Time-Lag Analysis and Dynamic Accounting of Environmental Benefits of Pavement Cement Concrete Carbon Sequestration

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0619

Abstract

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

CLC Number:

TU528

YANG Zhaoning, ZHANG Duan, SUN Boxue, GAO Feng, LI Xiaoqing, NIE Zuoren, CUI Suping. Time-Lag Analysis and Dynamic Accounting of Environmental Benefits of Pavement Cement Concrete Carbon Sequestration[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(1): 30-39.

Figures/Tables 7

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

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

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

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

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

Fig.2 Time-lag effect of cement carbon sequestration

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

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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