路面生命周期评价.doc

a.土木与环境工程系,马萨诸塞州大道77号，门牌号5-417,麻省理工学院,剑桥,电话MA 02139-4307,美国b.能源分析系，环境能源技术部门，门牌号90 R4000，劳伦斯柏克莱国家实验室,美国加州大学柏克莱分校，电话CA94720，美国c.土木与环境工程系,迈克劳林大厅215号,加州大学伯克利分校，电话CA94720-1712,美国文章信息 文章摘要文章历史： 在文献上可行的迅速发展的路面生命周期评估套系2010年12月21日收稿 统(LCAs)表现出在提高这项关键基础设施系统方面2011年3月25日收到修订版 人们日益增长的兴趣。现有文献为量化环境影响建2011年3月27日收录 立了一个基础框架,但在为实现可持续性目标的材料 关键词： 选择,维护策略，设计寿命,和其他最佳实践政策方面，寿命周期评估（LCA） 没有得到全球性结论。为了全面量化环境足迹和有 路面 效地引导可持续性努力,功能单位需要规范化、系统气候变化 需要扩大,数据质量和可靠性需要提高,研究范围需要能源 扩展。提高这些缺陷将允许未来的研究执行公平和可沥青 比较的评估,从而形成一套协同的能够连续的建立于混凝土 自身之上的文献,而不是产生独立而又孤立的结论。 这些改进将置路面LCA研究主体于一个更好的位置上，在这个位置它可以自信的引领私营企业和政府机构在成功的路上向可持续发展的目标迈进。目录1. 引文2. 路面LCA文献3. 方法评估3.1. 功能部件相似性3.2. 系统界限相似性3.3. 数据质量和不确定性3.4. LCI和LCA范围4. 讨论和建议感谢参考文献1. 引文道路路面是交通基础设施中关键而又显而易见的组成部分。作为一个网络,全世界道路维持了每年超过九万亿公吨货物上千里的运输和超过十五万亿公里的乘客旅行(BTS,2010分;自动化,2010)。 汽车燃料消耗和汽车尾气排放长期以来一直是旨在减少交通运输活动影响的政府政策关注的焦点。然而,考虑到全球在路面建设和维修方面每年高达4000亿美元的投资(IRF,2010),我们有理由相信路面网络本身代表了一个有重大意义的环境改善机遇。事实上,最近的研究指出,如果道路建设、运营和维护产生的影响被添加到道路上机动车辆导致的能源消耗，温室气体(GHG)排放中去,所产生的环境影响将大约比只考虑机车运行本身所预测的高出10%（Chester and Horvath,2009)。而且已经确定由路面所产生的影响远远不止路面材料的开采和生产这么简单(Santero和Horvath,2009)。 例如,涉及交通延迟，车辆路面交互影响和路面反射的研究显示大有可为的减排机会,尤其是支持模型和科学不断改善。当政策制定者和工程师寻找方法来减少交通运输系统对环境影响时尤其是作为对建立于加利福尼亚的(Nunez and Pavley, 2006)和国际社会通过的京都议定书等温室气体减排目标的响应，关键是整个路面的生命周期作为一个环境改善策略的一部分进行评估。因路面产生的环境影响最好使用一种生命周期评估方法进行特点标记。LCA提供了一个综合方法，这个方法通过一系列包含了人类与自然系统所有重要相互影响的环境度量检验了产品和服务的净环境性能(ISO,2006 a)。当结合生命周期成本分析(LCCA)时,决策者能够更好的确定建议项目或政策的总的影响。LCCA已经广泛应用于交通部门,美国大部分州使用至少某种形式LCCA(Ozbay et al,2004)。将LCA加入他们的工具箱将提高决策者的能力从而达到经济和环境的目标。路面的生命周期划分为五个阶段，正如图1所示:(1)原材料和产品，(2)建设,(3)使用，(4)维护，(5)终止。每一阶段由各种不同部分组成,每一部分都代表了路面和环境之间独特的相互作用。这些成分代表路面影响环境的直接进程；间接和上游过程没有显示出来,但将包括这些成分的支持过程，例如发电和生产燃料。例如,现场设备通过燃料燃烧产生直接的影响,但是也有通过燃料生产，设备制造和其它上游过程产生的间接响。正如图中所描述,在维护阶段也涉及到材料和/或建设活动。虽然是生命周期中一个独特的阶段,但是维修产生的影响从本地成分传到了材料和建设阶段。临终回收通过一种材料反馈回路完成，这种反馈回路涉及维修流程,原料处理和建设活动。Santero和Horvath（2009)详细描述及级量化了每一阶段和组件。这篇文章是第一个分成两个系列旨在评估LCA应用于路面后的当前状况，为工作机构的优缺点提供关键性评论，为提高路面LCAs的可靠性和实用性指明未来的研究方向，而这些涉及到在政策制定和交通运输工程背景下作出决策。工作机构是基于四个关键方法论属性进行评定的:(1)功能部件的相似性；(2)系统边界的相似性；(3)数据的质量和不确定性,(4)环境度量标准。这四个属性对比较和聚集不同研究结果是必需的，同时这些属性使我们能够从集体文献中得到关于不同路面类型对环境影响的一般性结论。这些领域的改进将会提高那些致力于提供实用型环境解决方案的研究的能力。在两系列的第二篇文章提供了相当深入的研究领域,从而为填充路面LCA框架中的鸿沟起着杠杆作用。2.路面LCA文献自从第一篇路面LCAs在1990年中期发表以来，该方法不断获得牵引并作为方法量化路面所造成的环境影响。各项研究已经通过多种媒体出版,包括产业组织, 同行评议期刊和政府报告。文献中文件的精确数量有点让人捉摸不透,这是因为定义何为路面LCA并不像看起来那么明确。理想情况下,一份LCA将详尽的检查产品的生命周期的每个阶段。然而,考虑到时间,数据和知识限制,这个过程对包括路面在内的大部分产品来说是很困难的。事实上所有环境评估因此被迫简化他们的范围并且只审查那些在他们自身条件限制下能够合理完成的阶段和过程。结果形成这样一个路面LCA文献银行，它里面的研究覆盖范围不一，然而没有一个达到最终目标，即形成一个真正而且完整的LCA。然而,许多遵循LCA指导思想、理论、意图的研究足够被认为至少部分属于路面LCAs。这些文件被认为是当前状态路面LCA研究的基础。使事情变得更复杂的是,尽管被作为路面LCAs提出,许多研究仅包含生命周期清单(LCIs)而却并不提供生命周期影响评价(LCIAs)。然而,LCIs被认为是独立的研究，它被管理所有LCA研究(通过ISO国际质量体系认证,2006年)的ISO 14040系列指导方针所支持。由于这一评论的目的，LCI研究会和与他们相对应的LCA一块进行评论，而且通常不会相互区分。LCIA的概念和好处和当前它们怎么应用于路面环境评估中将会在稍后的文章中讨论。本论文中评论的十五篇研究代表了2010年出版的LCA和LCI著作。本评论特别把仅仅专注于路面所使用的回收材料的著作排除出去了。虽然这些作品提供了有价值的见解,他们注定不会是全面的路面LCAs，而仅仅是一个较大产业中利基产品分析。本篇评论的范围也因所使用的文件被认为是研究报告和论文,而不是产业的概况，杂志文章和其他类似的媒体而受到限制。后者资源很少通常很少以研究为导向,因此,并没有很好的从方法论角度进行证明。最后,由于这些研究从属于方法论属性的关键评价，本评论只讨论这些研究的主要方面。关于各项研究的范围，方法和结论的详细总结，读者可参考 Santero et al. (2010)。从表1可以得到一些一般性见解，这些见解是关于和路面LCA文献联系在一起的历史范围与方法。这张表按年代总结了被评估的路面结和分析中使用的LCA方法（进程，产入产出，或者混合）。几乎所有的研究提供一些混凝土和沥青基质路面选择之间的对照，其中研究沥青混凝土(AC)并连接普通混凝土路面(JPCPs)是最常见。这样的比喻是不令人惊讶的是,考虑到这些路面类型的普遍性，而且事实上对交通工程师和城市规划师来说，它们代表了最常见的竞争材料选项，这些对照也就不足为奇。这些对照也借给工作机构一个明确的“混凝土和沥青”的主题。大多数的研究已经采用了一个基于程序的LCA方法,此方法需要对路面寿命周期系统每个进程进行详细的数据采集。只有少数的研究采用基于投入产出或混合LCA的方法。这这三个LCA方法的利弊已经在文献中被广泛的讨论(例如,Hendrickson et al,2006)。 最后,整个研究中关于焦点区域意义重大的多样性可以被观察到。从表1可以很明显看出现行的工作机构是由着重于不同路面类型和应用的研究组成，这些研究使用不同的方法论从而可能对他们的系统界限和结果不确定性产生显著影响，并且其地理范围将会差别很大。第二部分深入探讨了这些研究之间的协同效应和差异，目的是阐明在面向基于LCA的决策时，当前工作机构的优势、劣势和实用性，其中包括他在关于竞争路面材料相关性能方面提供一般结论的能力。考虑到早期的LCA结果和数据可以对随后的针对相同产品体系的LCA研究产生长期持续性影响，对当前拥有足够大样品池的工作机构进行严格评估是必须的。由于原始LCA数据往往难以确定这一事实,在LCA历史上重复着许多这样的例子,即早期作品的数据和结论在后来的研究中被引用或重新部署。事实上,这一严格评估的主要目标就是对当前路面LCA科学结构的研究方向做出评论，并且在成熟阶段及早的提出建议，从而这一领域更好的准备评估和减少路面的环境足迹。3.方法论评估路面LCA文献是通过四个关键方法论属性进行评价的:(1)功能单位的相似性;(2)系统边界的相似性;(3)数据的质量和不确定性;（4)环境度量标准。这四个属性对比较和聚集不同研究研究结果,从集体性工作机构得出不同生命周期阶段，不同生命周期成分和不同路面类型对环境影响的一般结论是必要的。3.1.功能单位的相似性作为一个整体现有的路面LCAs一个主要的缺点是在评估路面时对合适的功能单位缺乏一致意见。例如,Stripple(2001)考察了瑞典的一条公路，它每年允许5000辆汽车通过,设计寿命达40年之久而且必须经受严酷的冻融条件考验,而Horvath和Hendrickson(1998)使用美国的一条典型的两车道高速公路,这条路设计能够抵挡一千万吨标准车轴荷载(ESAL)。这是两种不同的情况，但在随后的LCAs(萨帕塔和Gambatese,2005)中进行了比较和引用。所有研究中的一些关键的定义的功能单位特性在表2列了出来。这些特性代表了文献中所使用功能单位的通用指标。依赖于研究的目标和范围,其他有关参数,如气候、设计规范和当地的施工实践,也被用来定义功能单位。使用不同的功能单元阻止了现有文献为进行比较和对比而进行集合。即使在两项研究中它们的系统边界选择、影响因素和其他可变性来源是相同的,结果会因功能单元的不同而不一致。实际上,路面文献是由一组貌似相似而实则完全不同的研究组成。这种不一致的普遍性使得得出一般性结论(如沥青或者混凝土是否对环境更友好)几乎是不可能的。如果路面LCA文献在关于哪种路面对环境更友好方面达成一致的话，这可以说是解决了区分功能单位的问题。然而,这并非事实,研究结果和结论仍旧互不相同。在本质上,研究中使用的功能单位如此不同不可能实现像苹果之间那么明显的比较。结论只适用于在给定的研究中进行调查的情形。 在跨越区域界线翻译结论时，同样存在问题。表1显示七个国家的起源跨越四大洲。研究地域的可变性将会因不同电力混合，生产实践，维护计划，车轴载荷和其它地区特殊因素使研究结果产生变异。因此,不同的地区研究结果可能无法直接相比较。区分不同功能单元的问题更像是对路面复杂性的鉴定,反而没有显示出路面LCA社区缺乏协调：不能通过一个或几个功能单位轻松定义。这是由于存在这样的事实，即路面结构(即类型、厚度和材料性质)在很大程度上受到了交通特点,环境条件、设计寿命,和其他专案细节影响。这些元素的可变性创造一个情景,在这个情景中两个等长的路面可能拥有完全不同的特点。一种功能部件,简单使用路面结构大小包装功能单位并不能提供足够的信息。尽管货运可以合理的使用公吨每千里准确描述出来，发电量可以使用千瓦时表示，但路面不能被熟练的塞进ESAL(等效单轴荷载)包中使用千米或其他等价物去简化功能单位。考虑到定义一个路面的一大串特性,想要在所有环境评估建立单一的功能单位是不可能的。个别路面LCAs需要建立一个基于研究的目标和范围的独特函数。然而,为定义函数所需要的基础应该描述出一套标准化的特性，从而能够将路面结构及其材料性能，路面性能标准以及外部相关变量如气候准确描述出来。在功能单位中增添灵活性将允许使用一个动态的，并非一成不变的平台对一个很宽范围的路面进行评估，而这个平台在关于研究条件方面提供了很高的透明度。路面LCA先驱者需要意识到当功能单元描述符不同时从一项特殊研究得到的结论可能和另一研究不相关。从业人员应该知道的结论指某一特定研究可能不是有关另一项研究的时候的。灵敏度分析可以帮助确定功能单位有变化时的结论稳定性，从而确定在哪种情景下结论是可用的。3.2.系统边界的相关性任何生命周期方法论的根本宗旨是对一个产品或服务的整个一生进行评价，包括直接和间接影响。概念虽然简单,然而想要对生命周期的各个阶段进行准确建模和分析却因在研究中对系统缺乏了解而且难以获得相关数据而难以实施。由于这些阻碍,现有LCAs采用一种对路面生命周期的短视看法，典型表现为只评估路面材料的开采、生产、运输和位置。图1显示了组成完整生命周期得所有阶段及成分,并且证明环境影响来源于很多因素而不仅仅是上面提到的那些。一些路面LCAs已经扩大了他们范围将交通延误、照明、碳化考虑了进来,但仍达不到一个综合的生命周期的要求。这样做,不仅路面使用不完整信息去做比较,而且有价值的知识在关于减少环境影响的可能方法方面也无用武之地。此外,最近的研究表明通常省略了的阶段和成分对路面影响来说可能是潜在的大(甚至主导)贡献者(Santero Horvath,2009)。 例如,滚动阻力和交通延误可能在数量级上比建设材料和设备更重要，然而当所有的研究专注于后者时却没有研究考虑前者。 表3列出了在现有文献中被评估的生命周期的阶段及成分。材料提取和生产是唯一在所有被审查了的LCAs中都存在成分。很少有人研究将那些材料运输到生产设施和建筑工地上，只有九项LCA涉及了这些。大多数研究都对路面施工现场的设备作了说明,但随后引起的交通耽搁通常都被省略了,尽管它潜在的会对生命周期影响因素产生严重影响(Santero和Horvath,2009)。将交通延迟有效地融入路面LCA框架的能力已经被Lepert和Brillet(2009)和其他人所演示。在被审查了的LCAs中,只有三个考虑了交通延误,但两个只把它应用于初始建设中(Chan, 2007; Huang et al.,2009），剩下的另一个只应用于维护活动中。从系统边界的观点来看，几乎所有研究都省略了使用阶段，这也许是最大的不足之处。路面生命周期的使用阶段包括潜在的影响部分,包括由于路面粗糙度和结构而造成的燃料消耗、城市环岛效应、辐射强迫、混凝土碳化、渗滤液。很少有研究在分析中尝试涉及这一阶段，即便有那些分析也是相当不完整。Hakkinen和Makela(1996)和Treloar(2004)考虑了路面交通中产生的燃料消耗和废物排放,但他们使用了反映总体交通的绝对值而不是单独由路面实际贡献产生的数值。这些数值相对于其他影响因素更有助于理解路面影响，但不应完全归类于路面生命周期:路面及其性质仅导致一小部分车辆燃油消耗,即因路面结构特性和表面纹理等引起的消耗。和反射相关的环境影响(即都市热岛效应和辐射强迫)是当前文献没有讨论到的使用阶段的另一个组成部分。混凝土碳化在其中一项研究中进行了计算(Hakkinen和Makela，1996),并在另一项研究中被定性提到(Stripple,2001),但在其他的研究并未涉及。照明和渗滤液影响分别在一项研究中涉及到。尽管在三分之二的LCA研究中涉及到路面养护，路面养护仍旧复杂得多,相对于一般描述它涉及到一系列事件。通常的方法。准确地预测未来的日常维护活动(包括复原)在路面工程专业领域仍然是一个具有挑战性的任务,但在那个领域的复杂程度已远远超出目前LCA框架中所使用的。结合机理的实证模型和规定的机构的时间表提供了现实预测未来活动的时间和强度的可能性。相反的,在现有的路面LCAs中，维护阶段一般构建成一个简单的在其服务寿命中不断被执行的程序系列。维护阶段有可能成为一个整体环境影响的显著贡献者,然而没有人去努力全面描述它或者决定结果的敏感性从而替换维修时间表。虽然由雅典娜学院(2006)所做的研究承认忽略了小的和例行的日常维护活动如:金刚石研磨和裂纹的密封，但它仍然在将维修时间表融入其中的细节方面提供了一个很好的例子。有争议的是,这些相对不太重要的活动可能因为它们的局限性或者对结果微不足道的影响而被忽略掉。在给定的分析中通过将生命周期中特定的阶段和成分容纳进去，结果的实用性将会被破坏。现有的LCAs没有一个包括生命周期的各个阶段,更不用说每个阶段中包含的各项适合的成分。这些被忽略的元素常常对整体生命周期影响产生巨大作用，从而可能改变一个给定研究的结论。不幸的是,经常有约束条件(例如,数据可用性、项目范围)阻碍了将生命循环中的每个元素融入评估。在这些情况下,灵敏度分析就成为了在获得关于不确定参数的潜在影响方面的关键工具。是一个关键的工具来获得的角度来看待这个潜在影响吗不确定的参数。至少,这些忽略的元素应该充分披露给观众从而使缺点显而易见。3.3.数据质量和不确定性一项LCA以及路面和其他东西的准确性，在一定程度上和获取以及应用高质量输入数据的能力息息相关。由于数据稀缺和可靠性等问题,能够拿来应用LCA于的数据并非总能满足期望的质量。在理论上,这个问题可以通过收集第一手相关数据而克服,但是使用给定的数据数据需要测量几十个，几百个，甚至上千个独立的点，这对一项单独评估来说有些不切实际。折中的办法是使用被先驱者定义了的最有效的数据,并采用将已有点进行集合的方式或者从确定了的“最好”的来源中取单点的方式达到折中的目的。路面LCA数据固有的不确定性通过文献中可查的水泥和沥青的环境影响因素进行了示例。表2,3显示了这些路面材料一系列不同的过程能量强度。注意到在这些数据中,当这些因素的范围在一定的参考中给出时,最大值与最小值被细线代替，而一般值由固状物代替。虽然水泥、沥青在材料提取和生产阶段是重