基于现金流理论的路面工程建养碳排放计算与分析

Calculation and analysis of carbon emissions in pavement engineering construction and maintenance based on cash flow theory

摘要

路面工程的建设与养护阶段是碳排放的主要来源阶段，因此，选择低碳排放的路面结构对实现路面工程的节能减排目标至关重要。本文基于全寿命周期理论，研究了不同路面结构在建养过程中的碳排放差异。首先，将路面工程的建养过程划分为物化阶段与运营维护阶段，并选取4种常见的路面结构，通过归一化处理各类路面结构的碳排放数据，获得了各阶段的碳排放流。为深入分析不同路面结构的碳排放规律，结合现金流理论，构建了静态与动态碳排放流量模型，并对其碳排放流量进行了研究。研究结果表明，在静态碳排放总流量方面，碳排放流量由高到低排序依次为普通沥青路面、水泥混凝土路面、再生沥青路面、环氧再生路面；而在动态碳排放总流量方面，排序相同，且动态碳排放流量显著高于静态碳排放流量。通过比较不同路面结构的碳排放差异，指出沥青路面具有较大的减排潜力，而环氧再生路面在节能减排方面展现出明显的优势。此外，碳排放的时间价值在路面工程的量化分析中具有重要作用，对于评估不同路面结构的环境影响具有不可忽视的意义。

Abstract

The construction and maintenance stages of pavement engineering are major sources of carbon emissions. Therefore, selecting low-carbon pavement structures is crucial to achieving energy conservation and emission reduction goals in pavement engineering. Based on the life-cycle theory, this paper investigated the carbon emission differences of different pavement structures during the construction and maintenance process. Firstly, the pavement engineering process was divided into the materialization stage and the operation and maintenance stage, and four common types of pavement structures were selected. The carbon emission data of each pavement structure was normalized to obtain the carbon emission flows for each stage. To further analyzed the carbon emission patterns of different pavement structures, this paper combined cash flow theory to construct static and dynamic carbon emission flow models, and analyzed their carbon emission flows. The research results indicate that in terms of static total carbon emissions, the descending order of the four pavement structures is ordinary asphalt pavement, cement concrete pavement, recycled asphalt pavement, epoxy recycled pavement. In terms of dynamic total carbon emissions, the order remains the same, with dynamic carbon emissions significantly higher than static emissions. By comparing the carbon emission differences of different pavement structures, this paper points out that asphalt pavements have greater emission reduction potential, while epoxy recycled pavements show clear advantages in energy conservation and emission reduction. Moreover, the time value of carbon emissions plays a significant role in the quantitative analysis of pavement engineering, which is crucial for assessing the environmental impact of different pavement structures.

Graphical abstract

关键词

路面工程 / 碳排放 / 现金流理论 / 全寿命周期理论

Key words

pavement engineering / carbon emission / cash flow theory / life cycle theory

当前，温室效应已成为全球环境问题中的关键问题，严重影响地球生态系统和人类社会^[1]。全球气候变暖、极端天气事件频发以及海平面上升等问题，均直接威胁到人类的生存与发展，因此，探索低碳发展路径，减少温室气体排放已成为全球可持续发展的迫切需求和必然选择。许多国家已经采取了切实有效的减排措施，并逐步推动低碳技术的创新和应用^[2]。在这一全球背景下，我国也积极响应联合国号召，明确将“双碳”（即碳达峰和碳中和）目标纳入国家发展规划。特别是在“十四五”规划中，国家强调了实现“双碳”目标的重要性，并将其作为推动绿色低碳转型、促进经济高质量发展的核心战略之一^[3]。这一战略不仅彰显了我国应对气候变化的决心，也为推动绿色产业发展、实现经济可持续发展提供了明确的政策指引和行动方向。通过积极推动低碳技术的研发和应用，实施绿色发展政策，我国正朝着建设生态文明、实现绿色发展的目标迈进。

从1850年到2010年，全球碳排放量增加了325亿 t，预计到2030年全球碳排放量将进一步增长至390亿 t^[4]。这一增长趋势表明，全球面临着日益严峻的气候变化挑战。截止到2020年，我国已成为世界上最大的碳排放国，碳排放量占全球碳排放总量的28%^[5-6]。这一现状凸显了我国在全球气候治理中的责任与压力，同时也迫使我国加速推进绿色低碳转型，落实减排承诺。

目前，我国碳排放量最多的3个行业分别为交通运输、建筑和工业。其中，交通运输行业的碳排放量占我国碳排放总量的10.4%。根据统计数据，从1990年到2022年，我国交通运输行业的碳排放量由9 400万 t增加至110 200万 t，增长了10倍之多^[7]。这一数据增长不仅反映了我国交通运输行业的快速发展，也暴露了在城市化和工业化进程中，交通运输行业对碳排放的巨大影响。

国家已日益重视交通运输行业的碳排放问题^[8]，尤其在满足快速增长的市场需求、推动经济发展的同时，如何实现交通行业的低碳转型和节能减排成为政策的核心议题。国家提出了一系列旨在促进交通行业低碳发展的政策措施，包括推广电动汽车、优化交通结构、提升公共交通系统等。通过技术创新与政策引导，交通运输行业逐步朝着低碳、绿色、高效的方向发展。

尽管如此，交通运输行业的碳排放仍面临诸多挑战，特别是在我国庞大的交通需求和日益增长的运输量背景下，如何在保持经济增长和人民出行便利的基础上实现碳排放的有效控制，仍须要进一步深化调控措施^[9]。未来，为了更有效地应对这一问题，不仅须要加大对交通运输行业碳排放的监管和调控力度，还须要加速绿色技术的应用与推广。例如，推广新能源汽车，提高交通运输行业的能源利用效率，加强低碳基础设施建设等，都是实现交通行业低碳转型的关键路径。

总之，交通运输行业作为我国碳排放的重要源头，亟须通过多方面的综合治理和政策创新推动绿色、低碳发展，以助力国家整体“碳达峰”和“碳中和”目标的实现，这不仅是我国履行国际气候承诺的重要途径，也是推动经济可持续发展、改善环境质量的必由之路。

路面工程作为交通运输行业的重要组成部分，在推动经济发展、促进交通流通方面起着不可或缺的作用。随着交通基础设施建设的快速发展，路面工程在其生命周期内产生的温室气体排放问题也逐渐引起关注。研究显示，路面工程的碳排放源主要包括原材料的生产、施工、使用以及后期的养护和维护等环节^[10]。这些环节中的能源消耗和材料运输都会产生温室气体，尤其是传统的沥青和水泥材料，其生产过程中的碳足迹较高。

《2023年交通运输行业发展统计公报》显示，截至2023年末，全国公路总里程已达到5.436 8×10⁶ km，这意味着庞大的公路网络在带动经济发展的同时，也带来了大量的碳排放，因此，路面工程的碳排放分析与控制显得尤为重要。通过优化设计、选用低碳材料、提升施工技术和养护水平等措施，可以显著减少碳排放。例如，采用再生沥青、绿色水泥等环保材料，以及通过节能设备和智能化技术提升施工和养护效率，都是减少碳排放的有效手段。

总体来说，路面工程的绿色低碳发展对于实现交通运输行业的可持续发展具有重要意义。通过采取一系列科学的减排措施，不仅能减少对环境的影响，也为未来交通行业的绿色转型奠定基础。

路面作为一种广泛应用的交通基础设施，对环境有着重大影响，因此，路面工程备受国内外学者关注。Liu等^[11]利用一个捕获沥青路面全寿命期碳排放的实用模型系统，结合VISSIM仿真和MOVES排放模型协同计算交通干扰产生的碳排放，得出使用可回收材料和设计更耐用的路面结构可以减少碳排放的结论。井彩霞^[12]计算出沥青路面、水泥混凝土路面和砂石路面3种路面结构在全寿命周期内的能耗及碳排放，得出3种路面结构在全寿命周期内能耗最高的阶段都为筑路材料生产阶段的结论。宋庄庄等^[13]以某已建高速公路的典型沥青路面为基础，采用全寿命周期评价对沥青路面不同阶段的能耗与碳排放清单进行研究，研究表明，沥青路面使用阶段的能耗和碳排放均高于其他阶段。张磊等^[14]通过建立寿命周期评价体系，量化分析柔性基层沥青路面、典型半刚性基层沥青路面、高掺量胶粉沥青路面的碳排放，得出施工建设阶段为碳排放主要环节，占3种沥青路面寿命周期碳排放量的41.68%~62.79%的结论。上述研究为控制路面结构的碳排放提供了重要参考；但是，由于量化分析的过程中系统边界与阶段划分、碳排放因子和碳排放量计算模型的选择并无统一标准，难以将现有成果进行对比分析，且未能考虑时间因素的影响，因此，数据的标准化处理，消除以上差异带来的不利影响，实现对数据的利用至关重要。

现金流理论是分析和管理现金流动的理论和方法^[15]，是财务管理的重要工具，可帮助企业管理和优化现金流，确保资金的有效运用和企业财务健康的提升。现金流理论的核心在于分析项目在不同活动中的现金流入和现金流出情况。在对不同路面结构碳排放数据进行标准化的基础上参考现金流量图，以路面工程各阶段碳排放量作为流值绘制碳排放流图，从而直观、有效地展示路面工程各阶段的碳排放量。

基于上述研究问题，本文中首先进行了不同路面结构碳排放量数据的收集与分析。为确保各类路面结构之间的碳排放量可以有效比较，采用了归一化处理方法，将不同路面结构的碳排放量数据统一尺度化，清晰地展示不同路面结构在各自建养阶段的碳排放量差异。其次，构建静态碳排放流量模型与动态碳排放流量模型，结合所选典型路面结构的具体案例，对其在建设与养护各阶段的碳排放特征进行了系统分析。这些模型能有助于深入理解路面工程在不同时间维度下的碳排放趋势，进一步揭示碳排放的动态变化规律。最后，通过对比不同路面结构在静态碳排放流量与动态碳排放流量方面的差异，总结在路面结构选型过程中碳排放量产生差异的原因。这一研究不仅为推动路面工程向绿色、低碳方向转型提供了决策支持，也为相关领域的碳排放评估与管理提供了有效的理论工具和方法，旨在加速道路建设领域的可持续发展进程。

1 研究模式及方法

1.1 阶段划分及边界定义

路面工程的整个寿命周期是指路面从原材料开采加工到报废拆除的完整过程。这一过程通常由材料生产及运输、建设施工、运营维护以及寿命终止4个阶段组成。为了分析路面基础设施建养过程中产生的碳排放量，本文中运用全寿命周期理论对不同路面结构建养过程中的碳排放量进行量化分析。为便于分析，本文中将路面建养工程建造完成之前的所有阶段统称为物化阶段，包括材料生产、运输阶段和建设施工阶段，将路面工程在日常使用中养护维修的过程称为运营维护阶段，将物化阶段与运营维护阶段合称为建养阶段。本文中主要研究不同路面结构基础设施的建设与维修碳排放量，故未将运营维护阶段的行驶车辆产生的碳排放量和寿命终止阶段的碳排放量纳入研究范围。

本文的碳排放核算内容包括路面工程物化阶段与运营维护阶段产生的碳排放量。物化阶段的碳排放量主要来源为道路工程原材料的开采与运输、道路工程材料的生产与运输以及施工作业过程中机械消耗能源产生的碳排放量。路面工程运营维护阶段的碳排放量主要包括重铺路面所使用的材料以及施工所需器械消耗能源产生的碳排放量。

1.2 碳排放流量图的绘制

现金流量图横向坐标轴代表项目寿命，并用横坐标轴上长短不一的带箭头线段表示现金流发生的时间、金额和方向，方便项目管理者计算项目的净现值、净年值以及净终值等经济指标。将其应用于分析路面工程建养阶段碳排放量的核算，把路面工程各阶段碳排放的流入流出按年份展示出来，即路面工程碳排放流量。碳排放流量单位为碳流量，简称为cf。

碳排放流与现金流在一些方面是十分相似的。在时间进度方面，二者都存在建造期和使用期；在研究目的方面，二者都以选出最佳方案为目标；在流向方面，二者皆存在流入与流出2种情况；在评价原则方面，二者都考虑了时间价值对项目评估的影响；从项目终点看，二者在寿命终结时都伴随着大量流入与流出^[16]。

因为路面工程在物化阶段的碳排放相较于运营维护阶段具有短且集中的特征，所以在模拟碳排放流量的研究中，把物化阶段选定为路面工程建养过程的起始点，把第1年到第n年视为运营维护周期，并将第n年作为报废的时间节点。

1.3 数据处理

本文中对所收集的实验数据进行归一化处理，不仅有利于得到理想的实验结果，也可以避免不同功能单位带来的影响。常见的数据归一化方法有和积法、离差标准化等方法。和积法常用于矩阵处理，故本文采用和积法进行数据归一化处理。

2 碳排放模型建立与使用

结合实际以及对碳排放流量理论的深刻分析，本文中选择构建静态碳排放流量模型与动态碳排放流量模型对不同路面结构的碳排放量进行分析。在数据归一化处理的基础上，采用静态碳排放流量模型来计算路面结构建养过程中碳排放流的累加，通过动态碳排放流量模型来考虑时间因素产生的影响，以此对不同路面工程进行全面分析。

2.1 静态碳排放流量模型

路面工程建养过程静态碳排放总流量由物化阶段与运营维护阶段构成，计算模型如下：

\mathrm{C}{\mathrm{f}}_{\mathrm{j}\mathrm{t},k}=f_{\mathrm{w}\mathrm{h},k}+n{f}_{\mathrm{y}\mathrm{w},k}(1)

式中：\mathrm{C}{\mathrm{f}}_{\mathrm{j}\mathrm{t},k}为第k种路面结构的静态碳排放流总流量；f_{\mathrm{w}\mathrm{h},k}为第k种路面结构物化阶段的碳排放总流量；f_{\mathrm{y}\mathrm{w},k}为第k种路面结构每年运营维护阶段的碳排放流量；n为第k种路面结构的使用年限。

在计算f_{\mathrm{y}\mathrm{w},k}时，应考虑物化阶段与运营维护阶段之间的比例关系。另外，在计算f_{\mathrm{w}\mathrm{h},k}时，为了直观地展示比较结果，将归一化处理后的数据乘以扩大系数（取1 000），从而使原数据化为整数。

2.2 动态碳排放流量模型

社会折现率作为一个用于评估和比较不同时间点的社会效益和成本的利率，反映了社会对未来收益与成本的时间价值偏好。在计算\mathrm{C}{\mathrm{f}}_{\mathrm{d}\mathrm{t},k}时，从社会经济的角度探讨工程项目对环境的影响，并引入社会折现率，建立起路面工程动态碳排放流量模型^[15]，计算模型如下：

\mathrm{C}{\mathrm{f}}_{\mathrm{d}\mathrm{t},k}=f_{\mathrm{w}\mathrm{h},k}{\left(\mathrm{1}+i\right)}^n+f_{\mathrm{y}\mathrm{w},k}\frac{{\left(\mathrm{1}+i\right)}^n-\mathrm{1}}{i}(2)

式中：\mathrm{C}{\mathrm{f}}_{\mathrm{d}\mathrm{t},k}为第k种路面结构的动态碳排放总流量；i为社会折现率。

早期的研究者在进行路面工程碳排放核算时，通常未将时间因素考虑在内，而是简单地将各阶段内的碳排放量直接相加。这种方法只能反映特定时期的经济发展水平。随着研究的深入，学者们逐渐认识到时间价值在碳排放核算中的重要性，并对此问题给予了更多关注。现有研究表明，碳排放的时间价值与社会折现率相关。碳排放的社会折现率由无风险自由率与气候改变率组成。根据国内外研究，温日琨等^[17]将无风险自由率取为2%，气候改变率取为1.5%，综合考虑，本研究的社会折现率取为3.5%^[17]。

3 路面工程各阶段的碳排放流量计算

本文收集了张金喜等^[18]、李肖燕^[19]、刘士南等^[20]、刘诗蕊^[21]和Liu等^[11]对路面工程建养过程中碳排放的计算结果，汇总并整理为表1。

运用全寿命周期理论对不同路面结构的碳排放进行量化分析，将其建养过程划分为物化阶段与运营维护阶段2个阶段。包含的路面类型有普通沥青路面、水泥混凝土路面、再生沥青路面以及环氧再生路面，每种路面结构选择3个工程实例以减小数据的偶然性。因为不同路面结构涉及的材料、设备和能源各不相同，所以须要对表1中的数据进行归一化处理。

3.1 物化阶段的碳排放流量计算

首先将物化阶段的碳排放量绘制为矩阵{\mathit{A}}_{\mathrm{w}\mathrm{h}}，其次将{\mathit{A}}_{\mathrm{w}\mathrm{h}}代入式(3)进行归一化得到矩阵{\mathit{B}}_{\mathrm{w}\mathrm{h}}，最后按行累加得到{\mathit{W}}_{\mathrm{w}\mathrm{h}}，计算过程参见式(4)。

b_{ij}=a_{ij}/{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^m}{a}_{ij}(3)

式中：a_{ij}为须进行归一化矩阵的第i行第j列的元素；b_{ij}为归一化所得矩阵的第i行第j列的元素；m为需进行归一化矩阵的总行数。

根据\overline{w}=w_i/{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^m}{w}_i将{\mathit{W}}_{\mathrm{w}\mathrm{h}}进行归一化处理，计算出不同路面结构物化阶段的碳排放总流量向量{\mathit{F}}_{\mathrm{w}\mathrm{h}}，计算过程参见式(5)。

\begin{array}{c}{\mathit{A}}_{\mathrm{w}\mathrm{h}}\\ \left(\begin{array}{ccc}\mathrm{157}\mathrm{860}& \mathrm{161}\mathrm{094}& \mathrm{324}\mathrm{730}\\ \mathrm{720}\mathrm{060}& \mathrm{308}\mathrm{590}& \mathrm{400}\mathrm{609}\\ \mathrm{52}\mathrm{620}& \mathrm{581}\mathrm{900}& \mathrm{597}\mathrm{900}\\ \mathrm{65}\mathrm{880}& \mathrm{71}\mathrm{580}& \mathrm{77}\mathrm{520}\end{array}\right)\to \end{array}\begin{array}{c}{\mathbf{B}}_{\mathrm{w}\mathrm{h}}\\ \left(\begin{array}{ccc}\mathrm{0.158}& \mathrm{0.143}& \mathrm{0.232}\\ \mathrm{0.723}& \mathrm{0.275}& \mathrm{0.286}\\ \mathrm{0.053}& \mathrm{0.518}& \mathrm{0.427}\\ \mathrm{0.066}& \mathrm{0.064}& \mathrm{0.055}\end{array}\right)\end{array}\to \begin{array}{c}{\mathbf{W}}_{\mathrm{w}\mathrm{h}}\\ \left(\begin{array}{c}\mathrm{0.533}\\ \mathrm{1.284}\\ \mathrm{0.998}\\ \mathrm{0.185}\end{array}\right)\end{array}(4)

\begin{array}{c}{\mathit{W}}_{\mathrm{w}\mathrm{h}}\\ \left(\begin{array}{c}\mathrm{0.534}\\ \mathrm{1.283}\\ \mathrm{0.998}\\ \mathrm{0.185}\end{array}\right)\end{array}\to \begin{array}{c}\\ \left(\begin{array}{c}\mathrm{0.178}\\ \mathrm{0.428}\\ \mathrm{0.333}\\ \mathrm{0.062}\end{array}\right)\end{array}\stackrel{\times \mathrm{1}\mathrm{000}}{\to }\begin{array}{c}{\mathit{F}}_{\mathrm{w}\mathrm{h}}\\ \left(\begin{array}{c}{f}_{\mathrm{w}\mathrm{h}\mathrm{1}}\\ f_{\mathrm{w}\mathrm{h}\mathrm{2}}\\ f_{\mathrm{w}\mathrm{h}\mathrm{3}}\\ f_{\mathrm{w}\mathrm{h}\mathrm{4}}\end{array}\right)\end{array}=\begin{array}{c}{\mathbf{F}}_{\mathrm{w}\mathrm{h}}\\ \left(\begin{array}{c}\mathrm{178}\\ \mathrm{428}\\ \mathrm{333}\\ \mathrm{62}\end{array}\right)\end{array}(5)

3.2 运营维护阶段的碳排放流量计算

根据表1中4种路面结构的运营维护阶段碳排放量数据构建矩阵{\mathit{A}}_{\mathrm{y}\mathrm{w}}，其次根据式(3)计算出矩阵{\mathit{B}}_{\mathrm{y}\mathrm{w}}，然后根据w_i={\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^n}{b}_{ij}将{\mathit{B}}_{\mathrm{y}\mathrm{w}}按行累加得到{\mathit{W}}_{\mathrm{y}\mathrm{w}}。最后由公式\overline{w}=w_i/{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^m}{w}_i对{\mathit{W}}_{\mathrm{y}\mathrm{w}}做归一化处理并乘以扩大系数1 000得到{\mathit{F}}_{\mathrm{y}\mathrm{w}}^{\text{'}}，计算过程如式(6)所示。

\begin{array}{c}{\mathit{A}}_{\mathrm{y}\mathrm{w}}\\ \left(\begin{array}{ccc}\mathrm{432}\mathrm{580}& \mathrm{470}\mathrm{444}& \mathrm{1}\mathrm{210}\mathrm{650}\\ \mathrm{742}\mathrm{860}& \mathrm{315}\mathrm{970}& \mathrm{357}\mathrm{206}\\ \mathrm{239}\mathrm{640}& \mathrm{166}\mathrm{000}& \mathrm{166}\mathrm{000}\\ \mathrm{64}\mathrm{680}& \mathrm{64}\mathrm{680}& \mathrm{64}\mathrm{680}\end{array}\right)\end{array}\to \begin{array}{c}{\mathit{B}}_{\mathrm{y}\mathrm{w}}\\ \left(\begin{array}{ccc}\mathrm{0.292}\mathrm{3}& \mathrm{0.462}\mathrm{5}& \mathrm{0.673}\mathrm{1}\\ \mathrm{0.502}\mathrm{0}& \mathrm{0.310}\mathrm{7}& \mathrm{0.198}\mathrm{6}\\ \mathrm{0.161}\mathrm{9}& \mathrm{0.163}\mathrm{2}& \mathrm{0.092}\mathrm{3}\\ \mathrm{0.043}\mathrm{7}& \mathrm{0.063}\mathrm{6}& \mathrm{0.036}\mathrm{0}\end{array}\right)\end{array}\to \begin{array}{c}{\mathit{W}}_{\mathrm{y}\mathrm{w}}\\ \left(\begin{array}{c}\mathrm{1.427}\mathrm{9}\\ \mathrm{1.011}\mathrm{3}\\ \mathrm{0.417}\mathrm{4}\\ \mathrm{0.143}\mathrm{3}\end{array}\right)\end{array}\to \begin{array}{c}\\ \left(\begin{array}{c}\mathrm{0.476}\\ \mathrm{0.337}\\ \mathrm{0.139}\\ \mathrm{0.048}\end{array}\right)\end{array}\stackrel{\times \mathrm{1}\mathrm{000}}{\to }\begin{array}{c}{\mathit{F}}_{\mathrm{y}\mathrm{w}}^{\text{'}}\\ \left(\begin{array}{c}\mathrm{476}\\ \mathrm{337}\\ \mathrm{139}\\ \mathrm{48}\end{array}\right)\end{array}(6)

根据表2提供的各种路面结构工程实例物化阶段与运营维护阶段的比例，将案例路面工程的建养各阶段碳排放量占比的平均值作为该路面结构建养各阶段的碳排放流量占比，寿命取该路面结构的3个案例的寿命平均值得到表3。以普通沥青路面为例，其物化阶段与运营维护阶段的碳排放量比例为24∶76，结合工程实例的使用年限为37 a，故运营维护阶段每年碳排放流量为{\mathit{F}}_{\mathrm{y}\mathrm{w}}^{\text{'}}乘以比例系数{\alpha }_{\mathrm{y}\mathrm{w}\mathrm{1}}=76/(24×37)=0.09，同理可得{\alpha }_{\mathrm{y}\mathrm{w}\mathrm{2}}=0.03，{\alpha }_{\mathrm{y}\mathrm{w}\mathrm{3}}=0.04，{\alpha }_{\mathrm{y}\mathrm{w}\mathrm{4}}=0.03，因此得到不同路面结构的运营维护阶段的碳排放流量{\mathit{F}}_{\mathrm{y}\mathrm{w}}，计算过程参见式(7)。

\begin{array}{c}{\mathit{F}}_{\mathrm{y}\mathrm{w}}^{\mathrm{\text{'}}}\\ \left(\begin{array}{c}\mathrm{476}\\ \mathrm{337}\\ \mathrm{139}\\ \mathrm{48}\end{array}\right)\end{array}\to \begin{array}{c}{\mathit{F}}_{\mathrm{y}\mathrm{w}}\\ \left(\begin{array}{c}\mathrm{476}\times \mathrm{0.09}\\ \mathrm{337}\times \mathrm{0.03}\\ \mathrm{139}\times \mathrm{0.04}\\ \mathrm{48}\times \mathrm{0.03}\end{array}\right)\end{array}=\begin{array}{c}{\mathit{F}}_{\mathrm{y}\mathrm{w}}\\ \left(\begin{array}{c}\mathrm{42.84}\\ \mathrm{10.11}\\ \mathrm{5.56}\\ \mathrm{1.44}\end{array}\right)\end{array}(7)

3.3 不同路面结构各阶段碳排放流量图

本研究所选取的工程案例中，碳排放流量均为流出，因此，在绘制碳排放流图时，规定碳排放流出为正值。根据式(5)和式(7)的计算数据，并结合物化阶段与运营维护阶段的碳排放流量向量和4种路面结构建养各阶段时间点，画出不同路面结构建养各阶段碳排放流图，如图1所示。将式(5)和式(7)的计算数据代入式(1)和式(2)中，得到普通沥青路面建养过程中各阶段静态碳排放总流量为1 763.08 cf，动态碳排放总流量为4 978.01 cf；水泥混凝土路面建养过程中各阶段静态碳排放总流量为802.07 cf，动态碳排放总流量为2 531.34 cf；再生沥青路面建养过程中各阶段静态碳排放总流量为444.2 cf，动态碳排放总流量为950.12 cf；环氧再生路面建养过程中各阶段静态碳排放总流量为105.2 cf，动态碳排放总流量为260.93 cf。

4 碳排放结果对比分析

4.1 不同路面结构各阶段碳排放量分析

将同一种路面的单位面积碳排放量取平均值，并将其作为该路面的代表性单位面积碳排放量，结果如图2所示。本文所研究的4种路面结构建养阶段单位面积碳排放量从高到低依次是普通沥青路面、水泥混凝土路面、再生沥青路面、环氧再生路面。普通沥青路面的碳排放量略微大于水泥混凝土路面，与主流研究结论一致^[18]。再生沥青路面与环氧再生路面均使用了再生材料，所以其单位碳排放量要小于普通沥青路面与水泥混凝土路面。因为环氧树脂可以提高路面质量，从而极大减少了运营维护阶段产生的碳排放量，所以环氧再生路面建养过程中产生的碳排放量比再生沥青路面产生的碳排放量更低。普通沥青路面与水泥混凝土路面由于没有使用再生材料，因此其单位面积碳排放量较高。由此可以看出，路面结构不同，其对应路面工程建养过程中产生的碳排放量也不同。

4.2 碳排放流量结果对比分析

结合图1发现，在不同的时间节点、不同路面结构的建养过程中，各阶段的碳排放流量存在明显差异，这些差异由碳排放流量图表现出来。对4种路面结构物化阶段与运营维护阶段的静态碳排放流量及动态碳排放流量进行分析得出以下结果：

4种路面结构物化阶段碳排放流量从高到低依次为水泥混凝土路面(428 cf)、再生沥青混凝土路面(333 cf)、普通沥青路面(178 cf)、环氧再生路面(62 cf)。水泥混凝土路面碳排放总流量远远高于其他3种路面结构，主要原因是水泥混凝土路面需要使用大量水泥，水泥是高碳排放量材料，从而导致其物化阶段碳排放流量较高。环氧再生路面使用的环氧树脂和再生材料在生产和施工中通常能达到更好的性能和更高的强度，减少了对额外材料的需求，从而使环氧再生路面的碳排放流量小于普通沥青路面。

运营维护阶段每年碳排放流量从高到低依次为普通沥青路面(42.84 cf)、水泥混凝土路面(10.11 cf)、再生沥青路面(5.56 cf)、环氧再生路面(1.44 cf)。结合表3中4种路面结构的使用寿命，得出运营维护阶段碳排放流量从高到低为普通沥青路面(1 585.08 cf)、水泥混凝土路面(374.07 cf)、再生沥青路面(111.2 cf)、环氧再生路面(43.2 cf)。由于本研究对运营维护阶段的碳排放来源仅考虑路面结构养护翻新，可知在普通沥青路面的运营过程中养护产生的碳排放流量较高，而环氧再生路面在养护过程中产生的碳排放流量较少，这主要因为环氧树脂对提高道路质量起到重大作用，极大地减少了路面建养过程中的碳排放流量。

不同路面结构的静态碳排放总流量由高到低依次是普通沥青路面(1 763.08 cf)、水泥混凝土路面(802.07 cf)、再生沥青路面(444.2 cf)、环氧再生路面(105.2 cf)。不同路面结构的动态碳排放总流量由高到低依次是普通沥青路面(4 978.01 cf)、水泥混凝土路面(2 531.34 cf)、再生沥青路面(950.12 cf)、环氧再生路面(260.93 cf)。显而易见，不同路面结构动态及静态碳排放总流量的排列次序相同。普通沥青路面的碳排放总流量最高的主要原因是其物化阶段产生的碳排放流量较大，且在养护维修过程中产生的碳排放流量较多。环氧再生路面的碳排放总流量最低的主要原因是环氧树脂提高路面结构的强度，减少其养护过程中的碳排放流量，并且由于使用再生材料，因此其物化阶段的碳排放流量得以降低。同一种路面结构的工程案例的单位面积碳排放量平均值作为该结构的单位面积碳排放，用柱状图展示，如图2所示。根据图2可知，不同路面结构的单位面积碳排放量从高到低排列依次为普通沥青路面、水泥混凝土路面、再生沥青路面、环氧再生路面。这一差异主要缘于各类路面材料的生产过程及其使用的原料不同。普通沥青路面和水泥混凝土路面通常使用全新材料，在生产过程中须要消耗大量能源，并产生较高的碳排放量。而再生沥青路面和环氧再生路面则采用了回收材料，通过再生处理减少了对天然资源的需求，因而其单位碳排放量明显低于前两者。综上，采用再生材料的路面不仅有助于减少原材料的开采与运输对环境带来的影响，还能显著降低建造与养护过程中的碳排放量。

此外，从整体碳排放量角度来看，路面结构的选择会直接影响路面工程在整个生命周期中的碳足迹。即使是相同规模的路面工程，不同结构类型的路面在建设、维修与养护过程中所产生的碳排放量会存在差异，也会对环境产生显著的影响，因此，选择低碳排放的路面材料，尤其是采用再生材料的路面，不仅能够直接降低碳排放量，还能长期为环境可持续发展作出贡献。

5 结论

本文中基于全寿命周期理论和现金流理论对路面工程建养过程中各阶段的碳排放量进行分析，得出以下结论：

1) 普通沥青路面的静态碳排放流量和动态碳排放流量远大于其他3种路面结构，因此，普通沥青路面在建养阶段具有较大的减排潜力。

2) 4种路面结构的动态碳排放流量显著高于相应的静态碳排放流量，动态碳排放总流量是静态碳排放总流量的2~3倍。由此可见，实际工程中的碳排放总流量的时间因素不容忽视，且现金流理论可以充分展示出实际工程碳排放量的时间因素，所得结论更加符合路面工程碳排放量对环境产生的影响。

3) 路面工程建养过程中的碳排放流量主要以流出为主，流入较少，因此，物化阶段和运营维护阶段无法实现碳中和目标，必须持续关注路面工程的节能减排问题，深入研究绿色施工材料。

需要指出的是，本文中提出的研究方法与成果不仅可用于路面结构碳排放量的定量优化，也可为路面结构类型的选择提供决策参考，助力实现路面工程的绿色发展。由于本文中未纳入路面结构拆除阶段的碳排放量，同时受限于目前公开数据的可获得性，参考数据难免存在局限性，因此，未来应加强案例研究的更新迭代，构建更加全面、系统的路面工程碳排放量数据库，进一步提升评估结果的科学性与代表性，为低碳路面设计提供更加有力的数据支撑。

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基金资助

浙江省自然科学基金项目(LQ22E080024)