沥青混合料在拌和摊铺中的能耗及碳排放计算与测试

Calculation and Test of Energy Consumption and Carbon Emissions of Asphalt Mixtures in Mixing and Paving

摘要: 为了量化计算沥青混合料在拌和生产与摊铺碾压过程中的能源消耗及温室气体排放量，本研究选用了70^#基质沥青和SBS改性沥青混合料AC-13，通过沥青的黏度试验和混合料的变温击实试验，确定了拌和温度和压实功，建立了在原材料加热、混合料拌和及压实阶段的能耗和排放计算模型，并进行了量化计算。结果表明，沥青混合料的生产能耗主要是加热原材料的燃料消耗和碾压混合料的压实功耗，并通过燃料燃烧来排放CO₂等气体。与SBS沥青混合料相比，70^#沥青混合料的拌和温度要低10℃左右，可减少燃料消耗和CO₂排放量约6.4%，降低压实功约18%~26%。对于生产拌和混合料的燃料来说，煤粉的热效率最低，用量和碳排放最多，达到相同加热效果时，重油比煤粉降低排放约29%，天然气降低约51%。

Abstract: To quantitatively calculate the energy consumption and greenhouse gas emission of asphalt mixture during the mixing production and paving and rolling periods, the 70^# base asphalt and SBS-modified asphalt mixture AC-13 were utilized in this study. Mixing temperature and compaction work were determined through the viscosity test of asphalt and variable-temperature compaction test of the mixture. The calculation models of energy consumption and emission of asphalt mixture during the raw materials heating, mixture mixing, and compaction were established and quantitatively calculated. The results indicate that the energy consumption of asphalt mixture production is mainly the fuel consumption of raw materials heating and compaction work consumption of paving mixtures, and the emission of CO₂ and other gases through fuel combustion. Compared with SBS-modified asphalt mixture, the mixing temperature of 70^# asphalt mixture is about 10°C lower, which can effectively reduce fuel consumption and CO₂ emissions by 6.4%, and reduce the compaction work by about 18%~26%. In addition, as for the fuel used to produce the mixing mixture, pulverized coal has the lowest thermal efficiency, and thus has the highest consumption and carbon emissions. When achieving the same heating effect, the heavy oil can reduce emissions by about 29% compared to pulverized coal, and natural gas can reduce emissions by 51%.

1. 引言

公路建设过程中会消耗大量的能源和资源，在追求经济效益的同时，兼顾对生态环境的保护是当今社会对公路事业提出的新要求 [1] [2] 。作为目前应用最广泛的道路铺筑材料，沥青混合料具有优良的路用性能、较低的噪声和较好的行车舒适性 [3] ，但沥青混合料在生产施工过程中会消耗大量的能源，并释放出废气粉尘排放物，包括CO₂、CO、SO₂、N₂O、TVOC等 [4] ，其中CO₂的排放约占总排放量的90%，是造成温室效应的主要气体，也是目前普遍研究的重点对象。温室气体排放的急剧增加会导致冰川融化、极端天气频发等，不利于道路运营的可持续发展 [5] 。

为此，国内外学者对路面修筑在不同阶段的能耗及碳排放开展了大量研究。Cass等 [6] 根据美国洲际干线公路工程实际，建立了基于LCA方法的综合性生命周期分析模型。蔺瑞玉 [7] 设计了沥青面层及半刚性基层的CO₂气体排放模型，并提出了在建设时期沥青路面的气体排放评价体系。彭波等 [8] 采用热值法提出了沥青路面碳排放量的计算方法，并根据路面建设各环节权重建立了碳排放量评价模型。Wang等 [9] 通过使用生命周期的评估模型评价了水泥混凝土和沥青路面在建设时期的能源消耗和温室气体排放量。柴明明等 [10] 用LCA方法基于运输距离和新旧材料掺配比例分析了热再生沥青路面建设期的温室气体排放。潘美萍 [11] 基于LCA方法建立了高速公路能源消耗和CO₂排放量的计算模型。这些研究取得了十分有价值的成果，但要么缺乏定量计算的理论依据，要么对节能减排分析的阶段界定不够清晰。

本文把沥青路面铺筑过程中的能耗和碳排放分为拌和生产与摊铺碾压两个阶段，基于燃料的热值及热效率，建立了各阶段的能耗和碳排放的计算模型，并对70^#和SBS两种常用的沥青混合料AC-13进行了能耗和碳排放的量化计算，比较了两者的能耗和排放特性，为沥青混合料在实际工程应用中的能耗和碳排放提供了测算的依据和示例，为实施“双碳”战略提供基础数据。

2. 试验

2.1. 混合料配合比设计

沥青胶结料采用70^#沥青与SBS改性沥青，由陕西宝利有限公司提供，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，测试了沥青的基本技术性能，试验结果见表1。

Table 1. Basic technical properties of asphalts

表1. 沥青的基本技术性能

试验采用的集料和矿粉由石灰岩轧制或研磨而成，经检测符合《公路工程集料试验规程》(JTG E42-2004)相关技术要求。沥青混合料的级配类型选用工程上常用的AC-13级配，级配曲线见图1。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，通过马歇尔试验得到70^#和SBS沥青混合料的最佳沥青用量均为4.9%。

Figure 1. Gradation curve of asphalt mixture AC-13

图1. 沥青混合料AC-13的级配曲线

2.2. 布氏黏度试验

沥青的黏度在一定程度上可以反映沥青混合料的拌和流动特性，沥青的黏度越大，与集料之间的粘结力越强，沥青混合料越难以进行拌和与压实。为了确定沥青混合料在生产中的加热温度，选用了NDJ-1D型布氏旋转黏度计，在105℃~165℃的范围内测试了沥青混合料的旋转黏度。

2.3. 击实试验

沥青混合料的击实是由松散的塑性状态向有高抗拉强度的黏聚状态转变的过程，沥青的黏聚力在此过程中表现为与集料间的润滑和粘结作用。初始击实温度设定为130℃~160℃且间隔为10℃，击实次数设定为由50增加到200次，且每间隔20次测定一次压实度。

2.4. 能耗计算方法

1) 集料的加热能耗

沥青和集料等原材料在加热过程中会消耗大量的燃料，燃料燃烧释放的能量等于材料升温吸收与损失的热量之和。在拌和站的沥青混合料生产流程中，干燥滚筒加热集料、沥青保温和沥青加热等三个阶段的生产能耗与温度有关。大多数拌和站以重油为燃料，极少部分以煤粉为燃料，目前重点公路建设项目多以天然气为燃料，不同燃料的热值(q)及燃烧效率(λ)见表2。

Table 2. Calorific value and thermal efficiency of fuels

表2. 燃料的热值与热效率

在能耗计算时，a、b、w、f分别代表集料、沥青、水和燃料。在集料的加热过程中，集料加热消耗的燃料(Q_af)与集料烘干加热所需热量(Q_a)相等，其计算分别如式(1)和式(2)：

$Q_{\text{af}}=m_{\text{af}}\cdot q\cdot \lambda \cdot {\eta }_{\text{a}}$ (1)

$Q_{\text{a}}=Q_{\text{ah}}+Q_{\text{w}}=c_{\text{a}}{m}_{\text{a}}\left(T_{\text{a1}}-T_{\text{a0}}\right)+c_{\text{w}}{m}_{\text{w}}\left(T_{\text{w1}}-T_{\text{w0}}\right)+L_{\text{w}}{m}_{\text{w}}$ (2)

式中：m_af为集料加热所需的燃料质量(kg)； ${\eta }_{\text{a}}$ 为烘干筒的热交换率，取值50%；Q_ah和Q_w分别为集料自身升温和水分蒸发所需的热量；c_a (920 J∙kg⁻¹∙˚C⁻¹)和c_w (4190 J∙kg⁻¹∙˚C⁻¹)分别为集料和水的比热容；m_a和m_w分别为集料和水的质量(kg)；T_a0和T_a1分别为集料的初始和加热温度(℃)；T_w0和T_w1分别为水的初始温度和沸点(℃)；L_w为水的浅化热(2256 J/kg)。

由此可计算出m_af，如式(3)：

$m_{\text{af}}=Q_{\text{a}}÷\left(q\cdot \lambda \cdot {\eta }_{\text{a}}\right)$ (3)

2) 沥青的加热能耗

燃料加热沥青的热量(Q_bf)与沥青加热、保温所需的热量(Q_b)相等，其计算分别如式(4)和式(5)：

$Q_{\text{bf}}=m_{\text{fb}}\cdot q\cdot \lambda \cdot {\eta }_{\text{b}}$ (4)

$Q_{\text{b}}=Q_{\text{b1}}+Q_{\text{b2}}=m_{\text{b}}{c}_{\text{b}}\left(T_{\text{b1}}-T_{\text{b0}}\right)+K\cdot S\cdot \left(T_{\text{y}}-T_{\text{0}}\right)÷t_{\text{h}}+c_{\text{b}}{m}_{\text{b}}\Delta T\cdot t$ (5)

式中：m_fb为沥青加热所需的燃料质量(kg)； ${\eta }_{\text{b}}$ 为导热油系统传热率(80%)；Q_b1和Q_b2分别为沥青加热至规定温度所需的热量和高温沥青罐保温所需的热量；m_b为沥青质量(kg)；c_b为沥青比热容(J∙kg⁻¹∙˚C⁻¹)；T_b0和T_b1分别为沥青的初始加热温度和加热完成温度(℃)；K为沥青罐的热传导系数(10 kJ/m⁻²∙h⁻¹∙˚C⁻¹)；S为沥青罐表面积(40 m²)；T_y和T₀分别为沥青的平均温度和外界环境温度(℃)；t_h为沥青加热时间(2 h)；∆T为沥青的降温速率(2˚C/h)；t为沥青的保温时间(2.5 h)。

由此可计算出m_bf，如式(6)：

$m_{\text{bf}}=Q_{\text{b}}÷\left(q\cdot \lambda \cdot {\eta }_{\text{b}}\right)$ (6)

2.5. 排放计算方法

采用碳排放因子法测算沥青混合料生产过程中的排放，重油、煤粉和天然气的碳排放因子(EF)分别为3.18、1.88和2.16 kg CO₂/kg。燃料燃烧的CO₂排放量E的计算如式(7)：

$E=AD\cdot EF$ (7)

式中：AD为生产过程中的燃料用量及电能用量。

沥青混合料在原材料加热阶段的排放模型如式(8)：

$E=E_{\text{a}}+E_{\text{b}}=m_{\text{af}}\cdot E{F}_{\text{ai}}+m_{\text{bf}}\cdot E{F}_{\text{bi}}$ (8)

式中：E_a和E_b分别为加热集料和沥青的碳排放(kg)；EF_ai和EF_bi分别为不同燃料对应的碳排放因子(kg CO₂/kg)。

3. 试验结果与分析

3.1. 布氏黏度试验结果

在测试温度范围内，70^#沥青与SBS改性沥青的布氏黏度结果见图2。根据沥青路面施工技术规范JTG E20-2011的规定，当沥青的布氏黏度为0.17 Pa∙s ± 0.02 Pa∙s时，此时为沥青混合料的推荐拌和温度范围。由图2可知，沥青的黏度随温度的升高而减小，且下降趋势逐渐减缓。70^#沥青和SBS改性沥青的推荐拌和温度分别为156℃~160℃和166℃~170℃，后续分别取中值158℃和168℃进行能耗和排放分析。

Figure 2. Brookfield viscosity of different asphalts

图2. 不同沥青的布氏黏度

3.2. 击实试验结果

击实试验可以模拟沥青混合料的现场碾压过程，击实次数可以反映压实过程中的能耗，通过测量试件的压实度来表征压实的效果。在一定的初始击实温度下，沥青混合料压实度随击实次数的变化见图3。

(a) 70^#沥青(b) SBS沥青

Figure 3. Compactness of asphalt mixtures at different initial compaction temperatures

图3. 不同初始击实温度下沥青混合料的压实度

由图3可知，沥青混合料的压实度随击实次数和初始击实温度的增加而不断增大，且前期的增长速率较快，后期增长速率减慢。主要原因是在击实前期，混合料呈松散状态易于压实，随着击实次数的增加，沥青的润滑作用减少，沥青混合料逐渐密实。沥青的黏度越小，沥青混合料越易压实。相比之下，70^#沥青混合料的压实度在各个击实温度和次数下均大于SBS沥青混合料，表明前者具有更好的施工和易性，在相同压实温度和压实次数下的压实效果更好。

3.3. 加热能耗计算

1) 加热集料的能耗

在式(2)中，取T_a0为25℃，T_a1分别设为140℃、150℃、160℃、170℃、180℃，根据集料加热的能耗计算模型可以计算出1吨集料由自然状态加热至不同温度所需的能耗，结果见表3，进而可以计算出相应的燃料用量，并绘制出集料加热温度与燃料用量的关系，结果见图4。

Figure 4. Variation of fuel required for aggregate heating with temperature

图4. 集料加热所需的燃料随温度的变化

Table 3. Energy consumption for heating 1 ton of aggregates

表3. 加热1吨集料的能耗

为了保证集料充分干燥，最低的加热温度应控制在135℃左右，达到脱水干燥的程度。由表3可知，温度越高，集料加热需要的能耗越多，水分被带走的热量约占集料加热总能耗的10%左右。由图4可以看出，由于不同燃料的热值不同，将集料加热至相同温度时的燃料用量也不同。重油与天然气的热值与燃烧效率较高，在实际使用中用量较少。煤粉的热效率较低，用量较多，约为重油的2.5倍。

2) 加热沥青的能耗

在式(5)中，取T_b0为100℃，T_b1分别设为130℃、140℃、150℃、160℃、170℃。沥青的比热容随温度的上升而变大，见表4。根据沥青加热的能耗计算模型对30 t的整罐加热沥青进行能耗计算，结果见表5。将沥青的加热能耗转换为相应的燃料用量，并绘制加热温度与燃料用量的关系，见图5。

Figure 5. Variation of fuel required for asphalt heating with temperature

图5. 沥青加热所需燃料随温度的变化

Table 4. Specific heat capacity of asphalt at different temperatures

表4. 沥青在不同温度下的比热容

Table 5. Energy consumption for heating 30 tons of asphalt

表5. 加热30 t沥青的能耗

由表5可知，沥青的加热能耗总体上占总能耗的95%以上，保温能耗占比很小。沥青的初始温度较高，因此加热相同质量的沥青的总能耗比集料更少。此外，集料与沥青加热所需的燃料质量均与温度呈良好的线性关系。本文中沥青混合料中集料和沥青的质量分别占95.1%和4.9%，因此每吨沥青混合料加热所需的燃料质量为：m_总 = 0.951m_af + 0.049m_bf。由此可以计算出不同温度下沥青混合料的燃料消耗总质量，结果见图6。根据所拟合的曲线可以进一步计算出沥青混合料在最佳拌和温度下的燃料用量，见表6。

Figure 6. Fuel mass required for heating 1 ton of asphalt mixture

图6. 每吨沥青混合料加热所需的燃料质量

Table 6. Fuel consumption of 1 ton of asphalt mixture at optimum mixing temperatures

表6. 每吨沥青混合料在最佳拌和温度下的燃料用量

由图6可知，在不同温度下加热沥青混合料的重油消耗量远远少于煤粉，且用量与拌和温度呈良好的线性关系。70^#沥青的黏度较小，沥青混合料所需的拌和温度较低。通过拟合曲线可以计算出在各自的最佳拌和温度下，70^#沥青混合料可以比SBS沥青混合料节省6.3%的燃料消耗。

3.4. 压实能耗计算

根据JTG F40-2004中的规定，密级配沥青混合料在夏季炎热的重载交通下空隙率应控制在4%~6%之间。为此选定空隙率下限6%，分析两种沥青混合料在不同温度下达到94%压实度时的击实次数，并将其转化为击实功，即可得出节约的压实功能耗。击实锤的质量为4.536 kg，下落高度为0.4572 m，根据 $W=mg\cdot h$ 可计算出击实锤每次下落的击实功为20.3 J，进而计算出总击实功，见表7。

由表7可知，随着击实温度的上升，沥青混合料达到规定压实度所需的击实功逐渐下降，说明沥青的黏度逐渐下降，与集料之间的润滑作用增强，沥青混合料越来越容易密实成型。在130℃~160℃的范围内，70^#沥青混合料可以分别比SBS沥青混合料节省18.2%、21.7%、26.3%和26.4%的击实功耗。

Table 7. Compaction work of asphalt mixtures at 94% compaction degree (J)

表7. 沥青混合料在94%压实度下的击实功(J)

3.5. 排放计算

根据碳排放计算模型可以计算出1吨沥青混合料的原材料在加热过程中的CO₂排放量，其中集料的加热温度比沥青高10℃，结果见图7。

Figure 7. Carbon emissions of heating asphalt mixture raw materials

图7. 沥青混合料原材料加热的碳排放

由图7可知，原材料加热过程中的碳排放随加热温度的升高而线性增长。在4.9%的最佳沥青用量下，加热集料排放的CO₂占原材料加热总排放的94%~97%，加热沥青的排放仅占3%~6%。生产相同质量的沥青混合料，燃烧天然气的CO₂排放量最少，煤粉最多，约为前者的2倍。根据拟合的直线可以计算出在沥青混合料各自最佳的拌和温度下、原材料加热的CO₂排放量，结果见表8。

Table 8. Carbon emission and relative coal dust reduction of asphalt mixtures at optimum mixing temperature

表8. 沥青混合料在最佳拌和温度下的碳排放及相对煤粉的减少量

由表8可知，与SBS沥青混合料相比，加热相同质量的70^#沥青混合料可以减少6.4%的CO₂排放量，说明拌和温度的降低有利于沥青混合料在生产过程中能耗和碳排放的减少。使用不同燃料时，以煤粉为基准，重油的CO₂排放量减少了约29%，天然气减少了约51%，说明使用天然气燃料的环保效益最好。

4. 结论

1) 沥青混合料生产过程中的能耗主要包括原材料中集料和沥青加热的燃料消耗，以及混合料在压实阶段的能耗，主要通过燃料燃烧来排放CO₂等气体。

2) 沥青和集料加热所需的燃料质量与沥青混合料的拌和温度具有良好的线性关系，在相同条件下，煤粉的用量最多，重油和天然气大致相同。通过混合料拌和温度的差值得出，70^#沥青混合料比SBS沥青混合料的拌和温度低10℃，从而有效减少了6.4%的燃料消耗。

3) 随着击实次数的增加，沥青混合料的压实度呈快–缓慢增长的走势。在130℃~160℃ (步长10℃)的初始击实温度下，达到相同压实度时，70^#沥青混合料相比SBS沥青混合料依次节省了18.2%、21.7%、26.3%和26.4%的击实功。

4) 在原材料加热的过程中，70^#沥青混合料较SBS沥青减少了6.4%的CO₂排放量。在混合料拌和过程中，燃料燃烧的CO₂排放量与拌和温度具有良好的线性关系，煤粉的热效率最低，燃烧排放的CO₂最多，是天然气的2倍，每拌和1吨混合料，重油比煤粉降低CO₂排放量约29%，天然气降低约51%。

基金项目

四川交建科研项目(SCJJKY-2022-119)。

NOTES

^*通讯作者。