路面水泥混凝土碳汇环境效益的时滞分析与动态核算

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0619

摘要/Abstract

摘要：

水泥材料生命周期内具有显著的碳汇潜力，但目前仍缺乏具体的碳汇环境效益核算方法。本文构建了基于动态指标的路面水泥混凝土碳汇时滞分析模型，系统评估了路面水泥混凝土全生命周期内的碳汇时间分布及其环境效益，并提出了用于修正静态碳核算结果的时间因子α与减排偏移量β。结果表明，100年内水泥材料碳汇总量占水泥生产排放量的22.18%。相比动态方法，采用传统方法高估了53.8%的碳汇效益。此外，时滞分析得到，100年时限内α为0.65，β为38 614.79 kgCO₂e，水泥碳汇的环境收益可通过α、β进行快速修正。研究结果可为水泥材料碳汇精准计量提供方法依据，对长寿命基础设施系统的碳管理策略制定具有重要意义。

关键词: 路面水泥混凝土, 碳汇, 时滞效应, 动态生命周期评价, 时间因子, 长寿命系统

Abstract:

Cement materials exhibit significant carbon sequestration potential over their life cycle. However， effective accounting methods for their environmental benefits remain underdeveloped. This study established a time-lag analysis model for pavement cement concrete carbon sequestration based on dynamic characterization metrics， enabling a systematic evaluation of the temporal distribution and environmental benefits of carbon sequestration throughout the life cycle of pavement cement concrete. To address the shortcomings of static accounting approaches， two corrective parameters are proposed： the time factor α and the emission offset β. Results show that over a 100 a timeframe， the total carbon sequestration from cement materials accounts for 22.18% of the CO₂ emissions associated with cement production. Compared to the dynamic approach， traditional methods overestimate the environmental benefit of cement carbonation by 53.8%. Moreover， the time-lag analysis reveals that under a 100 a time horizon， α is 0.65 and β is 38 614.79 kgCO₂e. These parameters allow for rapid correction of static carbon accounting outcomes. The findings provide a methodological foundation for the accurate quantification of cement carbon sequestration and offer strategic implications for carbon management in long-lived infrastructure systems.

Key words: pavement cement concrete, carbon sequestration, time-lag effect, dynamic life cycle assessment, time factor, long-lived system

中图分类号:

TU528

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图/表 7

表1 水泥生产生命周期清单

Table 1 Life cycle inventory for cement production

Flow		Input or output/t
Resourse	Limestone	1.05
	Sandstone	7.08×10^-2
	Iron powder	1.95×10^-2
	Bauxite	7.62×10^-2
	Gypsum	3.92×10^-2
Energy	Coal	0.147
Emission	CO₂	0.703

表2 路面水泥混凝土碳汇核算主要参数

Table 2 Main parameters for carbon sequestration accounting of pavement cement concrete

Parameter	Value	Data resource
$k u$	1.58 mm/a^0.5	［24］
$k s$ （landfill）	0.5 mm/a^0.5	［11］
Pavement width	7.5 m
$f c e m e n t C a O$	52%	［26］
$γ$	0.75	［9］
$C c e m e n t$	335 kg/m³

表2 路面水泥混凝土碳汇核算主要参数

Table 2 Main parameters for carbon sequestration accounting of pavement cement concrete

Parameter	Value	Data resource
$k u$	1.58 mm/a^0.5	［24］
$k s$ （landfill）	0.5 mm/a^0.5	［11］
Pavement width	7.5 m
$f c e m e n t C a O$	52%	［26］
$γ$	0.75	［9］
$C c e m e n t$	335 kg/m³

表3 废弃混凝土粒径分布

Table 3 Waste concrete particle size distribution

Particle size grading	Particle size distribution percentage/%
<10 mm	17.8
10~<30 mm	27.1
30~50 mm	17.3
>50 mm	37.8

图1 路面水泥混凝土碳汇效应时间分布

Fig.1 Temporal accumulation of carbon sequestration in pavement cement concrete

图2 水泥碳汇时滞效应

Fig.2 Time-lag effect of cement carbon sequestration

图3 碳汇环境收益时滞分析结果

Fig.3 Results of time-lag analysis of environmental benefits from carbon sequestration

表4 不同情景的敏感性分析结果

Table 4 Sensitivity analysis results under different scenarios

Scenario	Temporal distribution by life cycle phase/a			GWP/ kgCO₂e	TAWP/ kgCO₂e	α	β/kgCO₂e
Scenario	Service phase	Demolition phase	Secondary use phase（landfill）	GWP/ kgCO₂e	TAWP/ kgCO₂e	α	β/kgCO₂e
Baseline	30	0.4	69.6	1.10×10⁵	7.17×10⁴	0.65	3.86×10⁴
Post-demolition stockpiling	30	1.0	69.0	1.24×10⁵ （+11.95%）	8.29×10⁴ （+15.60%）	0.69 （+5.63%）	3.49×10⁴ （-9.67%）
Long-service-life pavement	40	0.4	59.6	1.08×10⁵ （-2.28%）	6.34×10⁴ （-11.70%）	0.59 （-9.65%）	4.45×10⁴ （+15.24%）
Short-service-life pavement	20	0.4	79.6	1.26×10⁵ （+14.59%）	8.83×10⁴ （+23.01%）	0.71 （+9.39%）	3.26×10⁴ （-15.62%）

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