比较案例研究：包含RAP和WMA的沥青混合料的从摇篮到坟墓的生命周期评估（LCA） 作者：Ibrahim Elnaml、Louay N. Mohammad、Heather Dylla、Moses Akentuna 和 Samuel Cooper III

《Clean Technologies》：A Comparative Case Study: Cradle-to-Grave LCA for Asphalt Mixtures Containing RAP and WMA Ibrahim Elnaml, Louay N. Mohammad, Heather Dylla, Moses Akentuna and Samuel Cooper III

　　亮点
主要发现是什么？
WMA在评估的路段中将A阶段（生产和施工）的温室气体（GHG）排放量减少了5%。
提高RAP的比例每增加1%，A阶段的GHG排放量减少0.9%（从15%增加到30%的RAP比例）。

主要发现的意义何在？
在高速和交通量大的情况下，使用阶段的排放可能会占主导地位，并抵消材料/施工节约带来的减排效果。
结合使用WMA和高比例的RAP能够实现最低的从摇篮到坟墓的总体GHG排放。

摘要
2022年，美国交通运输部门贡献了全国温室气体（GHG）排放量的三分之一。因此，路易斯安那州交通与发展部（DOTD）启动了由联邦资金支持的生命周期评估（LCA）模型研究，以量化含有再生沥青路面（RAP）和温拌沥青（WMA）技术的沥青路面的整体环境影响。本研究基于在寿命结束时100%回收RAP的假设，采用了闭合循环回收方法，符合路易斯安那州的当前实践。研究数据来自DOTD的LaPave数据库中服役时间长达16年的五个路段。LCA框架遵循ISO 14040标准，包括从摇篮到坟墓的系统边界定义、基于在役路段的功能单元、从公共数据库和现场性能记录中获取的库存数据，以及基于路面-车辆互动的使用阶段建模。公共数据集被用来量化整个生命周期阶段的GHG排放量。结果表明，WMA添加剂使生产和施工阶段的GHG排放量减少了5%；然而，由于路面粗糙度的影响，RAP比例每增加1%，材料/施工阶段的GHG排放量可能会增加约0.9%。结合使用WMA和RAP的混合物在所有研究的混合物中GHG排放量最低，这促进了可持续路面战略的整合。

1. 引言
交通运输部门对美国温室气体（GHG）排放贡献巨大，因此需要更多可持续的路面创新。虽然大多数先前的研究仅限于从摇篮到大门的环境生命周期评估（LCA），通常只包括材料生产、运输和施工阶段（分别对应A1、A2和A3阶段），但本研究采用了闭合循环回收方法，对含有RAP和WMA技术的沥青路面进行了全面的从摇篮到坟墓的LCA，明确纳入了使用阶段（B）和寿命结束阶段（C）。与许多依赖假设性能或设计寿命情景的先前提 paper 不同，本研究整合了在役路面的长期现场性能数据，从而可以直接量化与表面粗糙度和耐久性相关的使用阶段影响。此外，还评估了采用RAP和WMA技术的沥青混合料的环境影响。

除了量化整个生命周期阶段的环境影响外，本研究还根据反映长期现场性能的敏感性分析提供了减少GHG的实际建议。具体来说，优化WMA和高比例RAP的组合可以降低总体GHG排放量。同时，提高运输效率和沥青厂运营也被推荐。本研究为各州交通部门（DOTs）实施更可持续的路面实践提供了重要路线图，直接支持国家在交通运输领域减少GHG排放的雄心勃勃的目标。

2. 研究方法
本研究采用闭合循环回收方法，对沥青路面进行了全面的从摇篮到坟墓的LCA分析。研究方法包括ISO 14040规定的四个步骤：定义目标和范围、收集数据库存、进行环境影响评估以及整合所有步骤（图1）。

2.1. 目标和范围
本研究的目标是：
- 对路易斯安那州采用RAP和/或WMA的沥青路面项目进行从摇篮到坟墓的LCA；
- 比较含有RAP/WMA的沥青混合物与传统不含RAP或WMA的混合物的GHG排放量；
- 通过LCA内的敏感性分析，提出减少GHG排放的各种方案和建议。

为了实现这些目标，本研究选择了两个沥青路面项目（位于LA 3121和US 90路线上），这些项目包含五个RAP和/或WMA沥青混合物路段（图2）。所有项目均采用2英寸厚的铺装层，位于路易斯安那州。研究使用了LCA Pave软件进行LCA建模，并采用了“化学和其他环境影响减少与评估工具（TRACI v.2.1）”作为特征因子框架。为了量化LCA的输入和输出，物理量和几何单位分别按照声明单位和功能单位进行标准化。声明单位（物理量）用于表示生产的沥青混合物的A1、A2和A3子阶段，单位为短吨（907.18公斤）。功能单位（几何单位）用于表示A4和A5子阶段以及B和C阶段，单位为实际路面使用寿命内的车道公里数。

2.2. 数据库存
为了量化潜在的环境影响，生命周期库存依赖于“美国生命周期评估中心（ACLCA）开放标准”和TRACI推荐的公共背景数据集。此外，还从材料供应商、项目承包商以及路易斯安那州交通与发展部（DOTD）维护的路面管理系统（PMS）获取了特定场地的数据。在收集LCA数据库存时，考虑了数据质量和数量的有效性。

A阶段（生产和施工阶段）包括五个子阶段：
A1：原材料制造；
A2：原材料运输至沥青厂；
A3：沥青混合物生产；
A4：沥青混合物运输至现场；
A5：铺设和施工设备及人员调动。

表2列出了沥青混合物各组分的资料来源和质量信息，表3则展示了数据数量。LCA Pave软件使用从1（最高质量）到5（最低质量）的定性评分系统进行元分析，评估标准包括可靠性、TRACI兼容性、代表性、数据时效性、制造技术、审查状态和数据完整性。这些元分析结果取平均值并进行了加权处理。

2.2.1. WMA生产排放
敏感性检查表明，WMA生产过程中CO2eq值的合理变化对总体从摇篮到坟墓的GHG结果影响较小，低于混合温度降低和RAP含量增加带来的减排效果，因此不会改变研究的主要结论。表4展示了本研究中使用的化学WMA添加剂的组分、制造过程中消耗的电能以及相关的GHG排放量。

2.2.2. ...（此处内容似乎不完整，未提供后续内容）交通运输（子阶段A2和A4）
运输材料（A2）和沥青混合物（A4）被认为涉及空返回运输，与装载运输相比，空返回运输的燃油消耗较低。因此，在评估环境影响时，表3中的运输距离对于卡车增加了80%，对于火车增加了50%。驳船返回因素受地理位置的影响较大。尽管通常假设默认值为40%，但有文献记载在密西西比河下游的运营中这一因素较高，为46%，因此本研究认为使用这一较高的值更为合适。这些因素被作为距离乘数来近似计算空返回运输的额外燃油使用量和排放量，这与表5中列出的装载与空返回运输的燃油效率比率一致。

2.2.3. 沥青厂（子阶段A3）
NAPA报告称，燃烧器燃料通常占沥青厂总能源使用量的80%。然而，燃烧器的效率会随时间显著下降，例如在使用7年后，燃烧燃料的效率通常会降低50%，这意味着50%的燃料会被浪费[37]。因此，同一公司的不同沥青厂的温室气体排放量可能会有很大差异。在这项研究中，使用了生产公司Prairie Contractors, LLC发布的环境产品声明（EPD）报告——该公司的沥青厂位于路易斯安那州奥普卢萨斯市亨廷顿街1334号[22]，生产的是不含WMA的传统沥青混合物。值得注意的是，该沥青厂是固定式滚筒拌合厂。然而，通过使用WMA降低沥青混合温度，燃烧器可以消耗更少的燃料。将沥青混合温度降低100华氏度可以减少55%的燃烧器燃料消耗和45%的CO2eq排放量[28]。这种温度与排放量之间的比例关系适用于热拌沥青和WMA的生产，因为这两种混合物都是在相同的操作条件下生产的。因此，根据FHWA的指导，将沥青混合温度降低1摄氏度可以使A3子阶段的CO2eq排放量减少1.2%。这一比例关系是基于同一工厂和相同燃料类型的假设得出的[26]。

2.2.4. 沥青混合物烟雾
在沥青混合物的生产和施工过程中（子阶段A3、A4和A5），含有CO2eq气体的烟雾会持续从热沥青混合物中释放出来，CO2浓度是通过施工期间使用便携式气体分析仪进行的现场测量获得的。烟雾蒸发持续时间分别为：A3阶段为每分钟混合时间，A4阶段为每分钟运输时间，A5阶段为每分钟铺设和施工时间，直到沥青混合物冷却到140华氏度。沥青混合物冷却的时间是通过沥青路面冷却工具（PaveCool v 3.1）根据材料类型和混合温度计算得出的[38]。测得的CO2浓度（mg/m3）被平均到每个路面部分，并与估计的排放持续时间相结合，以量化与烟雾相关的排放量。然而，根据数据插值分析[39]，当沥青混合物温度降至140华氏度以下时，释放的烟雾被忽略。在这项研究中，分析仅基于之前研究[39]收集的数据进行。CO2eq浓度是使用Fluke 975V AirMeter?（Fluke Corporation，美国华盛顿州埃弗雷特）和Velocity Probe（Fluke Corporation，美国华盛顿州埃弗雷特）[40]测量的。CO2eq浓度以每立方米百万份或每立方米毫克CO2eq（mg/m3）为单位进行测量。CO2eq浓度读数在子阶段A4和A5期间被记录下来，并对每个子部分进行了平均，如表3所示。蒸发的CO2eq重量是通过将其浓度（重量/体积）乘以受影响空气的体积来 quantified 的。该体积是通过车道里程的面积乘以高度计算得出的。高度是通过将估计的蒸发时间乘以假设的平均蒸发速度0.3米/秒计算得出的。公式（1）表示了这些参数的组合，用于确定蒸发的CO2eq的重量。值得一提的是，沥青混合物烟雾产生的温室气体排放被计入子阶段A3、A4和A5的总排放量中，与其在该研究中的相应贡献相符。

**阶段B：使用阶段**
阶段B涵盖了从道路开放使用到关闭进行铣刨的所有与路面相关的温室气体排放。阶段B包括四个部分的排放：
B1：路面-车辆相互作用，
B2：反照率效应，
B3：维护，
B4：修复工作。
所研究的现场项目并未经历阶段B的所有子阶段；记录显示自施工以来没有进行任何维护，例如碎石封层（B3）或修复，例如添加沥青覆盖层（B4）。此外，根据DOTD路面设计师的说法，所研究的现场项目（2英寸的路面表层）不预计需要进行维护。相反，当国际粗糙度指数（IRI）达到200英寸/英里时，即粗糙度（RUFF）指数降低了70%，它们将被铣刨并重新铺设[41]。因此，在本案例研究中，只考虑了阶段B中的B1和B2。

**B1：路面-车辆相互作用（PVI）**
预计路面与车辆之间的三种主要相互作用会增加燃油消耗和温室气体排放；见图4[42]：
- 表面纹理：路面表面存在的不平整或不规则性[43]。
- 微纹理（ agregate表面缺陷，波长=0–0.5毫米），负责摩擦。
- 宏纹理（小的路面表面缺陷，波长=0.5–50毫米），负责抗滑性。
- 科宏观纹理（大的路面表面缺陷，波长=50–500毫米），导致车辆悬架系统振动。
粗糙度：衡量表面不规则性的指标，其尺寸特性影响车辆行为、乘客舒适度以及产生的动态力，增加行驶阻力，从而消耗更多燃料并排放更多温室气体[43]。粗糙度值通常以每公里米（m/km）或每英里英寸（in/mi）为单位报告。
- 变形：在负载作用下（例如车辆重量）路面的垂直变形。这种变形是衡量路面结构响应及其在不发生过度变形的情况下支撑负载能力的指标[44]。变形使用落轮测歪仪等设备测量，单位为毫米或英寸。
几个因素影响由表面纹理、粗糙度和变形引起的路面-车辆相互作用（PVI）对路面整体环境足迹的贡献。这些因素包括路面的年龄、表面特性、结构属性（刚度和粘弹性）、当地气候、车辆类型、速度和交通量[45]。过量燃油消耗指的是在完美光滑且刚性路面上行驶所需的燃油量之外的额外燃油消耗。路面表面纹理由表面的内在平滑度和维护频率决定。确保足够的表面摩擦对于安全制动和转向至关重要[46]。尽管表面纹理对安全非常重要，但研究表明其对燃油消耗的影响微乎其微[47]。由于在研究路段中预期的变形没有变化，并且建模变形对燃油消耗影响的不确定性，因此本研究忽略了变形的影响。图4[42]中展示了PVI机制的影响，显示在弹性弹簧和阻尼器上。

**粗糙度的影响**
粗糙度受施工初期粗糙度的影响，会导致轮胎振动，通过摩擦耗散能量。粗糙度增加会导致滚动阻力增加，从而使发动机需要消耗更多功率来保持速度。此外，粗糙度增加还需要增加悬架系统的活动来吸收颠簸和震动，这通过减震器和弹簧振荡消耗能量。此外，粗糙度增加还会破坏车辆周围的气流，增加空气动力阻力，需要额外的发动机功率来克服。因此，由于粗糙度增加，车辆会消耗更多的燃料并产生更多的温室气体排放。麻省理工学院（MIT）的模型被用来量化与路面粗糙度增加相关的额外燃油消耗和温室气体排放[48]。该模型量化了由于粗糙度变化（碾磨前后的IRI）和交通特性（速度、日均交通量、增长率和重型卡车比例）引起的额外温室气体排放。在本研究中，模型输入包括随时间变化的IRI（测量和DOTD预测的）、运营速度、日均交通量（ADT）、卡车比例和交通增长率（表6），这些输入被用来估算额外燃油消耗，并根据模型程序将其转换为CO2eq[47]。使用MIT模型对弗吉尼亚州交通部的路面网络进行了表征；尽管该模型依赖于简化的结构、气候和负载输入，但认为它适用于本研究[49]。表6列出了从PMS数据库获取的施工、交通和粗糙度详细信息。DOTD的PMS数据库每半年使用Fugro的Automatic Road Analyzer（ARAN）车辆测量每个0.1车道里程的IRI值。这些IRI值被转换为粗糙度（RUFF）指数值，范围从0到100，表示测量到的粗糙度的严重程度。值得注意的是，RUFF指数为100表示新建沥青路面的平均IRI范围为0到50英寸/英里。IRI值为200英寸/英里的路面被赋予RUFF指数为70。表6展示了所研究现场项目每个子部分的平均IRI记录。同样，也收集了交通速度、ADT、交通增长率和卡车交通比例数据，用于计算等效标准轴载（ESALs）[6]。

**B2：反照率效应**
反照率效应描述了重新辐射的入射太阳辐射的比例，以每单位地表面积的能量变化来衡量，与CO2eq浓度密切相关[50]。沥青路面的反照率比率范围在5%到20%之间[51]。归因于反照率变化的辐射强迫可以通过气象模型表示为CO2eq当量[52]，但这一因素在研究中被排除。这一排除是基于理论预期，即研究路段之间的反照率差异可以忽略不计。因为所有评估的路段都是具有相似表面外观且没有反射处理的沥青磨损层，所以假设反照率差异可以忽略；因此，按照[51]中描述的方法，反照率路径被排除在外。

**阶段C：寿命末端**
阶段C代表沥青路面的寿命结束阶段。它包括三个子阶段：
C1：拆除/铣刨
拆除/铣刨现有沥青路面的上层，包括铣刨设备的燃油消耗、老化沥青材料的处理和加工过程中产生的排放，以及现场设备的调动。
C2：运输铣刨材料
铣刨的材料将被运输到沥青厂进行加工，然后回收利用。
C3：加工铣刨材料
将铣刨的材料加工成再生沥青路面（RAP）和/或处置未回收的铣刨材料。
对于本研究的目的，假设100%的铣刨沥青（RAP）都被回收利用。这一假设基于路易斯安那州当前的实际情况，即已建立的回收利用和再利用（RAP）实践使得几乎没有任何材料被送往垃圾填埋场。因此，生命周期结束（第三阶段C）的分析没有包括与材料处置相关的环境负担。需要注意的是，较低的RAP回收率会增加第三阶段的排放量，并减少本研究中观察到的净环境效益。这一关键假设定义了本生命周期评估（LCA）的系统边界，对于具有回收循环特性的“从摇篮到坟墓”（cradle-to-grave）研究至关重要。

表7展示了第三阶段各个子阶段的设备、能源消耗、等效二氧化碳当量（CO2eq）、数据来源以及数据质量分析。

2.3 第三步：环境影响分析
每个LCA子阶段收集的生命周期清单数据都经过了环境影响分析。本研究利用了公开可用的背景数据集和TRACI来评估潜在的环境负担。这些影响的评估采用了美国环境保护署（EPA）专门为道路LCA开发的增强型谱系矩阵[45]。由于缺乏全面的行业范围综合生命周期清单，本研究使用了LCA Pave中公开可获取的环境影响数据。物流距离是根据材料供应商和沥青生产设施的空间位置计算得出的。为了评估与路面材料相关的环境影响，LCA Pave工具使用了TRACI 2.1，这是一种由EPA开发并得到ISO认可的方法，用于计算中间指标[16]。

表8展示了LA 3121路段L7015段的温室气体（GHG）排放计算示例。子阶段A2由于从其他州进口原始集料的长距离运输而对温室气体排放的贡献最大，其次是子阶段A1，因为沥青粘合剂的精炼和制造过程产生了排放。子阶段A4是A阶段中温室气体排放最低的，这是因为沥青制造设施与项目地点之间的距离较短。

表9展示了L7015路段B和C阶段的温室气体排放计算结果。值得注意的是，在使用阶段（B阶段），仅考虑了路面粗糙度，并将其标准化为短吨。这种标准化是有意为之，以确保从材料生产（A1-A3阶段）到使用阶段（B阶段）所有生命周期阶段的功能单位一致，从而能够进行统一的、以材料为中心的分析。通过将所有排放量统一到每吨路面材料的单位，研究为比较各阶段的相对环境贡献提供了直接且连贯的基础。这种方法与研究的核心目标一致：评估路面材料本身的生命周期环境影响，而不是关注交通性能，后者虽然相关但属于不同主题。这种标准化用于在整个案例研究中实现各阶段之间的一致性比较；然而，B阶段和C阶段的结果基本上是由车道里程和服务寿命的功能单位决定的。

研究通过详细的分配方法讨论了回收利用的环境效益。表8详细说明了回收沥青路面（RAP）的铣刨、运输和初步处理过程中的排放是如何分配到生命周期结束（EOL）阶段（C1、C2和C3）的。然而，进一步处理RAP以使其能够融入新混合物所需的任何额外处理工作被分配到了材料生产阶段（A1），如表7所示。这种方法与“从摇篮到坟墓”的回收模型一致，该模型将准备可重复使用材料的环境影响归因于新产品的生产，确保了整个LCA的一致性和可重复性框架。

2.4 第四步：解释
图6展示了研究中的实地项目A阶段的温室气体排放情况。与不含WMA的L7015路段相比，含有WMA的L7015W路段的生产（A3）和施工（A5）阶段的温室气体排放减少了5%。当RAP的使用量从15%增加到30%时，L7015W路段与L7030W路段相比，温室气体排放减少了13%。这意味着每增加1%的RAP含量，A阶段的温室气体排放大约减少0.9%。观察到WMA带来的A阶段温室气体排放减少主要是由于混合和压实温度的降低，这减少了沥青生产过程中的燃烧器燃料消耗及相关的二氧化碳排放，这与先前的研究结果一致[8,26]。同样，RAP通过减少对原始沥青粘合剂和集料的需求来降低材料阶段的排放，而这些是沥青混合物中最耗能和富含碳的成分[7,11]。当WMA和高RAP含量结合使用时，可以实现总体温室气体排放的减少，正如L7030W路段与其他研究路段相比所示。这进一步表明，WMA在本研究中的环境效益主要来自于生产和 construction 过程中的热能节省，而不是添加剂制造过程中的不确定性。

图7展示了研究中的实地项目B阶段的温室气体排放情况。当WMA被加入沥青混合物时，PVI产生的温室气体排放减少了。具体来说，在U7615W路段中加入WMA使温室气体排放减少了50%，这是由于粗糙度的显著差异。然而，当RAP含量从15%增加到30%时，粗糙度增加，导致L7015W路段与L7030W路段相比温室气体排放略有增加。观察到的粗糙度增加是特定于所评估的实地路段的，可能受到混合物设计、施工方法、老化以及现场粗糙度测量固有变异性的影响。这并不代表RAP含量增加的一般效应。从机械角度来看，表面粗糙度的增加通过增加滚动阻力和车辆悬挂系统的活动来放大路面-车辆相互作用，从而导致更高的燃料消耗和温室气体排放，正如先前的研究报道的[41,47]。这些效应在更高的运行速度和交通流量下变得更加明显，这解释了US-90路段使用阶段影响的主导地位。

图8展示了研究中的实地项目C阶段的温室气体排放情况。US 90路段的排放量低于LA 3121路段，主要是因为调动铣刨机所需的距离较短。同样，在US 90路段运输铣刨后的材料所产生的温室气体排放也较少。当使用WMA和RAP时，整体温室气体排放有所减少。具体来说，在L7015W和U7615W路段使用WMA分别使温室气体排放减少了10%和12%，而不含WMA的L7015和U7615路段则没有这种减少。此外，在L7030W路段使用30%的RAP含量使温室气体排放减少了12.4%，而L7015W路段使用15%的RAP含量时则没有这种减少。这些减少与先前的LCA研究结果一致，表明在生命周期结束时回收利用沥青材料可以抵消与生产原始材料相关的排放，特别是在实现高回收率的情况下[11,52]。

图9展示了研究中的实地项目A、B和C阶段的温室气体排放情况。B和C阶段的温室气体排放是按功能单位（车道里程年）估算的，然后转换为声明单位（短吨）以便于进行清晰的总体比较。功能单位被转换为声明单位以便于与现场测量结果进行比较，因为其规模较小。L7030W路段在所有研究路段中显示出最低的温室气体排放，这归功于其使用了WMA和高RAP含量（30%）。

3. 结论
本研究应用了ISO 14040标准的从摇篮到坟墓的LCA方法，对路易斯安那州的五个在役沥青路面路段进行了分析，量化了材料生产、施工、使用和生命周期结束阶段的温室气体（GHG）排放。该分析整合了长期的实地性能数据、路面-车辆相互作用模型以及闭环回收假设，以评估RAP和WMA技术的环境影响。通过对路易斯安那州DOTD两个实地项目中的五个路段进行全面的从摇篮到坟墓的LCA分析，结果表明WMA有效地降低了生产、施工和使用阶段的排放。增加RAP含量显著减少了材料和施工阶段的排放，尽管应考虑粗糙度相关使用阶段排放的潜在增加。WMA和高RAP含量的结合带来了最显著的总体排放减少，突显了综合可持续路面实践的有效性。在对研究结果进行解释和深入分析后，得出了以下结论：
- 使用WMA在生产（A3和A5阶段）期间减少了大约5%的温室气体排放，主要是因为较低的沥青混合和压实温度减少了燃烧器燃料消耗。
- WMA还通过改善表面平滑度，在某些路段中将使用阶段（B阶段）的温室气体排放减少了高达50%，从而降低了路面-车辆相互作用和额外的燃料消耗。
- 增加RAP含量带来了显著的材料阶段效益；每增加1%的RAP含量，材料和施工阶段的温室气体排放大约减少了0.9%，主要是通过抵消原始沥青粘合剂和集料的producción。
- 在特定实地路段中，高RAP含量与表面粗糙度的增加有关，这导致使用阶段的温室气体排放增加，因为滚动阻力和车辆能量需求增加。
- 同时含有WMA和高RAP含量的沥青混合物实现了最低的总体从摇篮到坟墓的温室气体排放，表明结合材料和降低温度的策略比单独使用任何一种方法都更有效。
- 需要注意的是，本研究的发现受到地区特定假设的影响，包括RAP市场的可用性、假设在生命周期结束时100%再利用的闭环回收情景、路易斯安那州特有的交通负荷、气候条件以及路面管理实践。因此，在具有不同条件的地区推广这些发现时应谨慎行事。本研究主要关注了沥青摊铺层，因为表面粗糙度和纹理主要影响路面-车辆相互作用和使用阶段的温室气体排放。如果将分析扩展到整个路面结构，由于额外层次的存在，材料阶段的排放会增加，而使用阶段的趋势仍主要由表面层的特性控制。
- 未来的研究应包括更广泛的材料，例如添加了橡胶、塑料、回收剂或其他添加剂的沥青粘合剂。此外，还应使用不同的模型来量化使用阶段的温室气体排放，包括考虑挠度和反照率效应的模型。还可以通过比较现场温室气体排放测量来验证这些模型。