《Journal of Cleaner Production》：Environmental performance of bamboo winding composite pipe (BWCP): A life cycle assessment compared to conventional pipe materials
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摘要竹缠绕复合材料管道（BWCP）是一种新兴的生物基管道基础设施替代材料。本研究通过"从摇篮到坟墓"的生命周期评价（LCA）评估了BWCP的环境绩效，并在统一的埋地管道功能条件下将其与聚氯乙烯（PVC）、高密度聚乙烯（HDPE）、钢筋混凝土（RC）和球墨铸铁（DI）管道进行比
摘要
竹缠绕复合材料管道（BWCP）是一种新兴的生物基管道基础设施替代材料。本研究通过"从摇篮到坟墓"的生命周期评价（LCA）评估了BWCP的环境绩效，并在统一的埋地管道功能条件下将其与聚氯乙烯（PVC）、高密度聚乙烯（HDPE）、钢筋混凝土（RC）和球墨铸铁（DI）管道进行比较。功能单位定义为长度1米、内径1.4米、环刚度9.43 kN/m2、设计使用寿命超过50年的管道。环境影响评估采用ReCiPe (H) 中点和终点方法，并对功能单位换算和生命周期终期假设进行了敏感性分析。结果表明，在五种管道材料中，BWCP的总环境影响最低，综合评分为31.6 Pt，分别比PVC、HDPE、RC和DI管道低67%、26%、17%和58%。与PVC、HDPE和DI管道相比，BWCP的全球变暖潜势分别降低了62%、43%和27%。生产阶段是BWCP环境影响的主要贡献者，主要源于树脂生产和固化用电。工艺改进情景分析表明，减少树脂消耗和固化用电可进一步降低总影响约12%。这些结果表明，BWCP是埋地管道应用中一种极具前景的低环境影响替代材料。
引言
《2025年全球临界点报告》（《全球临界点报告2025》；埃克塞特大学英国全球系统研究所，2025）警告称，地球系统正迅速逼近临界阈值，预计到本十年内全球变暖将超过1.5°C阈值。这一超限将显著增加不可逆风险——包括极地冰盖崩塌、亚马逊雨林退化以及海洋环流紊乱——并可能引发连锁性的系统性崩溃。历史上，建筑和基础设施领域是全球能源消耗和环境排放的主要贡献者之一（Hussain等人，2023；Jackson和Brander，2019；Wei和Chen，2020）。因此，加快向低碳和韧性基础设施转型已成为应对深度脱碳日益紧迫需求的迫切任务（Wang等人，2024；Yan等人，2022）。这一转型日益聚焦于将可再生和低环境影响材料整合到建筑环境中（Chen等人，2025；Liang等人，2022）。在此背景下，管道系统作为城乡供水、排水和污水处理的关键设施，在确保基础设施功能方面发挥着不可或缺的作用。管道建设的材料选择对土木基础设施的全生命周期环境足迹有着重大影响（Chohan等人，2023；Hajibabaei等人，2018；Shi等人，2019）。
传统上，管道材料的选择基于耐久性和成本效益。目前，PVC和HDPE管道因其耐腐蚀性和安装便捷而在市政供水和污水系统中占据主导地位（Alhatti等人，2025；Marson等人，2021）。球墨铸铁（DI）管道（He等人，2024）因其优异的机械强度而广泛应用于高压应用，而钢筋混凝土（RC）管道则适用于超大直径或重力流系统（Younis等人，2021）。然而，这些传统材料存在不可忽视的环境缺陷。PVC和HDPE是基于化石燃料的聚合物，其生产伴随着高温室气体（GHG）排放和不可再生资源的消耗（Istrate等人，2021；Nguyen等人，2020）。另一方面，金属和水泥基管道的生产能耗极高，对碳排放和原材料枯竭贡献巨大（Balasbaneh和Ramli，2020）。这些关切促使人们越来越关注既能满足性能要求又能降低全生命周期环境负担的替代管道材料。
近年来，竹缠绕复合材料管道（BWCP）作为一种有前景的生物基管道基础设施替代材料而崭露头角（Chen等人，2019、2021；Xia等人，2025）。BWCP于2010年左右在中国开发，利用可再生竹子作为主要增强材料。管道通过螺旋纤维缠绕、树脂浸渍和热固化工艺制造，形成多层复合结构（Chen等人，2021；Xia等人，2025）。通过将高强度天然纤维封装在保护性基体中，BWCP充分利用了竹子的优异比强度，同时克服了原竹结构耐久性不足的问题。BWCP能够满足基础设施应用的力学要求，而重量仅为传统金属或混凝土管道的一小部分（Wang等人，2023）。值得注意的是，该技术能够生产直径范围广泛（从<0.2米到数米）和多种形状的管道，凸显了其制造的灵活性（Li等人，2025；Nie等人，2022）。如图1所示，BWCP已在中国进入工业化生产阶段，并广泛应用于各种工程领域，包括污水处理系统、饮用水供应、农业灌溉和混合结构构件（Chen等人，2021；Wang等人，2023）。表1比较了BWCP与主流传统管道材料的基本特性。
BWCP的主要原料毛竹生长周期短，通常3至5年即可成熟，且由于其强大的再生能力，可从已建立的竹林中反复采收。在生长过程中，竹子能固存大气中的碳并将其部分储存在生物质中，同时竹基材料也具有潜在的可生物降解性。早期研究已开始记录竹缠绕复合材料管道的潜力。Chen等人（2021）回顾了BWCP的可持续性与创新性，强调了其相对较低的能源需求和碳储存潜力。Shi等人（2019）对供水系统中BWCP与PVC管道进行了对比生命周期评价（LCA），显示用BWCP替代PVC可大幅降低环境影响，累计能源需求降低3.4倍，总环境负担减少约7倍。需要注意的是，尽管其研究提及了竹子在填埋条件下的长期稳定性，但对生物源碳储存及其后续释放的量化处理并未明确定义。尽管这些发现令人鼓舞，但BWCP在LCA文献中的代表性仍然不足。以往的研究通常聚焦于狭窄的对比，主要与PVC管道进行比较，或孤立地评估特定产品属性。目前仍缺乏在一致的功能单位和系统边界下，将BWCP与更广泛范围的常规管道材料（包括塑料、金属和混凝土）进行系统对比的LCA研究。这一知识空白限制了对BWCP环境价值的全面理解，并制约了其作为主流替代管道材料的更广泛采用。
在此背景下，本研究对BWCP进行了"从摇篮到坟墓"的LCA，并在统一的埋地管道功能条件下将其与PVC、HDPE、钢筋混凝土和球墨铸铁管道进行比较。环境影响采用ReCiPe (H) 和终点方法进行评估，并进行敏感性分析以考察功能单位换算和生命周期终期假设的影响。此外，还对工艺改进情景进行了评估，以识别降低BWCP生产环境负担的主要机会。本研究为评估BWCP作为常规管道材料的低环境影响替代方案提供了系统基础，并为未来在供水、排水和基础设施系统中的材料选择提供了支持。
章节摘要
材料
本研究聚焦于BWCP的生命周期评价，选择常规管道材料（PVC、HDPE、RC和DI管道）作为对比基准，代表基础设施系统中广泛使用的主要类别。
BWCP生命周期评价方法的建立
生命周期评价（LCA）通常涵盖产品"从摇篮到坟墓"的整个过程，包括原材料提取、制造、运输、使用、维护和最终处置。如图3a所示，该方法的框架由ISO 14040和ISO 14044标准化，通常分为四个阶段：1）目标与范围定义，确定分析目的和系统边界；2）生命周期清单（LCI）分析，
结果与讨论
本节根据第3节所述的方法建立了BWCP和常规管道材料的生命周期清单，然后对环境影响指标进行对比分析，以评估BWCP相对于常规管道替代材料的环境优势。
结论
本研究建立了竹缠绕复合材料管道的"从摇篮到坟墓"生命周期评价框架，并在统一的埋地管道功能条件下将其环境绩效与PVC、HDPE、钢筋混凝土和球墨铸铁管道进行比较。主要结论如下：
功能单位定义为长度1米、内径1.4米、环刚度9.43 kN/m2、设计使用寿命超过50年的管道。PVC和HDPE管道采用基于环刚度的换算
作者贡献声明
陈悦：原创草稿撰写、监督指导、调查研究、形式化分析。王诗琪：审阅与编辑、监督指导、调查研究。夏金：监督指导、调查研究、资金获取、形式化分析、概念构思。周宇：形式化分析、审阅与编辑。王宁：审阅与编辑。王政男：审阅与编辑。
资助
本研究由浙江省交通运输厅科技计划项目（202227）资助。本文所表达的任何研究成果均为作者本人观点，不一定反映资助机构的观点。
利益冲突声明
作者声明，不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
作者衷心感谢来自浙江大学的陈科宇博士、闵万林博士及其他同事在测试和论文撰写方面提供的帮助。
陈悦|王诗琪|夏金|周宇|王宁|王政男
