張金喜， 蘇 詞， 王 超， 荊 鵬， 侯 越

(北京工業(yè)大學(xué)交通工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124)

在全球氣候變暖的嚴(yán)峻背景下，低碳經(jīng)濟(jì)已成為當(dāng)今社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要趨勢(shì). 控制和減少CO2排放是每個(gè)國家都需要面對(duì)的重大問題. 近年來，我國對(duì)環(huán)境保護(hù)也愈加重視，在第75屆聯(lián)合國大會(huì)上提出了CO2排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標(biāo)，并于2021年將“雙碳”目標(biāo)寫進(jìn)《政府工作報(bào)告》和“十四五”規(guī)劃[1]，強(qiáng)調(diào)了“雙碳”的意義和重要性.

我國是世界上CO2排放量最大的國家[2]，碳排放集中在工業(yè)、交通和建筑三大重點(diǎn)領(lǐng)域，其中交通運(yùn)輸是國民經(jīng)濟(jì)中基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)和重要的服務(wù)性行業(yè)，交通領(lǐng)域的CO2排放量約占全國碳排放總量的10%，是社會(huì)碳控排的重點(diǎn)領(lǐng)域之一[3]. 《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》中明確指出，要加快推進(jìn)綠色低碳發(fā)展，交通領(lǐng)域CO2排放盡早達(dá)峰[4]. 由于交通運(yùn)輸行業(yè)的巨大需求，近10年來交通運(yùn)輸?shù)奶寂欧帕咳栽诓粩嘣鲩L(zhǎng). 面對(duì)我國的“雙碳”目標(biāo)，在工業(yè)、建筑等領(lǐng)域減排逐步取得成效的背景下，交通運(yùn)輸行業(yè)面臨的減排壓力更為巨大.

道路基礎(chǔ)設(shè)施是交通運(yùn)輸領(lǐng)域的重要組成部分，是社會(huì)發(fā)展不可缺少的物質(zhì)條件. 一方面道路基礎(chǔ)設(shè)施占用了大量的土地資源，另一方面在其建設(shè)、養(yǎng)護(hù)和運(yùn)營的過程中伴隨著大量建筑材料和能源的消耗，產(chǎn)生了大量的碳排放，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了巨大的破壞作用[5-6]. 目前，我國交通運(yùn)輸行業(yè)仍處于道路基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展時(shí)期，如何處理好道路交通基礎(chǔ)設(shè)施快速發(fā)展與嚴(yán)格控制甚至減少碳排放量要求之間的關(guān)系，是交通發(fā)展面臨的一個(gè)關(guān)鍵問題. 為解決該問題，應(yīng)在道路基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域開展節(jié)能減排技術(shù)的研究和應(yīng)用，減少碳排放，實(shí)現(xiàn)低碳交通與道路基礎(chǔ)設(shè)施的和諧發(fā)展，從而進(jìn)一步推動(dòng)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn).

本文從我國道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和養(yǎng)護(hù)中存在的碳排放問題出發(fā)，對(duì)道路基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的節(jié)能減排技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行了綜述，并對(duì)該領(lǐng)域節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析與展望，為今后道路基礎(chǔ)設(shè)施中節(jié)能減排技術(shù)的研究提供參考.

1 道路基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的節(jié)能減排現(xiàn)狀

1.1 我國道路交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展現(xiàn)狀和成就

經(jīng)過30多年的快速建設(shè)，我國的道路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得了舉世矚目的成就. 根據(jù)我國交通運(yùn)輸部的統(tǒng)計(jì)[7]，截至2020年底，全國公路總里程達(dá)519.81萬km(其中國家高速公路16.1萬km)，公路密度達(dá)54.15 km/(100 km2)，公路養(yǎng)護(hù)里程514.4萬km，占公路總里程99%，全年完成道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資2.4萬億元. 2016—2020年全國公路總里程及公路密度變化如圖1所示. 規(guī)模龐大的公路和城市道路交通網(wǎng)絡(luò)，不僅為廣大居民提供了方便、快捷、安全、舒適的出行條件，同時(shí)也為我國社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展提供了有效的保障.

圖1 2016—2020年全國公路總里程及公路密度Fig.1 Total mileage and density of highways nationwide (2016—2020)

道路設(shè)施以其重要性和龐大的體量，在成為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分之一的同時(shí)也消耗了大量的資源. 一方面，道路基礎(chǔ)設(shè)施占用了大量的土地資源，土地資源是城市建設(shè)和發(fā)展的最基本的資源，是不可再生的寶貴資源. 另一方面，道路設(shè)施的建設(shè)和養(yǎng)護(hù)需要大量的道路建設(shè)材料，包括石油瀝青、水泥和石灰等，例如：2020年我國石油瀝青的表觀需求量為8 348.5萬t，同比增長(zhǎng)50.1%，水泥生產(chǎn)量24億t，約占世界總產(chǎn)量的60%[8-9]. 大量高能源、高碳密度原材料的使用造成了資源的逐漸枯竭和高污染現(xiàn)象的發(fā)生，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了巨大的破壞.

1.2 道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營過程中的碳排放

目前，交通運(yùn)輸行業(yè)是能源消耗和溫室氣體排放的主要行業(yè)之一，其中道路交通是交通領(lǐng)域的主要碳排放來源，1990—2008年，全球道路交通的CO2排放量增加了47.5%，我國增長(zhǎng)了410.3%. 全球道路交通CO2排放量占交通領(lǐng)域CO2排放量的比例保持在70%以上，我國的占比約為80%[10]. 道路交通行業(yè)的碳排放為交通運(yùn)輸工具和道路基礎(chǔ)設(shè)施在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的CO2排放，其中道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營生命周期的CO2排放達(dá)到了道路交通運(yùn)輸碳排放總量的10%～20%[2]，并且目前我國的道路交通基礎(chǔ)設(shè)施處在戰(zhàn)略機(jī)遇期，到2035年國家公路網(wǎng)和普通國道網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到約46萬km，仍處于快速發(fā)展階段[2].

1.2.1 材料生產(chǎn)階段的碳排放

道路基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)需要大量的建筑材料，水泥、瀝青、集料等在生產(chǎn)的過程中要耗用大量的能源，也是道路交通碳排放的主要來源. 我國2020年生產(chǎn)水泥的CO2排放量約為24億t，是工業(yè)中主要的CO2排放源. 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國每年道路新建和大修改造需要半剛性基層材料104億t，其中需要水泥約5億t，產(chǎn)生碳排放量約為4.5億t[11]. 同樣，生產(chǎn)瀝青混凝土、道路基層材料等也產(chǎn)生大量的碳排放. 表1為某瀝青混凝土拌和廠氣體排放檢測(cè)結(jié)果[12].

表1 某瀝青混凝土拌和廠氣體排放檢測(cè)結(jié)果[12]

以一條雙向四車道的高速公路為例，對(duì)不同路面結(jié)構(gòu)的材料物化能耗進(jìn)行分析[13]. 表2為該高速公路的5種路面結(jié)構(gòu)，其中，瀝青路面結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2為半剛性基層瀝青路面，結(jié)構(gòu)3為全厚式瀝青路面.

表2 路面結(jié)構(gòu)[13]

通過對(duì)該高速公路1 km半幅路面所消耗的能量進(jìn)行計(jì)算，可得到5種路面結(jié)構(gòu)原材料物化能耗. 5種路面結(jié)構(gòu)原材料物化能耗如表3所示，不同原材料的貢獻(xiàn)比例如圖2所示.

表3 材料物化能耗[13]

圖2 不同原材料的材料物化能耗貢獻(xiàn)比例Fig.2 Embodied energy contribution ratio of different raw materials

由表3可知，水泥路面2種結(jié)構(gòu)的材料物化能耗均高于瀝青路面，瀝青路面結(jié)構(gòu)3的材料物化能耗最低且能耗最高的水泥路面結(jié)構(gòu)2的材料物化能耗為瀝青路面結(jié)構(gòu)3的3.2倍. 從圖2中可以看出，半剛性基層瀝青路面的材料物化能耗中水泥占比最高，其次是瀝青，再者是集料. 全厚式瀝青路面的材料物化能耗中瀝青占比最高. 水泥路面的材料物化能耗中貢獻(xiàn)比例最高的為水泥，約為80%.

通過對(duì)5種不同路面結(jié)構(gòu)的材料物化能耗進(jìn)行分析可以看出，瀝青路面結(jié)構(gòu)和水泥路面結(jié)構(gòu)的材料物化能耗中，集料均占一定的比例，為10%～17%. 除全厚式瀝青路面之外，半剛性基層瀝青路面和水泥路面中水泥的能耗都是最高的，做好水泥行業(yè)的節(jié)能減排工作，對(duì)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要的意義.

1.2.2 施工和養(yǎng)護(hù)階段的碳排放

道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中不僅在生產(chǎn)建筑材料時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的碳排放，道路工程的施工和養(yǎng)護(hù)也是碳排放的來源. 在施工和養(yǎng)護(hù)階段，建設(shè)道路路面的各種混合料的拌和、攤鋪、碾壓等過程以及機(jī)械設(shè)備運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)過程消耗大量的能源，從而產(chǎn)生CO2排放.

本文以日本某實(shí)驗(yàn)路40年使用期內(nèi)每1 km的CO2排放量為例對(duì)道路基礎(chǔ)設(shè)施施工和養(yǎng)護(hù)中的碳排放進(jìn)行分析. 該實(shí)驗(yàn)路分為二車道和四車道2種道路結(jié)構(gòu)(如圖3所示)，路面類型分為瀝青路面、水泥混凝土路面、混合式路面3種.

圖3 道路橫斷面Fig.3 Road cross-section

通過對(duì)道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、運(yùn)營養(yǎng)護(hù)和拆除各階段的CO2排放量進(jìn)行計(jì)算，可得到不同車道、不同路面種類在建設(shè)、養(yǎng)護(hù)和拆除三階段的CO2排放量，如表4所示.

由表4可知，無論哪種路面種類，四車道道路結(jié)構(gòu)的碳排放量都比二車道多，約為二車道碳排放量的2.5倍. 瀝青路面在養(yǎng)護(hù)階段的碳排放量占比較多，達(dá)到74.3%；混合路面則在建設(shè)階段的碳排放量較多，水泥混凝土路面在建設(shè)和養(yǎng)護(hù)階段的碳排放量幾乎相同. 另外，在拆除階段3種路面種類的碳排放量較為接近，占比也較少，為5%～8%. 總地來說，3種路面種類中瀝青路面和水泥混凝土路面的施工和養(yǎng)護(hù)碳排放總量接近，混合路面則碳排放較少，約為前兩者的70%. 由此可見，路面的材料和結(jié)構(gòu)不同，則路面建設(shè)施工和養(yǎng)護(hù)的方法也存在差別，那么路面施工和養(yǎng)護(hù)所產(chǎn)生的能耗與排放也不同. 因此，合理選擇路面種類和結(jié)構(gòu)，可減少道路基礎(chǔ)設(shè)施施工和養(yǎng)護(hù)的CO2排放量.

表4 各路面各階段CO2排放量

1.3 道路交通基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的途徑

由以上分析可以看出，道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、運(yùn)營、養(yǎng)護(hù)中產(chǎn)生大量的碳排放，是進(jìn)行節(jié)能、減碳的重要領(lǐng)域，而在道路基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)中，不同的建設(shè)材料、建設(shè)方案、養(yǎng)護(hù)措施等均對(duì)碳排放產(chǎn)生影響. 因此，通過在道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)階段和運(yùn)營階段進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃、采取先進(jìn)的技術(shù)等，可以為我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn). 目前，以下幾種途徑是實(shí)現(xiàn)道路交通基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域“雙碳”目標(biāo)的重點(diǎn)方向.

1.3.1 建設(shè)階段

1) 開發(fā)使用節(jié)能、綠色的道路建設(shè)新材料，例如溫拌瀝青、常溫拌和瀝青混凝土等技術(shù).

2) 充分使用再生性好、可循環(huán)利用的廢舊材料，例如再生水泥混凝土、新型堿激發(fā)材料等，減少對(duì)自然界的過度開發(fā)，從源頭實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排.

3) 采用節(jié)能環(huán)保的替代材料，例如生物瀝青、再生集料等，減少對(duì)天然材料的依賴.

4) 優(yōu)化道路設(shè)施建設(shè)方案，采用壽命周期內(nèi)碳排放少的設(shè)計(jì)方案.

1.3.2 運(yùn)營階段

1) 推廣使用綠色節(jié)能交通工具.

2) 優(yōu)化道路交通基礎(chǔ)設(shè)施的養(yǎng)護(hù)維修、運(yùn)營管理方式.

3) 對(duì)道路設(shè)施中產(chǎn)生的可再生能源進(jìn)行收集和利用.

4) 總體提高道路設(shè)施耐久性能，延長(zhǎng)道路設(shè)施使用壽命，實(shí)現(xiàn)道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)總體排放的降低.

2 道路基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的節(jié)能減排技術(shù)

2.1 綠色環(huán)保節(jié)能降碳的瀝青路面建設(shè)技術(shù)

2.1.1 溫拌瀝青技術(shù)

溫拌瀝青技術(shù)是一種使用特殊添加劑或者制備工藝，通過降低瀝青混合料的施工拌和與壓實(shí)溫度以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的綠色瀝青鋪裝技術(shù)，該技術(shù)的開發(fā)滿足了路面綠色可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需要. 根據(jù)降溫作用機(jī)理的差異，溫拌瀝青技術(shù)主要?jiǎng)澐譃槿蠹夹g(shù)體系，即表面活性溫拌技術(shù)、瀝青降黏溫拌技術(shù)和瀝青發(fā)泡溫拌技術(shù)[14]. 相關(guān)案例研究表明，溫拌瀝青混合料與熱拌瀝青混合料相比，能源利用可節(jié)約30%以上，溫室氣體及煙塵排放量也可分別減少20%和40%以上[15]. 20世紀(jì)90年代，溫拌瀝青技術(shù)由歐洲研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)，次年完成了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)路段的鋪設(shè)，但技術(shù)成本較高[16]. 2005年，溫拌瀝青技術(shù)首次在國內(nèi)北京市的國道建設(shè)養(yǎng)護(hù)中得到應(yīng)用，之后陸續(xù)在上海等國內(nèi)其他地區(qū)和城市的公路與城市道路建設(shè)中得到技術(shù)推廣，并在2009年長(zhǎng)安街瀝青路面大修工程中得到進(jìn)一步優(yōu)化使用. 近年來，國內(nèi)陸續(xù)研究制定了關(guān)于不同種類溫拌瀝青技術(shù)的技術(shù)指導(dǎo)文件和工程應(yīng)用指南，有效促進(jìn)了該項(xiàng)技術(shù)在低碳減排瀝青路面建設(shè)養(yǎng)護(hù)中的大范圍推廣，北京市交通委員會(huì)也曾制定全面推廣溫拌瀝青技術(shù)的計(jì)劃，旨在未來所有瀝青路面工程中普遍采用溫拌瀝青技術(shù)，力爭(zhēng)率先成為溫拌瀝青技術(shù)使用率達(dá)到100%的城市[17]. 縱觀截至目前國內(nèi)外溫拌瀝青技術(shù)的發(fā)展，雖然已在諸多實(shí)體工程中得到了廣泛的應(yīng)用和推廣，但作為一項(xiàng)節(jié)能減排的路面新技術(shù)仍有很多方面需要完善. 首先，目前各國研究開發(fā)的溫拌瀝青技術(shù)產(chǎn)品大多成本高昂，一些溫拌劑在其制備過程中也伴隨著大量的能源和資源消耗，需進(jìn)一步開發(fā)新型高性能、低成本的溫拌瀝青技術(shù)方案；其次，目前尚缺乏針對(duì)溫拌瀝青新材料的材料設(shè)計(jì)方法、性能評(píng)價(jià)方法及針對(duì)性的技術(shù)要求等，大多是參照普通瀝青混合料的材料設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)技術(shù)體系；此外，對(duì)于溫拌瀝青路面生命周期的節(jié)能環(huán)保綜合效益評(píng)估較少，未來需結(jié)合環(huán)保實(shí)效與服役耐久性兩方面開展深入研究，深化和推動(dòng)溫拌瀝青技術(shù)的新發(fā)展.

2.1.2 橡膠瀝青技術(shù)

汽車輪胎報(bào)廢后的廢舊橡膠是一種極難天然降解的高分子彈性材料，但其具有出色的彈性與黏性性質(zhì)，因而，將廢舊輪胎加工而成的橡膠粉應(yīng)用于道路瀝青改性技術(shù)，一方面減少了廢輪胎填埋或焚燒所造成的環(huán)境污染，同時(shí)降低了改性瀝青的生產(chǎn)成本，另一方面也提升了瀝青路面的路用性能和服役壽命. 譚憶秋等[18]研究和證明了橡膠瀝青具有更好的低溫變形和應(yīng)力松弛能力. 肖飛鵬等[19]詳細(xì)綜述和比較了膠粉改性瀝青路面在平整度和抗滑性能等方面的獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并著重強(qiáng)調(diào)了橡膠瀝青路面在降噪方面未來的應(yīng)用前景. 近年來橡膠瀝青技術(shù)已在北京長(zhǎng)安街大修工程、雄安新區(qū)公路網(wǎng)建設(shè)等諸多重點(diǎn)工程建設(shè)項(xiàng)目中得到了較多的推廣和應(yīng)用.

雖然橡膠瀝青技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了固體廢物利用、節(jié)約原材料及延長(zhǎng)路面服役壽命等綠色高性能的功能目標(biāo)，但膠粉改性瀝青材料的生產(chǎn)制備往往需要高于普通瀝青的拌和與攤鋪溫度，從而增加了工程施工建設(shè)期的瀝青煙氣排放及能源資源投入. 張永利[20]基于瀝青路面全壽命周期方法對(duì)橡膠改性瀝青混合料和普通苯乙烯- 丁二烯- 苯乙烯嵌段共聚物(styrenic block copolymers,SBS)改性瀝青混合料的原材料生產(chǎn)、改性瀝青加工和混合料拌和3個(gè)階段的能耗和碳排放進(jìn)行了測(cè)算，發(fā)現(xiàn)橡膠瀝青混合料生產(chǎn)的能耗相對(duì)于SBS改性瀝青混合料降低了約15%，但其碳排放提高了約8%，考慮到可以實(shí)現(xiàn)廢舊輪胎的再利用，因此，認(rèn)為橡膠瀝青混合料的環(huán)保效益優(yōu)于普通熱拌瀝青混合料.

近年來，有研究人員開始嘗試將橡膠瀝青與溫拌瀝青技術(shù)相結(jié)合，從而更好地實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好型路面新材料的設(shè)計(jì)理念. 溫拌橡膠瀝青技術(shù)融合了廢膠粉和降黏減阻溫拌劑2種改性瀝青的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)溫拌劑的摻入可以明顯改善瀝青混合料的施工和易性. 在溫拌橡膠瀝青材料的路用性能方面，Oliveira等[21]研究發(fā)現(xiàn)某些化學(xué)溫拌劑對(duì)于橡膠瀝青混合料的拌和溫度降溫效果可達(dá)到30 ℃，同時(shí)對(duì)力學(xué)性能的影響可以忽略；Xin等[22]通過試驗(yàn)證明了泡沫橡膠瀝青雖然高溫性能略差，但其低溫性能及抗疲勞性能優(yōu)于普通橡膠瀝青；Wang等[23]研究了多種溫拌劑對(duì)橡膠瀝青流變性能的影響，發(fā)現(xiàn)溫拌劑對(duì)橡膠瀝青的降黏效果顯著，同時(shí)可以改善其存儲(chǔ)穩(wěn)定性. 此外，針對(duì)溫拌橡膠瀝青的環(huán)境效益，Yang等[24]的研究表明溫拌降黏劑可顯著降低橡膠瀝青材料生產(chǎn)過程中有害物質(zhì)的排放；Jones等[25]發(fā)現(xiàn)溫拌瀝青技術(shù)雖然會(huì)使得前期成本投入增加，但可以極大地減少橡膠瀝青生產(chǎn)和施工過程中的煙霧和氣味，環(huán)保效益明顯提高；Wang等[26]通過分析目前的橡膠瀝青技術(shù)研究現(xiàn)狀，認(rèn)為溫拌橡膠瀝青是一種有望在近期得到快速推廣應(yīng)用的新型環(huán)保型瀝青鋪面材料.

2.1.3 生物瀝青技術(shù)

在目前各種綠色可再生能源中，生物質(zhì)能源具有可再生、種類多、儲(chǔ)量大的特點(diǎn)，因此，近年來也逐步受到國內(nèi)外道路工程技術(shù)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注. 生物質(zhì)作為一種新型綠色的環(huán)保材料，其來源和分布非常廣泛，諸如植物秸稈、木材樹皮、餐飲廢油(地溝油)及家畜糞便等，經(jīng)裂解后的生物質(zhì)重油與石油瀝青具備相近的微觀化學(xué)特性和相容性[27]. 因此，為了降低瀝青路面建養(yǎng)對(duì)不可再生石油資源的依賴和消耗，近10年來國內(nèi)外諸多研究人員廣泛開展了生物瀝青新材料的開發(fā)和研究工作. 目前，大多數(shù)生物瀝青研究將不同生物質(zhì)來源的生物質(zhì)重油按照一定比例替代普通石油瀝青用于瀝青路面材料制備且已針對(duì)生物瀝青的制備方法、改性機(jī)理及路用技術(shù)性能開展了大量對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)不同種類生物瀝青材料的路用性能存在明顯差異化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)或缺點(diǎn)，需針對(duì)性地進(jìn)行材料設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化，同時(shí)可嘗試將生物瀝青技術(shù)與改性瀝青、溫拌瀝青及再生瀝青等新技術(shù)融合應(yīng)用于低碳綠色道路工程建設(shè)養(yǎng)護(hù)技術(shù)領(lǐng)域.

在生物瀝青環(huán)境效益評(píng)價(jià)方面，目前已開展的研究工作則相對(duì)較少. Hosseinnezhad等[28]采用生命周期評(píng)價(jià)研究方法，對(duì)比了10%家畜糞便生物油改性瀝青與傳統(tǒng)石油瀝青的環(huán)境效益差異，發(fā)現(xiàn)生物瀝青在溫室氣體排放和能耗兩方面都更具有優(yōu)勢(shì)；Wang等[29]對(duì)比了2種不同類型的生物瀝青路面新技術(shù)，其中還包含了再生瀝青路面材料的使用，發(fā)現(xiàn)2種生物瀝青新材料的應(yīng)用均能有效減少路面施工建設(shè)期對(duì)施工人員健康的影響. 此外，生物瀝青在降低瀝青路面施工溫度方面的潛力同樣開始得到關(guān)注，Podolsky等[30]發(fā)現(xiàn)摻加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的大豆油即可有效降低2～3 ℃的瀝青路面施工拌和溫度，同時(shí)保證了其低溫抗裂性能；Fini等[31]發(fā)現(xiàn)添加生物瀝青改性劑可以顯著改善瀝青的低溫性能且使瀝青在相對(duì)較低溫度下進(jìn)行拌和壓實(shí)，從而降低了瀝青路面的建設(shè)和能耗成本.

2.1.4 再生瀝青技術(shù)

近30年來，隨著我國公路網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，道路基礎(chǔ)設(shè)施建養(yǎng)先后經(jīng)歷了“以建為主”到“建養(yǎng)并重”再到未來“以養(yǎng)為主”的新發(fā)展階段，早期修筑的瀝青路面工程未來面臨著繁重的養(yǎng)護(hù)工作需求，因此，如何科學(xué)有效地回收再利用廢舊瀝青路面(reclaimed asphalt pavement, RAP)材料已成為路面工程技術(shù)領(lǐng)域的前沿研究問題，而瀝青再生技術(shù)的發(fā)展同時(shí)也是低碳綠色路面技術(shù)體系的重要組成部分[32]. 但是，目前圍繞再生瀝青技術(shù)的瓶頸技術(shù)問題依然較多，例如，為保證再生瀝青路面的技術(shù)性能，RAP材料的摻量目前普遍仍相對(duì)較低(通常低于25%)，從而再生循環(huán)利用的環(huán)境效益并不明顯. 同時(shí)諸多研究表明，摻加RAP材料的再生瀝青混合料，其路用性能受到的負(fù)面影響相對(duì)較多，例如：Zhu等[33]發(fā)現(xiàn)隨著RAP材料摻量的增加，再生瀝青混合料的抗疲勞性能和低溫性能逐漸降低；West等[34]對(duì)比了再生瀝青混合料與普通熱拌瀝青混合料的抗斷裂性能，發(fā)現(xiàn)高RAP材料摻量的再生瀝青混合料更容易發(fā)生斷裂破壞. 但同時(shí)有報(bào)道認(rèn)為RAP材料的摻入可以提高瀝青混合料的抗剝落性能及抵抗塑性變形的能力，例如：Kumari等[35]指出摻入RAP材料會(huì)使水較難滲透進(jìn)集料中，因此，高RAP材料摻量的再生瀝青混合料水穩(wěn)定性相對(duì)較好；Aurangzeb等[36]研究了RAP材料摻量高達(dá)50%的再生瀝青路面，發(fā)現(xiàn)其水穩(wěn)定性可以滿足路面建設(shè)的工程技術(shù)要求.

除了再生瀝青的技術(shù)性能外，近期關(guān)于再生瀝青路面節(jié)能減排等環(huán)保效益的研究工作也日益增多. Chowdhury等[37]將再生瀝青路面的生命周期分為原材料生產(chǎn)、路面施工、路面維護(hù)及修復(fù)4個(gè)階段，發(fā)現(xiàn)原材料生產(chǎn)占據(jù)了瀝青路面生命周期能耗與排放的大部分，而當(dāng)RAP材料摻量增至30%～50%時(shí)，每千米瀝青路面建設(shè)的溫室氣體減排量可達(dá)3.811 4×104～6.352 4×104kg；Chen等[38]采用基于過程的生命周期分析方法對(duì)比了熱拌瀝青混合料和再生瀝青混合料路面施工建設(shè)期的環(huán)境影響，也證明了采用再生瀝青技術(shù)將產(chǎn)生明顯的節(jié)能減排環(huán)保效果.

再生瀝青技術(shù)通過對(duì)瀝青混合料的再生，能夠很大程度地回收利用廢舊混合料并具有顯著的環(huán)境效益. 但從目前的研究來看，隨著RAP材料摻量的增加，瀝青混合料的低溫抗裂性、抗疲勞性能均出現(xiàn)降低的現(xiàn)象. 同時(shí)，RAP材料中的水分不利于瀝青與再生集料的黏結(jié)，對(duì)混合料后期的耐久性造成一定影響. 如何提高RAP材料的摻量并控制含水率等質(zhì)量還有待進(jìn)一步研究.

2.2 廢棄物在道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的再生利用技術(shù)

廢棄物在道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的再生利用技術(shù)是指將不能滿足使用要求的路面廢料、建筑垃圾、固體廢物等通過各種措施進(jìn)行處理后重新利用的技術(shù). 近年來，隨著國內(nèi)外建筑廢棄物再生技術(shù)的不斷研發(fā)和創(chuàng)新，綠色環(huán)保的再生材料及技術(shù)在道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中得到了長(zhǎng)足的發(fā)展和較為廣泛的應(yīng)用，常見的如再生水泥混凝土、建筑垃圾再生利用技術(shù)以及新型堿激發(fā)膠凝材料等.

2.2.1 再生水泥混凝土

水泥混凝土由于其抗壓強(qiáng)度高、價(jià)格低廉、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)已成為世界上最廣泛使用的建筑材料，自20世紀(jì)90年代以來一直占據(jù)著建筑材料市場(chǎng)[39]. 在過去20年里，世界水泥產(chǎn)量從11.0億t增加到32.7億t. 隨著交通及土木設(shè)施建設(shè)的增加，預(yù)計(jì)水泥產(chǎn)量將在2030年達(dá)到48.3億t[40]. 生產(chǎn)水泥混凝土不僅需要水泥，還需要大量的細(xì)骨料和粗骨料，骨料約占水泥混凝土體積的70%且粗骨料占該體積的大部分[41]. 水泥混凝土在被廣泛使用的同時(shí)，也對(duì)環(huán)境造成了負(fù)面影響. 一方面，水泥混凝土產(chǎn)生了大量的CO2，據(jù)統(tǒng)計(jì)其碳排放量約占全球CO2排放總量的8%[42]. 另一方面，在大量新水泥混凝土生產(chǎn)的同時(shí)，相應(yīng)產(chǎn)生的廢舊水泥混凝土數(shù)量也相當(dāng)巨大，我國每年產(chǎn)生的廢舊水泥混凝土占建筑垃圾的50%～60%，露天堆放或填埋的處理方式也對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染[43].

廢舊水泥混凝土具有一定的強(qiáng)度、硬度、耐磨、抗沖擊、抗凍、耐水等優(yōu)良特性且穩(wěn)定性好、易加工，具有較強(qiáng)的路用性能. 將廢舊水泥混凝土破碎、篩分、分級(jí)后按照一定比例和級(jí)配混合而成的骨料稱為再生水泥混凝土骨料，而在新混凝土制備過程中摻拌了再生骨料的混凝土，稱為再生骨料水泥混凝土，簡(jiǎn)稱再生水泥混凝土[43]. 使用再生骨料代替天然骨料生產(chǎn)再生水泥混凝土，可以為環(huán)境和經(jīng)濟(jì)帶來好處. 據(jù)估計(jì)，使用再生水泥混凝土施工可節(jié)省10%～20%的材料成本[44]. 此外，再生水泥混凝土可節(jié)省大量能源，減少骨料生產(chǎn)排放的CO2、NOx和其他空氣污染物. Guo等[45]研究表明使用再生骨料代替天然骨料有可能減少15%～20%的CO2排放量. Hossain等[46]進(jìn)行了再生骨料對(duì)環(huán)境影響的生命周期評(píng)價(jià)研究，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：生產(chǎn)1 t天然骨料會(huì)產(chǎn)生23～33 kg的CO2，而生產(chǎn)1 t再生細(xì)骨料混凝土僅產(chǎn)生12 kg CO2；與生產(chǎn)天然骨料混凝土相比，使用再生粗骨料混凝土可以減少65%的溫室氣體排放，并節(jié)省58%的不可再生能源消耗.

再生水泥混凝土技術(shù)既能減輕水泥混凝土生產(chǎn)及廢舊混凝土對(duì)環(huán)境的污染，又能減少對(duì)自然資源和能源的消耗，具有顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，對(duì)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有推動(dòng)作用. 但再生水泥混凝土的力學(xué)性能通常不如天然骨料制備的水泥混凝土，再生水泥混凝土骨料的物理性質(zhì)對(duì)再生水泥混凝土的性能有顯著影響. 例如，再生水泥混凝土骨料較高的吸水率會(huì)影響混凝土的和易性，較大的孔隙體積會(huì)影響混凝土的耐久性、強(qiáng)度和孔隙率等[42]. 因此，須對(duì)如何強(qiáng)化再生骨料，提高再生骨料性能，從而優(yōu)化再生混凝土品質(zhì)做進(jìn)一步研究.

2.2.2 建筑垃圾再生利用

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，不僅對(duì)天然資源的消耗日益增加，而且也產(chǎn)生了大量的建筑垃圾. 據(jù)保守估計(jì)，我國每年產(chǎn)生近億t的廢棄混凝土. 在每萬m2建筑的施工過程中，建筑垃圾就會(huì)產(chǎn)生500～600 t，而每萬m2拆除的舊建筑將產(chǎn)生7 000～12 000 t建筑垃圾，目前其數(shù)量已經(jīng)占到了城市垃圾總量的1/3左右[6]. 建筑垃圾是指各類建筑物、構(gòu)筑物進(jìn)行建設(shè)、改擴(kuò)建、拆遷等過程中產(chǎn)生的含有廢舊混凝土、砂漿、磚瓦碎屑、渣土和其他廢棄物的混合型垃圾. 上海地區(qū)某年的建筑垃圾主要組成如圖4所示.

圖4 上海地區(qū)建筑垃圾主要組成[6]Fig.4 Main components of construction waste in Shanghai[6]

建筑垃圾具有數(shù)量大、組成成分種類多、性質(zhì)復(fù)雜、污染環(huán)境途徑多、污染形式復(fù)雜等特點(diǎn)[47],而建筑垃圾傳統(tǒng)的處理方式大多是統(tǒng)一收集后進(jìn)行露天堆放或填埋，這一方式不僅占用土地資源，更會(huì)造成污染水體、大氣和土壤，影響市容和環(huán)境衛(wèi)生，遺留安全隱患等危害，對(duì)我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和環(huán)境造成嚴(yán)重影響[48]. 建筑垃圾的妥善處理和再生利用，已成為城市發(fā)展需要解決的當(dāng)務(wù)之急. 目前，對(duì)建筑垃圾再生利用的主要途徑是把建筑垃圾分揀、破碎和篩分之后，生產(chǎn)建筑垃圾再生骨料，然后以不同比例替代天然砂石材料來生產(chǎn)水泥混凝土、水泥砂漿、級(jí)配碎石、再生磚等. 張金喜課題組聯(lián)合有關(guān)單位開展了建筑垃圾作為道路工程材料再生利用、廢舊瀝青混凝土和水泥混凝土再生利用的研究，修建了眾多實(shí)驗(yàn)路和實(shí)體工程(如表5所示)，有效解決了自然資源的匱乏問題，同時(shí)還解決了建筑垃圾的100%再生利用問題，并開發(fā)了具有造價(jià)低，回填速度快，施工方法簡(jiǎn)便易行，利用建筑垃圾材料，能夠大面積推廣應(yīng)用的環(huán)保、低碳的新型流動(dòng)化回填材料.

表5 建筑垃圾再生在實(shí)驗(yàn)路和實(shí)體工程中的應(yīng)用

由此可見，建筑垃圾中的許多廢棄物經(jīng)過分揀、剔除或粉碎等處理后，大多可作為再生資源重新利用. 綜合利用建筑垃圾是節(jié)約資源、保護(hù)生態(tài)的有效途徑. 然而，我國的建筑垃圾再生利用中存在再生利用率低等問題，特別是對(duì)于城市建筑垃圾，雜質(zhì)含量高、紅磚含量大，只有部分高品質(zhì)的廢舊混凝土可以生產(chǎn)再生粗骨料并在水泥混凝土中得到再生利用，而大部分低品質(zhì)的細(xì)骨料沒有合適的消納途徑，成為二次建筑垃圾，從而影響了城市建筑垃圾的綜合再生利用.

2.2.3 新型堿激發(fā)膠凝材料應(yīng)用

普通硅酸鹽水泥長(zhǎng)期以來被建筑行業(yè)作為膠凝材料廣泛應(yīng)用，但在當(dāng)今節(jié)能減排的背景下，水泥生產(chǎn)的高耗能、高污染缺點(diǎn)日益凸顯，迫切需要一種低污染、低能耗且高性能的膠凝材料來替代水泥以滿足數(shù)十億人的住房和基礎(chǔ)設(shè)施的需求[49]. 新型堿激發(fā)膠凝材料是指利用堿激發(fā)劑激發(fā)粉煤灰、礦渣等工業(yè)固體廢物的有效活性成分，從而減少水泥用量的一種綠色環(huán)保型的膠凝材料[50].

堿激發(fā)膠凝材料的概念自20世紀(jì)初就已為人所知，隨著近年來CO2潛在交易市場(chǎng)及CO2減排法規(guī)的出臺(tái)，堿激發(fā)膠凝材料受到了更多的關(guān)注. Duxson等[51]計(jì)算了堿激發(fā)粉煤灰和偏高嶺土摻合料的CO2排放量，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，與硅酸鹽水泥相比，堿激發(fā)膠凝材料的CO2排放量減少了80%. 部分學(xué)者對(duì)堿激發(fā)膠凝材料的生命周期進(jìn)行了分析，并估算了相較于硅酸鹽水泥的CO2減排量，由于不同研究的配合比設(shè)計(jì)和膠凝材料類型不同，得到的結(jié)果也各不相同，CO2減排量介于80%～30%[52-56]. 由此可見，堿激發(fā)膠凝體系可以直接實(shí)現(xiàn)大量CO2減排，而對(duì)于硅酸鹽水泥采取最好的技術(shù)手段也僅可以減少來自水泥生產(chǎn)釋放的約17%的CO2排放量[57]. 另一方面，工業(yè)的迅速發(fā)展和制造業(yè)的飛速增長(zhǎng)使我國每年都產(chǎn)生巨大的工業(yè)固體廢物，也為堿激發(fā)技術(shù)的發(fā)展提供了機(jī)遇. 2019年大宗工業(yè)固體廢物的發(fā)生量及綜合利用情況如表6所示.

表6 2019年我國大宗工業(yè)固體廢物的發(fā)生量及綜合利用情況[58]

堿激發(fā)膠凝材料具有CO2排放量低、耐腐蝕、熱穩(wěn)定、快硬高強(qiáng)、抗凍融、抗?jié)B等優(yōu)異性能，是替代純硅酸鹽水泥膠凝材料的一個(gè)不錯(cuò)的選擇，但基于多樣性和復(fù)雜性，堿激發(fā)膠凝材料的研究仍面臨一些問題. 首先，盡管大量的固體廢物為堿激發(fā)材料的制備提供了基礎(chǔ)，但目前尚未形成適合固體廢物的處置方法、活性度檢測(cè)和工業(yè)化生產(chǎn)工藝. 其次，與硅酸鹽水泥價(jià)格相比，堿激發(fā)膠凝材料的生產(chǎn)成本較高. 2009年，硅酸鹽水泥的平均價(jià)格為300～350元/t，而堿激發(fā)高爐礦渣的價(jià)格為500元/t[59]. 雖然粉煤灰、偏高嶺土等一些其他的固體廢物作為堿激發(fā)材料成本較低，但工業(yè)化和耐久性的問題仍需解決. 另外，由于堿激發(fā)膠凝材料的影響因素多、性能變化復(fù)雜、干燥收縮率大等問題，在建筑結(jié)構(gòu)、橋梁等實(shí)際工程中大規(guī)模應(yīng)用的案例很少.

如前所述，我國道路結(jié)構(gòu)中的基層、底基層材料一般為半剛性無機(jī)結(jié)合料，每年需要大量的水泥和石灰，堿激發(fā)固體廢物膠凝材料為道路基層材料生產(chǎn)提供了一種新的途徑. 利用堿激發(fā)固體廢物膠凝材料不僅可以大幅度減少對(duì)水泥、石灰等高耗能、高排放材料的使用，而且使用固體廢物材料可使生產(chǎn)的混合料具有早期強(qiáng)度高、耐久性好等特點(diǎn). 目前，堿激發(fā)固體廢物膠凝材料在道路基層中的研究處于起始階段，需要在材料設(shè)計(jì)、材料性能、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面加大科研攻關(guān)，為道路基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的節(jié)能減排做出貢獻(xiàn).

2.3 道路可再生能源的收集和利用技術(shù)

道路承受車輛荷載的直接作用，在道路- 車輛運(yùn)行系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生可再生的能源. Zhao[60]研究發(fā)現(xiàn)1 km道路上卡車通過時(shí)車輛所產(chǎn)生的能量可達(dá)到150 kW·h. 這些能量導(dǎo)致路面變形、振動(dòng)和升溫，而采取技術(shù)措施收集和利用這些能量可以解決交通本身的一些能源需求. 目前，關(guān)于道路可再生能源采集和利用的研究比較多，但大多處于研究或設(shè)想階段，壓電技術(shù)和光伏路面是道路可再生能源采集和利用技術(shù)的典型代表，并鋪筑了實(shí)驗(yàn)道路進(jìn)行驗(yàn)證.

2.3.1 壓電技術(shù)

壓電技術(shù)是利用壓電材料將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的一種綠色能源技術(shù). 經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，壓電技術(shù)已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，例如，將壓電材料嵌入鞋、輪胎中收集能量以及從結(jié)構(gòu)振動(dòng)中獲取能量等[61-63]. 由于壓電材料能量密度高、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無限制等優(yōu)點(diǎn)，近些年來也將其應(yīng)用于道路中.

道路應(yīng)用壓電技術(shù)可將行車荷載下路面產(chǎn)生的部分機(jī)械振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為電能[64-65]. Roshani等[66]基于有限元分析對(duì)壓電路面進(jìn)行了模擬，隨著荷載、接觸持續(xù)時(shí)間和通行量的增加，輸出電壓顯著增加. Zhao等[67]研究了壓電陶瓷在道路上的應(yīng)用，每輛車通過時(shí)可產(chǎn)生0.06 J的勢(shì)能，但轉(zhuǎn)換效率低于15%. Moure等[68]將30 000個(gè)鈸式壓電裝置用于瀝青路面，研究表明一條100 m長(zhǎng)的道路每年可產(chǎn)生超過65 MW·h的能量. 以色列的Innowattech公司開發(fā)的系統(tǒng)可在每小時(shí)600輛車的交通量下，從1 km的路段采集到250 kW·h的電能[69]. 在國內(nèi)，譚憶秋等[70]開發(fā)了瀝青與鋯鈦酸鉛的壓電復(fù)合材料，該材料能夠使實(shí)驗(yàn)路面輸出約7.2 V的電壓. 孫春華等[71-73]將設(shè)計(jì)的壓電換能器置于路面以下0.5 m，該換能器每經(jīng)過一次荷載后將獲得139.9 V的電壓. 2016年，采用了壓電技術(shù)的云南麻昭高速公路通過考核驗(yàn)收，是國內(nèi)首個(gè)高速路面采用壓電發(fā)電技術(shù)的工程應(yīng)用.

雖然將壓電技術(shù)應(yīng)用于道路交通領(lǐng)域是可行的，但由于缺乏成熟的理論和實(shí)際工程的應(yīng)用，仍處于研究階段. 壓電材料用于道路能量收集時(shí)，壓電性能會(huì)受到受多方面因素的影響. 壓電換能器的材料、形狀、尺寸和安裝的壓電元件數(shù)量決定了輸出的能量且由于路面的復(fù)雜性，不同路面的材料、結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)壓電性能產(chǎn)生影響. 盡管壓電材料具有較高的抗壓強(qiáng)度，但其抗拉強(qiáng)度較低，容易在彎曲應(yīng)力下?lián)p壞. 因此，需要仔細(xì)考慮其設(shè)計(jì)及放置位置. 另外，Gholikhani等[74]將美國傳統(tǒng)的電力成本與壓電技術(shù)成本進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)使用壓電技術(shù)收集能量的成本過高. 如何提高壓電技術(shù)的轉(zhuǎn)換效率從而降低成本也是一個(gè)需要研究的問題. 由此可見，現(xiàn)在的技術(shù)缺陷較大，需要進(jìn)行系統(tǒng)性的提升才有可能將該技術(shù)進(jìn)行廣泛應(yīng)用.

2.3.2 光伏路面

光伏發(fā)電技術(shù)是一種利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)進(jìn)行發(fā)電，以太陽光輻射為能量來源，將光能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電技術(shù). 光伏發(fā)電技術(shù)是目前較為高效且成熟的能源轉(zhuǎn)換技術(shù). 隨著該技術(shù)的不斷進(jìn)步，該技術(shù)也逐漸與道路領(lǐng)域相結(jié)合. 光伏路面是指采用太陽能路面板替代傳統(tǒng)路面或者直接鋪設(shè)在傳統(tǒng)路面表面，既滿足普通公路的交通通行要求，又具有將太陽能轉(zhuǎn)換為電能功能的綠色環(huán)保路面. 光伏路面由于其綠色無污染、節(jié)約能源、不額外占用土地資源等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了國內(nèi)外越來越廣泛的研究與應(yīng)用.

在光伏路面的技術(shù)研究方面，Northmore等[75]探索了基于現(xiàn)有路面材料開發(fā)太陽能路面板的可行性，對(duì)太陽能路面板各層的設(shè)計(jì)、光伏系統(tǒng)的集成和結(jié)構(gòu)完整性等方面進(jìn)行了研究. Northmore[76]對(duì)太陽能路面板的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)研究，考慮了太陽能路面板的材料選擇、復(fù)合結(jié)構(gòu)的彎曲響應(yīng)、各結(jié)構(gòu)層的相互作用等諸多因素，分析了太陽能路面板對(duì)路面基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響. Xiang等[77-78]開發(fā)了一種太陽能道路和土壤蓄熱器混合的能源系統(tǒng)(solar-road and soil-regenerator hybrid energy system，SRSRHES)，該系統(tǒng)結(jié)合了光伏路面和土壤蓄熱的概念. 在對(duì)比分析中，SRSRHES的總體發(fā)電效率達(dá)到了66.58%，而傳統(tǒng)光伏路面的發(fā)電效率僅為10.75%.

在光伏路面的應(yīng)用方面，世界上第一條光伏路面是于2014年在荷蘭鋪設(shè)的一條70 m的太陽能自行車道SolaRoad[79]，該路面由鋼化玻璃、太陽能電池和混凝土板3層組成，經(jīng)實(shí)測(cè)2015年發(fā)電量為78 kW·h/m2[80]. 隨后在2019年又鋪設(shè)了一條150 m的公交專用道，但在開放通行7 d后出現(xiàn)了面層破損、三層面板分離的現(xiàn)象. 2016年Colas公司在法國Tourouvre鎮(zhèn)鋪設(shè)了一段光伏路面，這段光伏路面由2 800 m2的樹脂涂層太陽能電池板組成，所產(chǎn)生的電力可為路燈供電[81]. 我國于2017年在山東省濟(jì)南市南繞城高速公路G2001建成了世界第一條光伏路面高速公路試驗(yàn)段，也是目前全世界承載能力最高和交通量最大的光伏路面，全長(zhǎng)約1 km. 光伏路面由透光混凝土路面、光伏板、絕緣層3層結(jié)構(gòu)組成[82]. 該試驗(yàn)段通車104 d總發(fā)電量達(dá)9.602萬kW·h，日均發(fā)電約923 kW·h. 但在運(yùn)行一年后，光伏面板的接縫處均出現(xiàn)了不同程度的損傷，有的甚至已經(jīng)出現(xiàn)裂痕，部分因破損嚴(yán)重而無法修復(fù)只能被新鋪設(shè)的瀝青路面取代且發(fā)電量也較剛通車時(shí)大幅下降.

光伏路面使普通道路成為了綠色能源的收集平臺(tái)，不僅為道路沿線設(shè)施、人們生產(chǎn)生活提供了用電，同時(shí)減少了大量因高溫引起的車轍等病害，延長(zhǎng)了路面的使用壽命，從而降低了因養(yǎng)護(hù)施工帶來的碳排放. 從目前國內(nèi)外對(duì)光伏路面的研究可以看出，雖然光伏路面在一些實(shí)體工程中得到了應(yīng)用，但仍存在一些問題需要解決. 首先路面會(huì)經(jīng)受各種車輛特別是重載貨車的不斷碾壓，易出現(xiàn)破損、斷裂等病害. 其次是透光問題，光伏路面既要滿足抗滑性能要求，也要具有良好的透光性，長(zhǎng)時(shí)間使用造成積灰及冬天被雪覆蓋時(shí)會(huì)影響組件發(fā)電效率，需要定期清洗組件來保證最高發(fā)電效率. 另外，光伏路面的建設(shè)及日常養(yǎng)護(hù)成本較高，有必要對(duì)其進(jìn)行全壽命周期成本評(píng)估. 因此，從目前情況來看，光伏路面的技術(shù)路線是否科學(xué)合理尚值得探討，無論是在新能源技術(shù)的研發(fā)還是保持透光性的同時(shí)又保證路面的強(qiáng)度及質(zhì)量方面，都還有很多技術(shù)需要突破.

2.4 道路設(shè)施運(yùn)營管理的優(yōu)化技術(shù)

2.4.1 道路養(yǎng)護(hù)維修與運(yùn)營管理決策優(yōu)化

道路養(yǎng)護(hù)維修與運(yùn)營管理決策優(yōu)化是指道路在運(yùn)營過程中，其使用性能會(huì)隨著荷載、環(huán)境等作用而逐漸衰減，當(dāng)衰減到一定程度時(shí)，則需要對(duì)道路進(jìn)行科學(xué)合理的養(yǎng)護(hù)維修使其使用性能恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)投入最小、路面性能最優(yōu)的目標(biāo). 養(yǎng)護(hù)管理決策優(yōu)化最早起源于美國國有公路運(yùn)輸管理員協(xié)會(huì)(American Association of State Highway Officials，AASHO)的道路試驗(yàn)，多采用路面狀況和工程經(jīng)驗(yàn)判斷相結(jié)合的決策方法. 隨著進(jìn)一步的發(fā)展，決策樹、排序法和一些數(shù)學(xué)規(guī)劃方法也逐漸在路面養(yǎng)護(hù)決策中得到了應(yīng)用. Fwa等[83]利用遺傳算法建立了路況最優(yōu)權(quán)數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析和訓(xùn)練，提出了養(yǎng)護(hù)次序的優(yōu)先排序法. 何兆益等[84]提出了分析瀝青路面養(yǎng)護(hù)改建對(duì)策的系統(tǒng)分析法——層次分析法，通過該方法可以得到基于單一指標(biāo)和考慮各指標(biāo)間不同權(quán)重分配的路面養(yǎng)護(hù)改建決策.

近年來，我國對(duì)節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)日益重視，在養(yǎng)護(hù)管理決策優(yōu)化過程中不僅要考慮道路養(yǎng)護(hù)維修的建設(shè)成本和用戶成本，也要考慮不同養(yǎng)護(hù)措施對(duì)環(huán)境污染的影響. 陳力維[85]建立了瀝青路面運(yùn)營期間“路況- 速度- 能耗”模型，并提出了瀝青路面養(yǎng)護(hù)的能耗和排放的量化方法. 楊博[86]建立了瀝青路面節(jié)能減排評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，提出了節(jié)能減排綜合評(píng)價(jià)方法及其評(píng)價(jià)流程，并開發(fā)了瀝青路面節(jié)能減排分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)(energy-saving and emission-reduction evaluation system for asphalt pavement，E3SAP). 孔祥杰[87]以北京市某高速公路養(yǎng)護(hù)維修工程為例，研究了2種不同養(yǎng)護(hù)維修方案對(duì)交通影響成本以及廢氣排放量的影響. 其中方案一采用了雙車道施工、縮短施工期的方案，方案二則采用了單車道施工、延長(zhǎng)施工期的施工方案. 研究表明，施工期較短的方案一產(chǎn)生的交通影響成本和廢氣排放量較低，因此，合理縮短施工時(shí)間，選擇高效的養(yǎng)護(hù)方式有助于減小養(yǎng)護(hù)綜合成本，并減少環(huán)境污染.

目前，我國傳統(tǒng)的路面養(yǎng)護(hù)維修方案與低碳、環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展的要求不相適應(yīng)，一些不科學(xué)的養(yǎng)護(hù)維修方案在一定程度上加重了環(huán)境污染，而道路養(yǎng)護(hù)維修與運(yùn)營管理的決策優(yōu)化可以有效解決這一問題. 對(duì)于如何在道路養(yǎng)護(hù)維修和運(yùn)營管理中實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的研究較少，尾氣污染的成本計(jì)算在國內(nèi)外尚未形成成熟的理論和計(jì)算方法且存在節(jié)能減排量化分析數(shù)據(jù)的選擇尚不規(guī)范等問題，還需進(jìn)一步進(jìn)行研究.

2.4.2 壽命周期管理

壽命周期評(píng)價(jià)(life cycle assessment，LCA)是指在設(shè)計(jì)階段就考慮到產(chǎn)品壽命歷程的所有相關(guān)環(huán)節(jié)，對(duì)所有相關(guān)因素進(jìn)行綜合規(guī)劃、優(yōu)化及管理的一種設(shè)計(jì)理論. LCA思想起源于國外，自20世紀(jì)80年代以來，LCA方法被用于分析各種產(chǎn)品能源和資源的消耗以及對(duì)環(huán)境的影響[88]. 然而，與其他領(lǐng)域不同，對(duì)于道路基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，LCA方法仍處于早期研究階段[89]. 20世紀(jì)90年代，Roudebush[90]受美國波特蘭水泥協(xié)會(huì)的委托，進(jìn)行了第一次道路LCA的研究，本研究被認(rèn)為是與道路基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的LCA原始出版物之一. 隨后的20年里，國外學(xué)者對(duì)道路基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行了大量的LCA研究. Horvath等[91]采用卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出生命周期評(píng)價(jià)(economic input-output-based LCA,EIO-LCA)法評(píng)價(jià)了美國的熱拌瀝青路面和連續(xù)配筋混凝土路面，研究認(rèn)為瀝青路面壽命周期的材料階段能耗比水泥路面高40%，但該研究?jī)H僅討論了施工階段的能耗和壽命結(jié)束階段的再生利用，忽略了養(yǎng)護(hù)和使用運(yùn)營階段的能耗. Inyim等[92]匯總了16篇LCA方法在路面能耗中應(yīng)用的文獻(xiàn)，通過研究發(fā)現(xiàn)其中有11篇文獻(xiàn)得到的結(jié)論為水泥混凝土路面的能耗較低. 研究結(jié)果的差異可能是由于考慮了不同的階段，部分文獻(xiàn)討論了材料生產(chǎn)、施工、使用、養(yǎng)護(hù)和生命結(jié)束5個(gè)階段，而有些文獻(xiàn)只討論了其中個(gè)別階段. 除了能耗和碳排放外，對(duì)于其他空氣污染物、廢氣等也在LCA中進(jìn)行了研究. 在多項(xiàng)研究中考慮了CH4和N2O，因?yàn)樗鼈兎謩e占溫室氣體排放量的16%和6%[92]. Weiland等[93]采用LCA方法來評(píng)估路面加鋪方案，研究結(jié)果表明，采用熱拌瀝青混合料比水泥混凝土產(chǎn)生更多的氮氧化合物.

我國在21世紀(jì)初才將LCA理念應(yīng)用于道路基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域. 鄭莉[94]采用LCA方法對(duì)水泥混凝土、再生水泥混凝土和粉煤灰混凝土的環(huán)境污染排放進(jìn)行了綜合比較分析，研究表明再生水泥混凝土可有效減少CO、CxHy以及廢棄物的排放，而摻入粉煤灰可減少CO2、NOx等各項(xiàng)污染指標(biāo)，進(jìn)一步提高混凝土的綠色度. 程玲等[95]對(duì)溫拌瀝青混合料和熱拌瀝青混合料的路面攤鋪能耗進(jìn)行了研究，通過實(shí)地測(cè)量發(fā)現(xiàn)相比于熱拌瀝青混合料，溫拌瀝青混合料攤鋪階段的瀝青煙排放量降低了53.1%，CO、SO2的排放分別降低了35.4%和53.0%，溫拌瀝青混合料攤鋪路面更環(huán)保. 宋莊莊等[96]對(duì)瀝青路面3個(gè)不同階段的能耗進(jìn)行了LCA，結(jié)果表明瀝青路面使用階段的能耗與碳排放占全壽命階段的90%以上，明顯高于養(yǎng)護(hù)維修和建設(shè)施工階段. 朱浩然等[97]對(duì)路面的全壽命周期過程的能耗排放進(jìn)行研究分析，考慮了路面設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營、維修、拆除廢棄等多個(gè)階段，建立了路面的LCA指標(biāo)和框架，并開發(fā)了路面專業(yè)LCA軟件(P-LCA)，該軟件可對(duì)不同路面結(jié)構(gòu)全壽命周期內(nèi)各階段的能源消耗和環(huán)境排放通過對(duì)比分析進(jìn)行評(píng)價(jià).

運(yùn)用LCA方法評(píng)價(jià)道路基礎(chǔ)設(shè)施的碳排放，量化分析路面工程各環(huán)節(jié)、各階段的能源消耗情況，有助于對(duì)道路基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營、養(yǎng)護(hù)整個(gè)壽命周期各個(gè)環(huán)節(jié)的節(jié)能減排進(jìn)行管理，對(duì)實(shí)現(xiàn)道路基礎(chǔ)設(shè)施的綠色化、低碳化具有重要的意義. 但在目前我國的建設(shè)管理體系中，建設(shè)、管理、養(yǎng)護(hù)體系相對(duì)分離，LCA大部分僅對(duì)某一種建筑材料或某個(gè)階段進(jìn)行了研究，缺少對(duì)道路基礎(chǔ)設(shè)施整個(gè)壽命周期的研究，缺乏整體性評(píng)價(jià). 在LCA軟件方面，LCA軟件的開發(fā)都需要基于大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但我國道路工程領(lǐng)域仍缺少完善的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，還沒有開發(fā)出成熟、系統(tǒng)、完善且得到廣泛應(yīng)用的LCA軟件.

2.5 既有路面設(shè)施延壽及長(zhǎng)壽命路面建設(shè)技術(shù)

為了有效降低道路基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)年限內(nèi)的碳排放負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展功能目標(biāo)，延長(zhǎng)和提高路面設(shè)施的設(shè)計(jì)和服役使用壽命，從而在最大程度上減少路面大修養(yǎng)護(hù)工程需求，是未來道路工程建養(yǎng)實(shí)現(xiàn)低碳綠色發(fā)展的關(guān)鍵核心問題. 長(zhǎng)壽命路面技術(shù)即遵循了全壽命周期成本最低的設(shè)計(jì)理念，在整個(gè)路面服役使用年限內(nèi)，路面不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞，只需開展一定程度的功能性養(yǎng)護(hù)即可保持較好的路面使用性能[98]. 在我國目前公路網(wǎng)基本建設(shè)完成的現(xiàn)實(shí)條件下，不斷改進(jìn)提升路面結(jié)構(gòu)與材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)水平的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)路面的長(zhǎng)壽命化需破解2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，即針對(duì)既有路面的補(bǔ)強(qiáng)延壽設(shè)計(jì)技術(shù)與面向新建路面的長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)理論與建設(shè)技術(shù).

既有路面補(bǔ)強(qiáng)延壽設(shè)計(jì)方面，隨著各類無損檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)既有道路結(jié)構(gòu)承載力與服役功能的現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估手段也日益增多，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步針對(duì)性地提出既有路面的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方案，通過預(yù)防性養(yǎng)護(hù)或加鋪層設(shè)計(jì)等手段有望將既有路面的使用壽命延長(zhǎng)至30 a及以上，從而實(shí)現(xiàn)既有道路基礎(chǔ)設(shè)施服役能力的提升增值. 在此過程中，如何對(duì)既有路面中長(zhǎng)期服役耐久性進(jìn)行科學(xué)評(píng)估至關(guān)重要，近年來隨著落錘式彎沉儀和三維探地雷達(dá)的推廣應(yīng)用，為既有路面承載力精準(zhǔn)評(píng)價(jià)、路面結(jié)構(gòu)層厚度快速檢測(cè)、路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)無損探測(cè)等技術(shù)需求提供了豐富了解決方案，支撐了我國未來對(duì)現(xiàn)有公路網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的長(zhǎng)壽命升級(jí)改造[99-100].

在新建路面長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)理論與建設(shè)技術(shù)方面，為了達(dá)到路面結(jié)構(gòu)長(zhǎng)壽命的目標(biāo),未來需建立基于我國交通、環(huán)境、材料和施工條件的長(zhǎng)壽命路面設(shè)計(jì)體系. 我國此前多依托不同結(jié)構(gòu)與材料類型組合的足尺試驗(yàn)路進(jìn)行探索[101-102]. 例如，通過對(duì)某長(zhǎng)壽命瀝青路面試驗(yàn)段服役狀態(tài)的跟蹤觀測(cè)，驗(yàn)證了組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的可行性和可靠性且重載交通條件下使用7 a無任何結(jié)構(gòu)破壞，從而節(jié)省了路面結(jié)構(gòu)性養(yǎng)護(hù)的費(fèi)用投入；另一長(zhǎng)壽命路面試驗(yàn)路段自2007年通車后僅在2010年進(jìn)行了部分路段病害的小修保養(yǎng)，截至2020年尚未產(chǎn)生路面大中修養(yǎng)護(hù)需求，進(jìn)一步證明了組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)具有長(zhǎng)壽命的特點(diǎn). 同時(shí)，在長(zhǎng)壽命路面建設(shè)技術(shù)中，開發(fā)耐久性抗疲勞路面材料是其中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié). 我國現(xiàn)有山東、河南及雄安新區(qū)等不同地區(qū)的長(zhǎng)壽命路面示范工程中，大多在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了抗疲勞層的設(shè)計(jì)措施，顯著提升了路面結(jié)構(gòu)整體的抗疲勞服役壽命. 近年來，基于結(jié)構(gòu)層壽命遞增的耐久性瀝青路面設(shè)計(jì)等新思想的提出[103]，將更好地助力我國長(zhǎng)壽命瀝青路面設(shè)計(jì)理論與方法的不斷發(fā)展.

提升道路設(shè)施耐久性、延長(zhǎng)其使用壽命是從根本上減少道路基礎(chǔ)設(shè)施建養(yǎng)中碳排放的重要途徑，廣大研究者分別從道路材料性能、路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論、荷載作用下的道路結(jié)構(gòu)響應(yīng)、環(huán)境耦合作用機(jī)理等不同方面開展了研究. 但目前我國道路路面的設(shè)計(jì)和使用壽命仍較低，與國外先進(jìn)設(shè)計(jì)理論和建設(shè)技術(shù)相比，我國在新型耐久性材料研發(fā)、既有路面的科學(xué)評(píng)價(jià)與延壽設(shè)計(jì)、長(zhǎng)壽命路面設(shè)計(jì)理論等方面，尚需開展深入的創(chuàng)新性研究.

3 結(jié)論與展望

1) 道路交通基礎(chǔ)設(shè)施是交通運(yùn)輸行業(yè)重要的碳排放來源之一，在道路交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和運(yùn)營階段利用節(jié)能減排技術(shù)可有效降低碳排放.

2) 目前，在道路基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的節(jié)能減排技術(shù)主要分為綠色環(huán)保節(jié)能降碳的瀝青路面建設(shè)技術(shù)、廢棄物在道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的再生利用技術(shù)、道路可再生能源的收集和利用技術(shù)、道路設(shè)施運(yùn)營管理的優(yōu)化技術(shù)和既有路面設(shè)施延壽及長(zhǎng)壽命路面建設(shè)技術(shù)5個(gè)方面. 對(duì)于上述道路基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域節(jié)能減排技術(shù)的研究，有的比較成熟，有的仍處于研究階段，還未形成系統(tǒng)的理論、成果，還存在各方面的問題和制約.

3) 目前關(guān)于道路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)何時(shí)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰尚無準(zhǔn)確的預(yù)測(cè). 道路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面的碳達(dá)峰總量與時(shí)間的預(yù)測(cè)需要明確測(cè)算范圍和邊界，綜合分析各種影響因素變化情況，合理預(yù)測(cè)各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)的變化趨勢(shì)，進(jìn)而預(yù)測(cè)道路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面的碳達(dá)峰總量與時(shí)間，關(guān)于這一點(diǎn)尚需開展深入研究.

4) 在道路交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)、養(yǎng)護(hù)和運(yùn)營的過程中都會(huì)產(chǎn)生碳排放，要實(shí)現(xiàn)道路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域的碳中和，要將生態(tài)環(huán)保理念貫穿交通基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營和維護(hù)全過程，推進(jìn)廢舊路面、建筑垃圾、工業(yè)固體廢物等在交通建設(shè)領(lǐng)域的循環(huán)利用，建設(shè)綠色交通基礎(chǔ)設(shè)施，通過提升基礎(chǔ)設(shè)施的壽命和耐久性從整體上減少基礎(chǔ)設(shè)施的養(yǎng)護(hù)維修從而減少碳排放. 另外，做好道路交通基礎(chǔ)設(shè)施的綠化，能夠在一定程度上抵消交通運(yùn)輸?shù)奶寂欧?，為道路交通基礎(chǔ)設(shè)施盡快實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和做出重要貢獻(xiàn).

5) 為進(jìn)一步推動(dòng)我國交通行業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，科學(xué)量化交通領(lǐng)域CO2排放，在道路基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域應(yīng)結(jié)合我國道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)階段性任務(wù)，從綠色建造技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用、工程行業(yè)低碳建造與養(yǎng)護(hù)運(yùn)營管理等方面入手開展深入的科研攻關(guān)和新技術(shù)推廣工作，切實(shí)降低道路基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的碳排放.

6) 道路基礎(chǔ)設(shè)施是交通基礎(chǔ)設(shè)施的一個(gè)組成部分，應(yīng)在更廣泛的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、運(yùn)營領(lǐng)域推進(jìn)綠色、低碳技術(shù). 此外，把“雙碳”作為約束條件運(yùn)用于公路、鐵路、航空、水運(yùn)等交通系統(tǒng)的規(guī)劃和運(yùn)營過程中，整體提升交通系統(tǒng)的綠色、低碳水平.