《Journal of Cleaner Production》：Assessment of carbon emissions and life cycle cost in railway infrastructure: comparison between steel slag ballast and natural aggregate
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本文从环境和经济角度评估钢渣骨料（SSA）用作铁路道砟的可行性。环境评估采用生命周期评价（LCA）方法框架，对比钢渣道砟（SSB）与天然骨料道砟。研究聚焦全球变暖潜势（GWP）影响类别（亦称碳足迹），以千克CO?当量（kgCO?e）计。研究采用的功能单元为1
本文从环境和经济角度评估钢渣骨料（SSA）用作铁路道砟的可行性。环境评估采用生命周期评价（LCA）方法框架，对比钢渣道砟（SSB）与天然骨料道砟。研究聚焦全球变暖潜势（GWP）影响类别（亦称碳足迹），以千克CO?当量（kgCO?e）计。研究采用的功能单元为1 km铁路轨道，参考服务期为8年，案例研究位于巴西东南部地区。通过热重分析获得钢渣骨料自然碳化过程的CO?吸收量，在研究设定条件下估算为17.7 kg CO?/t SSA，该值已纳入评估。除环境评估外，研究还进行了生命周期成本（LCC）分析，以评估两种铁路道砟替代方案在其生命周期内的经济表现。在确定的系统边界内，结果表明，使用钢渣道砟的铁路其GWP低于传统道砟，主要归因于自然碳化期间估算的CO?吸收量。在相同的8年参考服务期内，研究人员计算出钢渣道砟的GWP为?4.82E+04 kgCO?e（即吸收CO?），而传统道砟为1.30E+04 kgCO?e。敏感性分析表明，即使运输距离达到470 km，钢渣道砟仍保持其环境优势。从财务角度看，钢渣道砟铁路的生命周期成本比传统道砟铁路低32%。该研究证实，在本研究设定的前提条件下，钢渣道砟作为铁路道砟的环境和经济替代方案具有潜力。
**一、研究背景与问题提出**
全球对气候变化、资源稀缺与环境法规日趋严格的关注，推动各行业向循环经济模式转型。钢铁工业产生的钢渣约占其固体废弃物总量的28%（IAB, 2023），其填埋处置占用大量土地并引发景观改变和颗粒物排放等环境问题。在此背景下，钢铁行业积极寻求能够为钢渣副产品增值的技术、经济与可持续解决方案。巴西约64%的钢渣已被出售、再利用或捐赠（IAB, 2020），常见应用包括道路铺筑集料、土地整平碎石及农用土壤稳定等。钢渣骨料（SSA）在铁路道砟中的应用也展现出良好前景（Hussain和Hussaini, 2022；Fernandes等, 2020；Chamling等, 2020；Koh等, 2018；Delgado等, 2021）。
然而，钢渣道砟（SSB）的应用仍面临若干挑战：其一，膨胀性——钢渣中游离氧化钙（CaO）和氧化镁（MgO）在潮湿环境中水化产生内应力，导致体积膨胀、开裂与破碎；其二，细粒污染物——膨胀和使用应力产生的细颗粒在水分存在下具有胶结潜力，可能导致道砟脏污并削弱排水能力；其三，高电导率——钢渣的化学成分可能促进离子和电子传导，较低的电电阻率可能干扰铁路信号系统，产生“幽灵占用”现象。常用的处理方法包括养护/风化，通过喷水和自然碳化实现游离氧化物的化学稳定化（Fernandes等, 2020）。钢渣骨料具有天然吸收CO?的能力（Song等, 2021；Fernandes等, 2020；Li等, 2022；DiGiovanni等, 2024），这一现象虽已被观察，但在自然碳化条件下的量化研究仍较为有限。
尽管SSB的物理力学性能总体可行，但现有文献尚未充分探索其环境与经济影响。生命周期评价（LCA）框架是量化材料全生命周期环境影响的可靠工具，对于比较天然骨料道砟与SSB尤为关键——两种体系的材料供应链存在根本差异。目前将LCA应用于铁路结构，尤其是道砟层的分析仍相对新颖（Bressi等, 2018；Vignali, 2024；Pons等, 2020）。此外，尽管已有研究将LCA应用于钢渣骨料（Václavík等, 2020；Mladenovi?等, 2015；Xie等, 2021；Faleschini等, 2014），但大多数研究采用“摇篮到大门”系统边界，忽略了使用、维护和寿命终结阶段，且将SSA作为铁路道砟的全生命周期评估尚属空白。因此，本研究采用“摇篮到坟墓”视角，结合实验量化的自然碳化CO?吸收与经济评估，填补了这一研究空缺。
**二、研究内容与技术方法**
研究人员以巴西东南部某货运铁路系统为案例，采用LCA方法框架，对比钢渣道砟（SSB）与传统天然骨料道砟在1 km铁路轨道、8年参考服务期内的全球变暖潜势（GWP），并同步进行生命周期成本（LCC）分析。研究的功能单元为1 km铁路轨道，参考服务期基于合作铁路公司的维护实践设定（每4年维护、8–12年更换）。SSB初始用量为3344吨，考虑更新作业后总用量5016吨；天然骨料道砟初始用量2836吨，总用量4254吨。
研究采用的主要技术方法包括：（1）热重分析（TGA）——通过对钢渣表面碳化区（CA）与未碳化区（UC）粉末样品的TG/DTG曲线分析，在400–860°C温度范围内测定CaCO?脱碳对应的CO?质量损失，通过差值计算CO?吸收量；（2）三维扫描技术——使用NextEngine 3D扫描仪结合MeshLab软件测定10个道砟样品的比表面积，基于等效球体几何模型估算1 mm碳化壳层厚度下的碳化体积与CO?吸收量；（3）生命周期清单（LCI）建模——SSB数据来自合作钢厂提供的一手技术报告，天然骨料数据采用Rosado等（2017）针对巴西东南部玄武岩采石场的研究数据，排放因子取自IPCC报告、巴西MCTI数据；（4）敏感性分析——检验SSB运输距离和碳化深度两个关键参数的影响；（5）生命周期成本（LCC）模型——考虑骨料购置、运输、安装和更新四阶段成本，采用净现值（NPV）方法折算未来支出。
**三、主要研究结果**
**3.1 钢渣道砟的CO?吸收量**
研究表明，在假设1 mm碳化壳厚度、颗粒密度2.98 g/cm3和TGA测定的13.04% CO?质量分数的条件下，SSB的平均CO?吸收量为17.7 kgCO?/吨（±4.80 kgCO?/吨），变异系数为27.1%。该值显著低于文献报道的73–250 kgCO?/吨的范围，研究人员认为这主要是由于文献值通常从加速碳化或理论潜力估算，未扣除未碳化样品中固有的碳酸盐，且细颗粒具有更大的比表面积。该值可被视为保守估计，因为未考虑钢渣孔隙率和颗粒破碎产生的额外反应面积。
**3.2 比较生命周期评价**
LCA结果显示，SSB铁路的GWP为?4.82E+04 kgCO?e，天然骨料道砟铁路为1.30E+04 kgCO?e。SSB的净负排放主要源于储存阶段（自然碳化）的CO?吸收，贡献?8.88E+04 kgCO?e。运输阶段是两种道砟CO?排放的最大贡献者，SSB占总排放的95.8%，传统道砟占83.6%。SSB的加工阶段排放比天然骨料低32.7%，归因于设备需求较少。安装阶段两者的GWP相近（8.69E+02 kgCO?e），因为所用机械的柴油消耗相同。维护阶段（4年后进行）由于为纯手工作业，不产生温室气体排放。
**3.3 运输距离与碳化深度敏感性分析**
敏感性分析表明，SSB相对于传统道砟的GWP优势可持续到470 km的运输距离，超过该距离后SSB的环境优势消失。在约400 km距离时，SSB的净影响从负转正，即运输排放超过自然碳化的CO?吸收量。碳化深度敏感性分析显示，在没有碳化的情况下（毛排放），SSB系统的GWP为4.06E+04 kgCO?e，约为天然骨料系统的3.1倍；碳化深度仅需0.3 mm（相当于吸收5.5 kgCO?e/吨）即可使两种骨料性能持平；碳化深度达到0.50 mm时，SSB的GWP降至?4.51E+03 kgCO?e。
**3.4 财务分析**
LCC分析表明，SSB铁路的生命周期成本比传统道砟铁路低32%。运输阶段在SSB生命周期成本中占比最高（89%），而传统道砟这一比例为28%，这反映了SSB更长的铁路运输距离和更大的材料质量。SSA购置价格远低于天然骨料是财务优势的主要驱动因素。敏感性分析显示，当SSA价格达到天然骨料价格的约47%时，两种方案的生命周期成本达到平衡。
**四、讨论与结论**
讨论部分指出，本研究的LCA结果基于特定巴西案例和排放因子而非完整LCI数据库，因此不代表骨料替代方案的总体环境表现，未涵盖资源利用、颗粒物形成、酸化、浸出、富营养化、毒性和水资源使用等其他影响类别。CO?吸收量的大小取决于碳化假设、系统边界和SSA特性。SSB与传统道砟在长期维护频率上的不确定性仍需进一步现场验证——SSA较高的力学性能是积极因素，但其细粒胶结能力是消极因素。本研究建议未来扩展至多影响类别评估，进行维护频率和预期使用寿命的现场验证，并探索SSB再利用的可能性以扩展到“摇篮到摇篮”方法。
研究结论如下：本研究旨在评估钢渣道砟（SSB）作为传统天然骨料道砟替代方案的环境和经济性能，以巴西铁路案例为条件。研究采用“摇篮到坟墓”方法的比较生命周期评价（LCA）框架，考虑1 km轨道和8年参考服务期的功能单元，聚焦全球变暖潜势（GWP）。钢渣骨料（SSA）的自然碳化经实验量化并纳入LCA，同时进行生命周期成本（LCC）分析以比较两种方案的经济表现。主要结果如下：在设定条件下，SSA自然碳化相关的CO?吸收量估计为17.7 kgCO?/吨（±4.80 kgCO?/吨）；在8年参考期内，使用SSB和传统道砟的1 km铁路生命周期CO?当量排放分别为?4.82E+04 kgCO?e和1.30E+04 kgCO?e；CO?吸收是SSB具有更低GWP的主要原因；运输阶段是两种道砟CO?排放的主要贡献者；SSB在运输距离达470 km时仍保持排放优势，运输距离约400 km内实现净负排放；在参考成本假设下，SSB铁路的生命周期成本比传统道砟低32%，SSB在SSA购置成本达到传统骨料的约47%之前保持财务优势。该研究通过将实验量化的自然碳化与铁路特定环境和经济评估相结合，为SSA作为铁路道砟的价值化提供了实证支持，证明在设定条件下SSB可同时实现较低的生命周期成本、减少对天然骨料开采的依赖以及通过自然碳化实现可测量的CO?吸收，为钢渣从废物流向有价值二次资源的转型贡献了案例特定证据。
