锚定“双碳”目标的路面方案

道路基础设施的建设与运维需要耗费大量的原材料、能源，其降碳技术直接影响交通领域双碳目标的实现。道路基础设施的绿色低碳发展需要协调材料、结构、设计、施工与运维，以高性能材料研发为核心构建双碳成套关键技术体系。本文系统介绍了道路与桥梁铺面等结构的低碳化发展方向，通过实例说明实现道路交通基础设施降碳的有效措施，并对长寿命道路体系的实现开展探讨。

交通领域的降碳关键

根据2019年数据，交通领域所导致的碳排放占我国不同行业领域终端碳排放的10%，其中公路交通占比高达86%，如图1所示。解决公路交通碳排放难题是整个交通领域碳达峰、碳中和的关键。因此，国家、省市等多个层面均颁布了如“交通强国建设纲要”“十四五现代综合交通运输体系发展规划”等促进交通领域节能降碳的政策体系。

图1 我国不同行业碳排放占比

道路交通领域的降碳面临诸多不利因素，大交通量、重载交通引发道路结构实际服役寿命远低于设计寿命，维修养护频繁，不仅导致交通拥堵，而且耗费大量不可再生能源与天然矿质材料。根据《交通运输碳达峰、碳中和》白皮书，道路建设、养护周期的碳排放总量约为7.7亿吨，而维养过程产生的固废材料无法充分循环利用，又加重了生态环境的影响。

综上，要实现降低道路交通领域碳排放，必须从高性能材料、长寿命路面、可持续再生、固废循环利用与碳效益评估等方面进行全面升级，从而真正实现绿色低碳可持续交通。

大跨径桥梁钢桥面铺装的启发

交通基础设施建设与运维正在向“资源节约、生态环保、节能高效”等方向转型，绿色低碳化工程理念也带来了产业与技术层面的系统性变革。以大跨径桥梁钢桥面铺装为例，江阴长江大桥和南京长江二桥是长江下游地区最为典型的两座桥梁，然而它们却因为不同铺装材料和技术，表现出截然不同的服役状况。江阴长江大桥于1999年建成通车，最初采用的单层浇注式沥青铺装，通车不久即病害频繁，仅仅十年间就先后尝试了7种铺装结构、11种铺装材料。南京长江二桥选择了双层环氧沥青混合料及其铺装技术，服役至今22年，交通量超过设计值20余倍，截至2022年已超4.5亿次交通量，依旧保持着良好的使用性能，碳排放量仅为江阴长江大桥的三分之一（如图2所示），成为重载交通条件下，大跨径桥梁钢桥面铺装成功的典范。

图2 江阴长江大桥与南京长江二桥碳排放测算对比

因此，以环氧沥青铺装结构为代表的高性能路面材料可显著提升铺面服役性能，服役期间仅需小修即可达到养护目的，有效降低生命周期内大修次数、减轻养护及次生碳排放，实现全生命周期减排幅度可达50%以上。

图3 “材料-结构-设计-施工-运维-再利用”成套技术体系

目前，交通基础设施的建设与运维技术正致力于高性能材料研发，及其配套的结构-设计-施工-运维-再利用技术创新，目标是进一步延长交通基础设施使用寿命至30年、乃至50年，尽可能规避服役期内频繁养护所造成的次生污染与交通拥堵影响，降低碳排放量，全生命周期降碳可超过50%，真正实现综合立体交通基础设施网络的绿色、低碳、长效服役。

低碳长寿命路面方向与路径

低碳长寿命路面

环氧沥青材料设计与优化

我国现行沥青路面设计寿命为15年，但受到大交通量、高重超载比例的影响，路面易产生裂缝、车辙等病害，往往使用3～5年后就要进行路面维修甚至重铺，实际使用寿命远低于服役年限。当前，以国家重大建设需求为导向，构建符合中国特色的、体现世界领先水平的30年长寿命沥青路面，推动我国路面工程向高质量发展，是当代路面科技研究的核心问题，也是我国路面工程技术实现跨越式引领的重要攻关方向。而这其中，高性能材料的研发是构建低碳长寿命路面体系的关键。环氧沥青是典型的路面高性能材料，其研发与应用历史可追溯至上世纪50年代，60年代成功应用于美国San Mateo-Hayward大桥的桥面铺装。上世纪90年代，东南大学首次将美国环氧沥青产品成功应用于南京长江二桥钢桥面铺装，因其具备优异的路用性能与耐久性，解决了我国大跨径钢桥通车不久就发生桥面铺装破坏的重大难题，如表1。

现阶段，需开展以环氧沥青为代表的长寿命绿色低碳铺装材料制备与优化技术，基于固化反应机理，自主研发具备高韧性、低碳排放量的环氧沥青材料。建立环氧沥青宏观性能与微观材料特征多尺度关系库，基于材料特性，明确合理的材料筛选方法，采用高通量合成制备技术，形成面向实际需求的基础材料改性，实现低掺量环氧体系对性能的显著提升，如图4所示。

图4 不同环氧体系掺量高温稳定性能提升对比

针对传统冷拌、中温沥青材料性能特征，研发高性能冷拌与中温施工环氧沥青材料制备技术，建立低碳环保的绿色低碳环氧沥青材料研发平台。基于能量等效的道路材料损伤新模型，研究超长服役周期内复杂环境与荷载耦合作用下材料长期性能演变与失效机理，建立基于性能、经济与低碳的长寿命绿色路面材料关键技术指标。

低碳长寿命薄层铺面

结构设计体系

依托高性能路面材料，可有效实现创新薄层铺装，减少建设耗材，实现道路建材资源集约化应用。此外，高性能路面材料有助于减轻结构自重，优化结构受荷，助力突破长大桥梁跨径上限，如图5所示。路面结构的减薄以高性能材料为基础，同时也应该注重创新绿色低碳沥青路面设计理论与方法，研究高性能结构层粘结材料并创新绿色耐久路面结构体系，最终形成适宜我国多场景应用的整套超低碳路面结构方案。

图5 环氧沥青钢桥面薄层铺装

开展路面类型、材料特性、结构厚度、交通等级等关键结构设计参数对沥青路面碳排放的影响评价。建立沥青路面结构碳排放评估方法与量化指标，确定不同应用场景、不同等级沥青路面的碳排放指标控制基准，建立高耐久、超低碳、经济效益优的路面结构设计理论与方法。基于所研发的绿色低碳环氧沥青材料，完成新型绿色长寿命路面结构优化设计，研究高性能结构层粘结材料，使得沥青路面由15年设计寿命提升至30年，节省石料等铺装材料消耗超50%以上，并形成面向多场景应用的铺面结构动态设计平台。

低碳环氧沥青长寿命路面

施工、监测与组织

建立各施工工序能耗与碳排放量化评估模型，实现绿色施工具体方案对比优选，形成低碳施工工艺流程并研发专项施工设备。搭建碳排放与施工质量实时监管平台，灵活调度资源与调整施工组织方案，实现集约化-零间隙设计与施工，如图6所示。

图6 铺面结构动态设计平台

研究绿色沥青路面施工中材料拌和、施工调度以及碾压等关键技术指标体系，研究施工工艺对道路服役水平及碳排放的影响，建立设计-施工一体化的质量与碳排放控制体系和指标。创新中温与低温拌和沥青路面结构施工工艺，与传统热拌施工工艺相比实现超45%碳排放减少目标；完成专用施工设备研发，避免环氧铺装的专业施工设备与苛刻的施工温度和时间限制，最大程度实现机械化与标准化，保证铺装施工质量。基于现场施工能耗、温室气体、压实度等指标的自动化监测，搭建碳排放与施工质量实时监管平台，灵活调度资源与调整施工组织方案，实现集约化、零间隙施工。

碳排放实时在线监测系统

及一体化减排措施研究

追踪环氧沥青长寿命路面服役期间碳排放的全过程，对运营养护阶段的碳排放来源（碳源）及影响因素进行全面分析。在此基础上，搭建公路碳排放实时监测系统框架，开发监测系统，对全路段碳排放进行实时监测和数据分析。秉持“数据赋能低碳运维”理念，建立公路服役期间碳排放实时监测系统，并借助信息化检测设备完成路面性能的高精度检测，建立信息化管理平台完成多源数据管理。建立公路运维期间交通碳排放总量随交通特性、路面性能特性的变化曲线，量化评估不同养护措施的性能提升效益与工程碳排放总量。建立考虑低碳与性能提升需求的养护决策模型，为实现长寿命沥青路面服役、全生命周期低碳管理提供科学支持，最终实现沥青路面30年长效高质量服务及全生命周期碳减排90%以上的发展目标。

高掺量高品质下

旧料精细化再利用

2022年末全国公路总里程为535.48万公里，比上年增加7.41万公里，增长速度和建设总规模居世界第一。但公路里程的快速增长也带来了繁重的路面养护工作。截至2022年底，养护公路里程达到535.03万公里，占公路总里程99.9%（如图7所示）。我国公路在十三五期间已由“建设为主”逐步过渡到“建养并举”和未来“以养为主”的新发展阶段。

图7 2015～2022年全国公路总里程及养护占比

沥青路面改扩建对于砂石资源的依赖性很强，据统计，我国每年新建超过10万公里的公路，仅路面工程就消耗天然砂石料、沥青和各类石油衍生品高达约6亿吨。公路工程改扩建、维养都要消耗大量的能源并形成大量旧路废弃物。持续增加的能源需求压力、加速的自然资源消耗和迫切的环保需求，促使公路建设维护必然向环境友好型方向进行转变。目前，我国旧沥青路面材料再利用比例较低，既造成了环境污染，又产生了大量的碳排放。因此，为提高路面旧料的绿色降碳高效利用，应开展旧料循环利用技术研发，通过新材料与新工艺的应用，实现旧料超60%大掺量再生利用与降碳目标。

研究与建设基于环氧沥青体系的旧沥青混合料高效再利用绿色低碳科技示范工程，形成基于环氧沥青体系的高效再利用技术，通过示范工程完善工程应用技术，实现“高比例再利用”和“长期路用性能提升”这一公路交通基础设施领域重大技术突破，将有力保障节能减排效益、实际路用性能及长期耐久性能等多目标达成，如图8所示。首先，通过提高沥青路面旧料的用量，降低路面工程对筑路材料的需求，从而减少各类原材料在生产或开采过程中产生的能耗和排放。第二，通过研发新型绿色环氧沥青体系，在保证旧料掺量的同时，优化绿色环氧沥青体系制备工艺，实现环氧沥青体系生产过程中的节能减排。第三，在混合料施工时，新型环氧沥青体系可实现低温拌和及压实，从而降低施工过程中的能耗水平。第四，在路面全生命周期中，得益于环氧沥青路面的高耐久性，路面后期养护维修大幅降低，从而减少养护维修中的能耗水平和排放量。第五，因为养护维修频次降低，道路通行能力得到保证，从而减少汽车由于堵塞、事故等引起的碳排放和能耗。通过以上方面，将大量减少路面工程全生命周期的能耗和碳排放，产生最大化的经济效益和环境效益。

图8 环氧体系再生混合料研究与典型路用性能

低碳长寿命钢渣沥青路面

材料与结构研究

除旧路面材料外，开展资源综合利用是我国深入实施可持续发展战略的重要内容。钢渣作为钢铁工业炼钢的废弃产品，其产生量可以达到粗钢生产量的10%-20%，数量巨大。2022年中国钢渣产量约为1.53亿吨，堆存量约为14.46亿吨。大量的钢渣堆积不仅占用土地资源，而且会造成重金属、水资源、扬尘、放射性等严重污染问题。因此，如何在减少碳排放前提下实现二次循环再利用是目前亟待解决的核心问题。

钢渣作为一种工业废弃物应用到道路建设，具有其独特的优势。首先，钢渣棱角性较好，质地坚硬，力学强度高，抗滑耐磨。将其应用在道路建设中可以提高路面的安全性和耐久性。其次，钢渣成本较低，用钢渣替代石料用于路面建设能够明显地降低工程造价。此外，钢渣筑路可以提升钢渣资源化利用率，保护生态环境，开拓我国交通运输行业“降碳减排、资源利用”的探索之路，实现低碳绿色转型。长久以来，钢渣作为一种废弃材料应用到公路建设当中，虽然具有很大的优势，但回收和利用率不高，导致部分钢渣被堆放而非有效利用，从而使堆放量上涨。其根本原因在于钢渣表面的f-Cao、f-Mgo在其陈化过程中或者沥青混凝土服役过程中发生了改变，钢渣遇水发生膨胀，导致沥青混合料稳定性不足，沥青路面容易出现随机开裂，表面破坏等问题。当前，众多国内外学者对抑制钢渣的膨胀性进行了大量的研究，主要包括浸水处理、掺加矿质材料、表面改性工艺、水与粉煤灰联合预处理、改善处理工艺等方法，但由于工艺繁琐且成效难以控制，制约了钢渣在公路建设与养护领域的大规模应用。

掌握了钢渣颗粒对沥青混合料性能的影响规律，建立可用于工程实际应用的钢渣沥青路面施工方法，并通过试验段工程项目进行验证是现阶段的关键。同时，综合开展钢渣路用评价指标、混合料设计方法、多场景结构体系、施工工艺和质量管控以及长期运维管理等研究，强化针对性的前瞻性技术攻关部署，瞄准钢渣沥青混凝土材料设计、施工、验收各个环节与关键节点，突破关键核心技术和重要技术标准难点，为推动钢渣沥青混凝土路面的应用提供有力支撑。其中，通过环氧体系材料对钢渣沥青混合料性能的优化，可在不经预处理的前提下显著提高钢渣颗粒在沥青混合料中的适用性，增强结构耐久性能，在与其他典型材料的对比中表现出优异性能（如图9所示）。工程实践已经表明，环氧钢渣沥青混合料相对玄武岩沥青混合料性能更为优异，采用钢渣替代玄武岩在混合料性能上是可行的。经济成本通过核算也表明，采用钢渣替代玄武岩可有效降低材料成本。添加环氧体系后，其建设成本有所增加，但由于显著降低如钢渣膨胀等引起的路面病害，其全寿命周期内维养成本大幅下降，能够有效实现废料再利用的降本增效。

图9 钢渣环氧沥青混合料性能与膨胀性

结语

我国碳排放占比已处于世界前列，节能减排刻不容缓。而道路基础设施的建设与养护涉及大量天然原材料与能源消耗，其能否实现绿色低碳发展，是实现交通领域碳达峰、碳中和的关键。工程实践表明，材料是路面结构长寿与绿色低碳的关键，尤其是环氧沥青高性能材料的应用可有效降低工程全生命周期碳排放。因此，科研、设计、施工、运维、管理等不同阶段均需要掌握工程本质，实现材料创新、结构创新、设计创新、施工创新。通过聚焦固废材料高质量循环利用，可保障公路工程实现大交通、重载应用场景下30年使用目标，全生命周期碳排放减少90%，从而实现高性能材料、长寿命结构、精细化施工、高品质养护齐头并进，迈向碳达峰、碳中和下经济效益、社会效益的全面提升。

本文刊载 / 《桥梁》杂志

2023年 第6期 总第116期

作者 / 黄卫 罗桑 胡靖 徐光霁

作者单位 / 中国工程院

东南大学智能运输系统研究中心

编辑 / 王硕

美编 / 赵雯

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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