基于生命周期评价（LCA）的不同设计寿命沥青路面能耗排放分析学术报告

作者及机构
本研究由哈尔滨工业大学交通科学与工程学院的张磊、王鹏、杨永志、邢超、谭忆秋合作完成，发表于《材料导报》（Materials Reports）2024年第38卷第20期。研究得到第二次青藏高原综合科学考察研究任务（2021QZKK0205）、黑龙江省自然科学基金（YQ2021E032）及国家自然科学基金（52278447、U20A20315）的资助。

学术背景
沥青路面作为高等级公路的主要形式，具有工程量大、能耗排放高的特点。在“碳达峰”“碳中和”政策背景下，探索环境友好型路面技术成为迫切需求。然而，不同设计寿命的沥青路面（如长寿命路面与普通路面）在初期投资、维修频率及全生命周期环境影响上存在显著差异，但现有研究多聚焦于单一技术（如温拌、再生）的局部优化，缺乏系统性比较。本研究首次通过生命周期评价（Life Cycle Assessment, LCA）方法，量化对比柔性基层沥青路面、典型半刚性基层沥青路面及高掺量胶粉沥青路面的能耗与碳排放特征，旨在为绿色公路设计提供理论依据。

研究流程与方法
1. 目标与范围界定
- 研究对象：选取三种典型沥青路面结构：（1）柔性基层沥青路面（设计寿命30年）；（2）典型半刚性基层沥青路面（设计寿命20年）；（3）高掺量胶粉沥青路面（设计寿命40年）。功能单位统一为“1 km×车道×年”。
- 系统边界：涵盖原材料生产、施工建设、维修养护及铣刨废弃四个阶段，采用流程法建立清单模型。

1. 清单分析

   • 能源与材料清单：整合行业规范（如《公路工程预算定额》）与工程调研数据，量化原油、原煤、天然气的初级能源消耗及CO₂、CH₄、N₂O排放。例如，水泥生产采用徐小宁（2019）的清单数据，胶粉能耗按350 kWh/t计算。
     
   • 施工模型：
     
     • 拌和加热：基于混合料类型（如SBS改性沥青目标温度175℃）建立天然气消耗模型（式8），引入温度损失系数（CL=0.27）。
       
     • 运输与施工：材料运距（集料144 km、沥青243 km）及设备油耗数据来自定额标准，采用蒙特卡洛模拟（10,000次抽样）评估不确定性。
       

2. 维修养护预测

   • 性能衰变模型：以路面状况指数（PCI）和结构强度指数（PSSI）为阈值（PCI=85触发功能性修复，PSSI=75触发结构性修复），采用孙立军衰变方程（式12-14）预测维修时机。例如，柔性基层路面每10年铣刨重铺表面层。
     

3. 影响评价与灵敏度分析

   • 特征化因子：采用IPCC推荐的全球变暖潜势（GWP）因子（CO₂=1, CH₄=25, N₂O=298）。
     
   • 关键环节识别：通过灵敏度分析（式3）确定水泥生产、沥青加热及运输为三大主要排放环节。
     

主要结果
1. 能耗与排放对比
- 典型半刚性基层路面的能耗强度较柔性基层和高掺量胶粉路面分别高25.29%和153.03%，全球变暖潜值（GWP）总量分别高出106.97%和107.99%。
- 高掺量胶粉路面因橡胶颗粒的再生利用，全生命周期碳排放优势显著。

1. 减排技术效果
   
   • 水泥替代：矿渣硅酸盐水泥（PS）替代普通硅酸盐水泥（PO）后，半刚性基层与胶粉路面的碳排放分别下降13.17%和12.43%。
     
   • 温拌技术：柔性基层路面碳排放降低2.41%，胶粉路面能耗强度下降3.71%。
     
   • 再生技术（RAP掺量30%）：三类路面能耗强度降幅达15.26%~20.64%，碳排放减少3.92%~6.92%。
     
   • 运输效率：效率提升10%可使能耗强度降低1.55%~2.10%，碳排放减少3.07%~4.03%。
     

结论与价值
1. 科学价值：首次系统量化了长寿命与普通沥青路面的环境差异，揭示了半刚性基层路面的高排放本质源于水泥用量及频繁维修。
2. 应用指导：提出“材料替代（PS水泥）+温拌+高RAP掺量”的优化组合，可为《公路沥青路面设计规范》修订提供数据支持。例如，胶粉路面结合30% RAP时，全生命周期碳排放可削减18.56%。

研究亮点
1. 方法创新：融合LCA框架与路面性能衰变模型，实现了从材料生产到养护决策的全链条分析。
2. 数据突破：构建了中国情境下的沥青路面清单数据库（如胶粉加工能耗），弥补了ILCD数据库的区域局限性。
3. 政策意义：明确了运输效率提升的边际效益（每10%效率提升减排约3.5%），为物流低碳化提供量化依据。

其他发现
- 不确定性分析显示，沥青烟挥发物（未计入主流LCA）可能使结果偏差达5%，建议未来研究纳入挥发性有机化合物（VOCs）的排放因子。