎石和水泥，其中加筋材料包括土工格栅、连接棒和土工袋，填土为就地取材。本工程中在K240+150～K240+515路段左侧采用加筋土陡边坡方案。各种材料的用量可由《路基防护工程数量表》(以下简称数量表)查到。加筋土陡边坡截面尺寸如图2所示。

图2 返包式加筋土陡边坡尺寸(单位：m)

①土工合成材料

本工程加筋材料采用单向拉伸塑料土工格栅，筋材返包竖向间距为0.4 m，筋材层数为14层，筋材的铺设宽度为5.2 m，在坡面种有植被。查数量表得，土工格栅用量为6 750 m2，连接棒用量为1 091 m，土工袋用量为10 091条。

该工程中，土工袋尺寸为0.8 m×0.5 m×0.45 m。由于连接棒和土工格栅材料相同，故本工程中连接棒的碳排放系数可参照土工格栅的碳排放系数(取0.13 kg/m)。

②碎石

加筋土陡边坡中土工袋填充物为碎石，碎石的密度取1 560 kg/m3。

③水泥

水泥主要用于5%的路床水泥土中，路床水泥土含量为578 m3，由于5%水泥土水泥量=土的干密度×土的体积×百分率，该工程中土的干密度为1.7 g/cm3，则1 m3土需要的水泥量为85 kg。

根据公式(2)计算主要建材的碳排放量(见表4)。

表4 各建材种类的碳排放量

因此，加筋土陡边坡在主要建材生产阶段的碳排放量为

EⅠ=2.922+0.142+6.163+

8.784+39.304=57.315(t)

(2)建材运输阶段碳排放量

各种建材均由生产场地运往石家庄，且均采用公路运输。土工袋的单位质量[10]取250 g/m2。土工格栅的单位面积质量[13]取0.33 kg/m2。

根据式(3)，可算出在该阶段不同建材种类的碳排放量。其中运输距离和碳排放量见表5。

表5 主要建材在运输阶段的运输距离及碳排放量

因此，加筋土陡边坡在建材运输阶段的碳排放量为

EⅡ=0.227+0.505+0.037+

54.880+1.776=57.425(t)

(3)建造施工阶段碳排放量计算

返包式加筋土陡边坡在进行建造施工过程中，使用到的主要施工设备为挖土机和压路机[14]，这两种施工设备使用的燃料均为柴油。已知挖土机每小时消耗柴油量为12.7 L，在该工程中使用时长为24.8 h；压路机每小时消耗柴油量为12.5 L，在该工程中使用时长为40 h。柴油密度为0.85 kg/L。

根据式(4)，可算出该阶段返包式加筋土陡边坡的二氧化碳排放量为

EⅢ=(12.7×24.8+12.5×40)×

0.85×3.16/1 000=2.189(t)

(4)运营阶段固碳量

河北属温带季风气候，四季分明、雨热同期，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥。结合以上特点，在返包式加筋土陡边坡，选择易生长、根系发达的多年生草种结缕草，该植物适应性较强，喜温暖气候、喜阳光、耐高温、抗干旱，符合河北省地区气候[12，15]。结缕草为多年生植物，每年生长期为6个月(4～9月)。

结缕草年固碳量[14]为7.81 kg/(m2·a)

该陡边坡植生面积S=6/0.75×100=800(m2)

土坡的设计使用年限为50年[16]，在设计年限内只需进行正常维护，这对边坡的固碳量影响很小，故令加筋土陡边坡实际使用年限近似为设计使用年限，则运营阶段固碳量为

EⅣ=7.81×800×50/1 000=312.4(t)

(5)碳排放总量

综上，修建该加筋土陡边坡所产生的二氧化碳总量为

E=57.315+57.425+2.189-312.4=

-195.471(t)

各阶段碳排放量如图3所示。由图3可以看出，生产阶段碳排放量和运输阶段碳排放量相差不大(后者排放量略高于前者)，建造阶段碳排放量最少。运营维护阶段二氧化碳吸收量绝对值较前三阶段各阶段排放量大很多，且大于前三项数值之和。从图3也可得出，返包式加筋土陡边坡在生命周期内会吸收大量的二氧化碳，有效地减少了温室气体的排放。

图3 返包式加筋土陡边坡碳排放量

3.2 液态粉煤灰悬臂式挡墙

(1)建材生产阶段碳排放量

悬臂式挡墙应用于工程K240+150～K240+515右侧路段。所涉及的建筑材料主要有液态粉煤灰、混凝土、钢筋和排水材料，其中液态粉煤灰作为路基填筑材料，既节约了资源，又提高了道路工程质量。由于液态粉煤灰属于废物利用，故在建材生产阶段不考虑其碳排放量。

① 混凝土

悬臂式挡墙墙体采用C30现浇混凝土，其密度为2 500 kg/m3，用量可由图4计算。

图4 悬臂式挡墙的尺寸(单位：m)

②钢筋

该悬臂式挡墙所用钢筋质量为37.01 t。

③排水材料

排水材料包括碎石垫层和PVC管。参照数量表，碎石垫层用量为89.61 m3；PVC管用量为26.53 m，其中外径为5 cm，壁厚为2 mm，密度为1 400 kg/m3。

根据式(2)，可计算各建筑材料的碳排放量，结果见表6。

表6 各建材种类的碳排放量 t

因此，悬臂式挡墙在主要建材生产阶段的碳排放量为

EⅠ=103.108+168.766+0.433+

0.027=272.334(t)

(2)建材运输阶段碳排放量

各种建材均由生产场地运往石家庄，均采用公路运输。查数量表得，液态粉煤灰用量为1 234 m3，密度为2 000 kg/m3。

根据式(3)，可算出在该阶段不同建材种类的碳排放量。其中运输距离和碳排放量见表7。

表7 主要建材在运输阶段的运输距离及碳排放量

故悬臂式挡墙在建材运输阶段的碳排放量为

EⅡ=32.247+0.275+2.707+

8.496×10-6+17.128=52.357(t)

(3)建造施工阶段碳排放量计算

在该阶段，挡墙使用到的施工设备主要是挖土机[13]，燃料为柴油。挖土机每小时消耗柴油量为12.7 L，在该结构中使用时长为29.95 h。因此，液态粉煤灰悬臂式挡墙在建造施工阶段的碳排放量为

EⅢ=12.7×29.95×0.85×3.16/1 000=1.022(t)

(4)碳排放总量

综上，在全生命周期内，修建该挡墙需排放的二氧化碳总量为

E=272.334+52.357+1.022=325.713(t)

各阶段碳排放量直观图如图5所示。由图5可以得出，在悬臂式挡墙中，建材生产阶段的碳排放量占碳排放总量的比重最大，而且远远大于其他两个阶段，约为84%；其次为建材运输阶段，所占比重约为16%；建造施工阶段碳排放量最少。

图5 悬臂式挡墙碳排放量

3.3 泡沫轻质土挡墙

(1)建材生产阶段碳排放量计算

泡沫轻质土挡墙应用于K240+528～K240+638右侧路段。所涉及的建筑材料主要包括泡沫轻质土、混凝土、钢筋、排水材料和镀锌钢丝网。挡墙尺寸如图6所示。

图6 泡沫轻质土挡墙尺寸(单位:m)

①泡沫轻质土

泡沫轻质土是一种新型建筑节能材料，具有良好的流动性、施工性及经济性等特点，应用前景非常广阔。泡沫轻质土中主要成分为水泥、粉煤灰、发泡剂和水。泡沫轻质土用量为1 055 m3，泡沫轻质土密度[17]为572 kg/m3。

根据文献[16]的最优配比得，配置1 m3的泡沫轻质土需190 kg水泥，粉煤灰126 kg，发泡剂50 kg，水206 kg。其中粉煤灰是废物利用，发泡剂所占比例很小，可忽略不计，只需考虑水泥和水即可。水的碳排放系数[18]为0.91 kg/m3，则1 m3泡沫轻质土碳排放系数为

0.19×800+0.206×0.91=152.19 kg/m3

②混凝土

该挡土墙基础采用C30混凝土，面板采用C40混凝土，面板厚度为6 cm，则有

C30混凝土用量=0.6×0.3×100=18(m3)

C40混凝土用量=(6+0.5)×0.06×100=39(m3)

③钢筋

钢筋质量为13.41 t。

④ 排水材料

排水材料采用碎石垫层，碎石用量为360 m3。

⑤镀锌钢丝网

在距泡沫轻质土填筑体顶部0.5 m处位置铺设了一层镀锌钢丝网，查数量表得镀锌钢丝网用量为3 418 m2，厚度为1.5 mm，密度为7 810 kg/m3。

根据式(2)，得到了各建筑材料的碳排放量(见表8)。

表8 各建材种类的碳排放量

因此，泡沫轻质土挡墙在主要建材生产阶段的碳排放量为

EⅠ=160.56+6.786+17.784+61.15+

1.74+49.25=297.270(t)

(2)建材运输阶段碳排放量计算

建筑材料的运输均由生产场地运往石家庄并采用公路运输。上述材料生产场地及距离见表9。

表9 主要建材在运输阶段的运输距离及碳排放量

故泡沫轻质土挡墙在建材运输阶段的碳排放量为

EⅡ=5.152+0.1+0.297+10.877+

7.247+0.923=24.596(t)

(3)建造施工阶段碳排放量

施工设备也主要为挖土机，设备燃料为柴油。挖土机每小时消耗柴油量为12.7 L，在该结构中使用时长为21.5 h。因此，泡沫轻质土挡墙在建造阶段的碳排放量为

EⅢ=12.7×21.5×0.85×3.16/1 000=0.733(t)

(4)碳排放总量

综上，修建泡沫轻质土挡墙所产生的二氧化碳总量为

E=297.270+24.596+0.733=322.599(t)

泡沫轻质土的碳排放量如图7所示。由图7可以看出，在泡沫轻质土挡墙中，建材生产阶段的碳排放量约为92%，所占比重最大；运输阶段占碳排放总量比重约为7%，仅次于生产阶段，但是两者数量差距较大；在建造阶段碳排放量最小，约占碳排放总量1%。

图7 泡沫轻质土挡墙碳排放量

3.4 计算结果对比

根据碳排放计算数学模型公式，计算得到了返包式加筋土陡边坡、液态粉煤灰悬臂式挡墙和泡沫轻质土挡墙在建材生产、建材运输、建造施工、运营维护方面的碳排放量，见表10。

表10 挡土结构在各阶段内碳排放量 t

将表10中的各阶段数据整理到了同一图中，可以更加直接地反映出每种挡土结构在不同阶段的碳排放量，如图8所示。

图8 挡土结构碳排放量

由图8可知，在满足设计标准的前提下，返包式加筋土陡边坡坡面种有植被，在设计年限时间内二氧化碳吸收量大于排放量，即该结构在全生命周期内总碳排放量为负值，有效地减少了二氧化碳的排放。

通过对3种挡土结构在全生命周期内的数据对比分析可得：在建筑材料生产阶段，返包式加筋土陡边坡碳排放量为悬臂式挡墙的21%，仅为泡沫轻质土挡墙的19%，返包式加筋土陡边坡碳排放量要远小于另外两种挡土结构；在建材运输阶段，3种挡土结构碳排放量差距不大，泡沫轻质土挡墙排放量为返包式加筋土陡边坡的43%，为悬臂式挡墙的47%,返包式加筋土陡边坡的碳排放量略大于另外两种挡土结构，泡沫轻质土挡墙碳排放量最小(这是由于返包式加筋土陡边坡中加筋材料是由山东青岛运往施工地，距离较大，且土工袋中碎石用量很大造成的)；在建造施工阶段，3种挡土结构碳排放量数值都很小且相差不大，返包式加筋土陡边坡碳排放量要稍高于其他挡土结构；在运营维护阶段，返包式加筋土陡边坡坡面种有植被，碳排放量为负值。

在设计年限时间内，加筋挡土结构二氧化碳吸收量大于排放量，即该结构在全生命周期内总碳排放量为负值，该结构对于改善碳排放环境状况优势明显。