综述：桥梁的生命周期碳评估：整合设计、施工过程、维护以及报废后的循环利用策略

《Environmental Impact Assessment Review》：Life cycle carbon assessment of bridges: Integrating design, construction processes, maintenance, and circular end-of-life strategies

桥梁全生命周期碳减排研究：涵盖设计、施工、运维及拆除阶段，分析不同结构类型（混凝土拱桥、斜拉桥等）及材料（FRP、木材等）的碳排放特征，识别施工（桩基、模板等）、运维（涂层、加固）和拆除（回收、再利用）的关键排放源，提出基于数字孪生、循环经济的设计优化和减排策略，揭示方法论差异（系统边界、数据来源）对结果可比性的影响。

　　

秦晓春|王angechi Vicky Wangari|龚薇薇|李奇丽|刘杰|李瑞杰|张丽伟

北京交通大学土木工程学院，中国北京100044

摘要

桥梁由于依赖水泥、钢材、沥青等材料以及建设过程中对柴油的高消耗，成为碳排放的来源。生命周期评估（LCA）提供了一个框架，用于量化设计、施工、使用寿命和寿命终结阶段的这些排放。在50到100年的使用寿命期间，诸如表面处理、重新涂漆、改造和交通管理等活动都会导致运营排放。寿命终结时的拆除和材料回收也带来了与循环利用相关的挑战。因此，桥梁成为基础设施脱碳工作的重点领域。本文回顾了与桥梁相关的所有阶段的碳排放：结构设计、施工过程、使用寿命、维护和寿命终结实践。分析了各种结构类型，包括混凝土拱桥、梁桥和预应力系统、钢梁桥以及缆索支撑桥，还有新兴材料如木材、复合材料、纤维增强聚合物（FRP）和模块化系统，以展示材料选择和设计如何影响隐含排放。确定了施工活动中的主要排放源，如打桩、模板、土方工程和沥青铺设，以及导致重复排放的使用寿命干预措施和保护涂层。寿命终结情景评估了拆除的影响，并探讨了模块化再利用、回收和可拆卸设计的策略。该研究将桥梁过程与包括酸化、富营养化、颗粒物形成、人类和生态毒性以及资源消耗在内的中间指标联系起来，将分析范围扩展到了传统的全球变暖潜力衡量标准之外。知识图谱可视化展示了水泥生产、钢铁制造、沥青加工和柴油燃烧等过程如何导致各种环境影响。本文区分了不确定性，如系统边界、区域能源构成、数据变异性和未来维护预测，以及研究空白，包括与交通相关的排放、气候适应性和数字孪生的整合。

引言

桥梁和涵洞对人类出行起着重要作用，同时也是重要的生态通道，支持野生动物的栖息地连通性。它们有助于减少道路的隔离效应，从而缓解栖息地破碎化并支持生物多样性。这一生态作用突显了在生命周期碳评估中包含桥梁的重要性，因为其设计和材料选择需要同时考虑环境成本和生态效益（Qin等人，2023年）。由于桥梁大量使用混凝土、钢材和其他材料，加上随时间所需的维护，它们可能对环境产生显著影响。最近的估计表明，基础设施的生命周期活动约占全球能源使用的40%，其中施工过程对温室气体排放有显著影响（Zhou等人，2020年）。仅水泥制造就占全球二氧化碳排放量的大约8%（Andrew，2018年；Khaiyum等人，2023年）。钢铁制造需要高温和化石燃料的消耗。与其他结构（如道路和铁路）相比，桥梁建设通常更具碳密集性。使用生命周期评估对高速公路建设进行环境经济分析表明，涉及桥梁、涵洞和隧道的分项目产生的环境影响最大（Tascione等人，2024年）。

桥梁建设的二氧化碳强度较高，为120.1吨二氧化碳/米，而隧道为29.6吨二氧化碳/米，道路为7.5吨二氧化碳/米（Seo和Kim，2013年），并且高架桥和桥梁的长度与其特定的温室气体（GHG）排放之间存在直接相关性（Lee等人，2020年）。在各种桥梁组件中，桥墩柱的碳足迹最大。这一显著的碳足迹主要归因于结构材料的大量使用。其他组件，如桩基、横梁和桩帽，也显著贡献了碳足迹，分别为每个桥墩单元3.5396吨、3.5124吨和2.6354吨二氧化碳当量（Wahid等人，2019年）。

先前的研究表明，研究在范围和深度上往往存在差异，有些研究仅关注材料生产。相比之下，其他研究试图包括使用阶段的影响或新兴材料的效益。由于假设不同、功能单位或LCA方法的不同，结果可能不一致或不可比较。材料生产和加工阶段一直被认为是环境影响最大的（Kaewunruen等人，2020年；Ma等人，2021年），而其他研究则强调某些桥梁类型在使用阶段的交通对碳排放的显著贡献（Zhou等人，2020年）。

研究表明，通过材料选择、设计优化和创新维护方法可以改善桥梁（Mili?和Bleiziffer，2024年）。优化桥梁设计可以提高结构效率，降低生命周期成本并减少环境影响。最近的研究集中在通过结合多约束模型来优化大型桥梁在静载和动载下的环境性能。使用3D有限元模型结合群体智能优化和二次插值，研究解决了多载荷、离散数据和收敛性的挑战。结果表明，优化的桥梁拓扑结构和尺寸可将碳排放减少多达2242.92吨，占总排放量的25%（Zhou等人，2022年）。

评估桥面铺装材料的耐久性和碳排放表明，环氧沥青因其优异的耐久性，在20年的使用期内能有效减少碳排放（Wang等人，2023年）。降低热固性环氧沥青粘合剂中的环氧树脂含量可以降低成本和碳排放。环氧树脂含量较低的粘合剂可将碳排放减少26.3%（Sun等人，2023年）。利用碳纤维代替传统钢筋的纺织增强混凝土（TRC）在生产过程中减少了二氧化碳排放（Rempel等人，2017年）。同样，用煤灰和粉煤灰矿渣替代混凝土混合物中的水泥也减少了大约34-43%的碳排放（Shau等人，2019年）。一旦投入使用，桥梁的直接排放通常较低；然而，维护活动和交通中断可能会导致间接排放。

尽管许多研究已经考察了桥梁基础设施的碳排放，但大多数研究仅关注生命周期的孤立阶段，如材料生产或施工。在统一的碳评估框架内全面整合设计、施工、维护和寿命终结的所有阶段仍存在显著差距。大多数研究常常忽视了循环策略和先进的数字工具，这些工具可以增强整个生命周期的可持续性。系统边界、功能单位、数据来源、碳核算标准以及是否包含维护和寿命终结阶段的差异，使得难以跨桥梁进行排放基准比较。关于新材料、数字工具和创新的桥梁建造方法的碳性能的证据分散，难以量化它们的整体影响。

为了解决这些限制，本综述整合和系统化了现有关于桥梁LCA的研究，涵盖了设计、施工、维护和寿命终结阶段的研究成果。它旨在建立对桥梁生命周期内碳来源、方法实践和缓解方法的统一理解。该综述探讨了核心的LCA概念、标准和环境影响类别，同时识别了不同桥梁类型和生命周期阶段的主要碳排放活动和影响因素。它还评估了减少排放的新兴技术和工程方法，并分析了阻碍研究间可比性的方法学不确定性。该综述还开发了一个综合的概念框架，将这些相互依赖性联系起来。

小节片段

关键词选择和搜索策略

本综述的关键词策略围绕四个核心支柱构建：生命周期评估、碳和环境影响、桥梁基础设施和寿命终结策略。为了捕捉专注于LCA的研究，搜索包括完整和缩写术语，如“生命周期评估”、“LCA”、“生命周期碳”、“碳排放”、“隐含碳”、“碳足迹”、“二氧化碳排放”、“温室气体排放”和“GHG”。同时使用了完整术语和常见缩写

碳核算和管理协议的比较

近年来，为了弥补ISO 14040–44标准中的方法学空白，已经制定了许多指南和框架，这些标准仍然是LCA的主要参考。虽然这些举措有助于提高分析的一致性，但由于缺乏单一的权威参考，也有可能造成混淆（Tascione等人，2024年）。英国标准协会引入了量化碳足迹的开创性标准PAS 2050（BSI，2008年）。

结构设计对碳排放的影响

不同的结构设计对桥梁建设中的碳排放有显著影响（de Paula Filho等人，2023年）。如图5所示，不同类型的桥梁与其特征性的结构组件相关，这些组件又决定了诸如钢筋混凝土、高强度钢、沥青和木材等材料的选择。这些材料直接关联到主要的碳排放源，包括水泥二氧化碳排放、钢铁生产、沥青生产等

减少桥梁碳排放的创新方法

一些现代桥梁配备了可再生能源功能，主要用于为桥梁上的照明或传感器供电。尽管对桥梁排放的直接影响较小，但从象征性和累积角度来看，这有助于减少排放。在侧栏或塔上安装太阳能电池板的桥梁可以产生电力，抵消电网的使用（Hu等人，2015年；Stabnikov等人，2015年）。还利用压电和电磁转换结合的方式收集能量，以维护桥梁的健康状况

桥梁LCA中的不确定性

桥梁生命周期碳评估的一个关键但常被忽视的方面是严格的不确定性分析。许多研究依赖于通用数据库，或缺乏数据假设的透明度，这对桥梁来说尤其成问题，因为它们的长使用寿命放大了维护和交通变化等不确定因素的影响。这些因素无法提前直接测量，因此需要明确的概率或基于情景的处理来避免

结论

桥梁在其生命周期内会产生大量碳排放，这反映了桥梁基础设施的材料密集度、结构复杂性和长使用寿命。本综述综合了现有的桥梁生命周期评估研究，以识别主要的排放源、方法学不一致性和新兴的缓解途径。在文献中，材料生产和施工阶段一直被认为是生命周期碳排放的主要贡献者

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究工作得到了国家自然科学基金（资助编号52078034）和宁夏重点研发计划（资助编号2022BEG02056）的支持。