《Resources, Conservation & Recycling Advances》：Combining Pavement Mechanistic-Empirical Predictions and Life-Cycle Modeling for Low-Carbon Asphalt Mixtures with Sensitivity Insights
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本文推荐一项针对阿联酋高温环境下沥青路面低碳化的创新研究。该研究将力学-经验性能预测与全生命周期评估（LCA）相结合，系统比较了普通沥青（HMA-NB）、聚合物改性沥青（HMA-PMB）和胶粉改性沥青（HMA-RB）的环境足迹。结果表明，采用现场冷再生（CIR）等低维护强度策略，配合胶粉改性沥青，可使全球变暖潜能值（GWP）降低41%，为高温地区低碳路面决策提供了透明、可靠的量化依据。
在全球应对气候变化的紧迫背景下，占全球道路90%以上的沥青路面行业正面临严峻的减排压力。地处超干旱气候的阿联酋，在快速基础设施发展的同时，更需平衡路面耐久性与可持续性目标。传统热拌沥青（HMA）在全生命周期中会产生大量温室气体排放，而新兴的改性沥青技术（如聚合物改性、胶粉改性）虽能提升性能，但其真实环境效益尚不明确。现有研究多局限于特定生命周期阶段或缺乏对不确定性的系统分析，在阿联酋等高温、重载的特殊环境下，其结论的可靠性和指导意义有限。为此，发表在《Resources, Conservation & Recycling》上的研究，创新性地构建了一个将实验室力学性能、Pavement ME（力学-经验路面设计指南）服务寿命预测与全生命周期建模相结合的框架，旨在为阿联酋高温气候下的低碳路面选择提供科学、透明的决策支持。
本研究采用了多学科交叉的研究方法。首先，研究人员制备了三种沥青混合料：普通沥青（HMA-NB）、SBS聚合物改性沥青（HMA-PMB）和湿法工艺胶粉改性沥青（HMA-RB），并在实验室测定了它们在不同温度和频率下的动态模量（|E*|）作为关键力学性能指标。这些实测数据随后作为Level 1输入参数导入AASHTOWare Pavement ME软件，基于阿联酋阿布扎比的典型气候和交通荷载（10000 AADTT）预测路面的车辙和疲劳开裂发展，从而确定基于性能（达到预设破坏阈值）的维护干预时间。在此基础上，研究建立了从“摇篮到坟墓”（cradle-to-grave）的生命周期评估（LCA）模型，系统边界涵盖了原材料生产、沥青混合料生产、施工、使用阶段、维护与修复以及寿命终止处理。模型特别集成了两种维护策略：策略I（传统铣刨加铺，M&O）和策略II（以裂缝密封、全深修补和现场冷再生CIR为主的低影响维护）。环境影响评估采用了IPCC 2013 GWP 100a（全球变暖潜能值）、ReCiPe 2016中点及终点指标和累积能源需求（CED）等方法。研究还进行了深入的敏感性分析，考察了沥青厂能源来源（重油 vs. 天然气）、运输距离、生命周期清单（LCI）数据库选择（如Eurobitume vs. Asphalt Institute）等关键参数对结果的影响，确保了结论的稳健性。
Materials and methods
Asphalt mixtures and mechanical performance testing
研究人员设计了三种表面层沥青混合料（HMA-NB, HMA-PMB, HMA-RB），采用相同的集料级配（公称最大粒径12.5毫米）和相近的体积指标。通过AMPT（沥青混合料性能试验机）测定了它们在4°C, 20°C, 40°C, 54°C四个温度和0.1, 1, 10, 25 Hz四个频率下的动态模量（|E*|）。结果表明，HMA-RB在所有测试条件下均表现出最高的刚度，其次是HMA-PMB，HMA-NB最低。这些力学性能数据是后续性能预测和LCA分析的基础。
AASHTOWare analysis for pavement performance prediction
将实测的动态模量矩阵输入AASHTOWare Pavement ME软件，结合阿联酋高温沙漠气候和重交通荷载进行性能预测。分析显示，在阿联酋条件下，疲劳开裂是控制路面服务寿命的主要破坏模式，而非车辙。HMA-NB在服役第9年即超过25%的疲劳开裂面积阈值，而HMA-PMB和HMA-RB则将首次大修时间分别推迟至约第14年和第15年。这一性能差异直接决定了后续生命周期评估中不同混合料的维护时间表和频率。
Maintenance strategies modeling
基于Pavement ME的预测结果，为每种混合料制定了两种维护策略的时间表。策略I（M&O）在达到破坏阈值时进行传统的铣刨加铺。策略II则采用包括裂缝密封（CS）、全深修补（FDP）和现场冷再生（CIR）在内的组合策略，其中CIR深度为0.075米，针对沥青层进行再生。维护活动相关的材料、设备和运输能耗被详细量化并纳入LCA模型。
life cycle assessment
本研究采用了归属性LCA方法，功能单位（FU）定义为1公里单车道道路（3.5米宽，0.10米厚HMA层）在20年分析期内的环境影响。系统边界完整覆盖了材料生产、施工、使用、维护和寿命终止阶段。背景生命周期数据主要来自Ecoinvent 3.9.1数据库。对于改性沥青，采用了复合清单方法，例如HMA-PMB的清单由93%的Eurobitume基质沥青和7%的SBS聚合物（其生产数据来自Ecoinvent）构成；HMA-RB则由82%的基质沥青和18%的当地生产的胶粉（采用截断分配法，不考虑上游轮胎制造负担）构成。
Results and discussion
Impact of Inventory Choice on Environmental Burdens at the production phase
生命周期清单（LCI）数据库的选择对生产阶段的环境影响结论有显著影响。比较Eurobitume LCI version 3.1和Asphalt Institute (AI) 的数据集发现，由于系统边界、数据选择（如对火炬燃烧甲烷的处理、原油种类和区域生产份额的假设）不同，两者报告的每吨沥青的GWP存在差异。例如，Eurobitume数据集报告的GWP值相对较低。这凸显了在比较不同研究结果时，明确其所用清单数据库的重要性。
Impacts variability due to thermal energy models and fuel sources
沥青生产的热能（TE）需求和相关排放受能量模型和燃料类型的共同影响。Santos等人的详细能量平衡模型计算的TE和GWP比Chen和Wang的热力学公式模型高出约5-6%。然而，燃料来源的影响更为显著：将沥青厂燃料从重油改为天然气，可使生产阶段的GWP降低约50.7%，这一减排效果远大于不同沥青结合料改性带来的差异。这表明在阿联酋等地区，推动沥青生产能源清洁化（如使用天然气）是降低碳排放的更有效杠杆。
Influence on transportation distance
敏感性分析表明，运输距离的增加会线性提升全球变暖（GW）和化石资源稀缺性（FR）等影响类别，并对淡水生态毒性（FEc）、海洋生态毒性（MEc）和人类致癌毒性（HC）等类别产生显著影响。然而，三种沥青混合料（NB, PMB, RB）在运输相关影响方面表现近乎相同，说明运输参数是系统层面的影响因素，不改变不同混合料之间的相对排序。
Mixtures performance, production and use phase impacts
Mechanical behavior and performance prediction of the HMAs
Pavement ME的预测结果验证了实验室力学性能的差异：HMA-RB因其最高的动态模量，表现出最佳的抗疲劳性能，从而获得了最长的服务寿命和最少的维护干预次数。这为HMA-RB在全生命周期内实现最低环境影响奠定了性能基础。
Impacts at the gate, built and grave levels
“摇篮到大门”（Cradle-to-gate）分析显示，由于改性剂生产和更高的拌和温度，HMA-PMB的GWP最高，比HMA-NB高出22%；而HMA-RB则因胶粉的掺入降低了沥青用量，其GWP比HMA-NB低8.6%。然而，扩展到“摇篮到坟墓”（Cradle-to-grave）尺度后，维护阶段的影响占据主导地位。在策略I（M&O）下，HMA-NB的总GWP最高（249.6吨 CO2当量/FU），而HMA-PMB和HMA-RB分别降低了35%和67%。更重要的是，采用策略II（CIR等低影响维护）后，所有混合料的GWP均大幅下降75-78%，同时化石能源需求也显著降低。这证明维护策略的选择对环境绩效的影响甚至超过了沥青结合料类型本身。
Additional Considerations for HMA-RB
研究对HMA-RB的长期老化行为、本地胶粉供应链的可持续性以及潜在的环境影响（如路面磨损产生的颗粒物）进行了讨论，指出需要进一步的本地化监测和数据积累。
Uncertainty analysis – extending pavement design duration
将分析期从20年延长至30年的情景分析表明，策略II能更有效地控制累积GWP的增长，突出了性能导向、低影响的维护策略在长寿命路面中的环境优势。
Conclusions
本研究的主要结论是：首先，将力学-经验性能预测与全生命周期评估相结合，能够更准确地评估沥青路面的长期环境表现，避免仅关注材料生产阶段（摇篮到大门的片面性。其次，在阿联酋高温条件下，胶粉改性沥青（HMA-RB）结合基于性能的低影响维护策略（如现场冷再生CIR），能够实现最低的全生命周期碳排放（较普通沥青降低41%）和最长的服务寿命，展现出最佳的环境效益和耐久性。第三，敏感性分析揭示，沥青生产厂的燃料选择（从重油切换到天然气）和维护策略是影响全生命周期碳排放的最关键杠杆，其减排潜力大于沥青结合料类型的选择。
这项研究为阿联酋乃至全球类似高温地区的道路基础设施低碳转型提供了重要的科学依据和实践路径。它明确指出，实现路面部门的深度减排，需要从单一的材料技术创新转向“高性能材料+优化维护策略+清洁能源”的系统性解决方案。研究成果对制定区域低碳路面政策、指导工程实践具有重要的现实意义。未来的研究可进一步纳入路面-车辆相互作用（PVI）、碳化效应以及更广泛的环境指标（如水耗、PM2.5形成等），以完善评估框架。
