路面壽命周期評價及養護決策探討

■馮 雷

（河北交通投資集團公司，石家莊 050000）

目前我國公路行業正由建設期過渡到養護期，公路養護維修部門在面臨養護決策時除了考慮降低總體維護成本外，還需要將路面狀況對車輛燃油消耗和維護成本考慮在內，即路表較低的粗糙度水平會降低車輛燃油的消耗和車輛磨損，而且這對環境是有益的。 此外，為了保證道路運營通暢，路政部門往往需要進行更頻繁的路面維護作業，以保持道路的服役性能，但在這一過程中通常會增加廢氣排放量且對環境產生不利影響。 但是，目前國內路面養護決策通常只考慮經濟成本。

1 理論基礎

Horvath 等[1]在選擇路面類型（即水泥混凝土路面結構或瀝青混凝土路面結構）時，認為必須要考慮可持續發展和環境的相關影響。Ekvall[2]認為LCA（全壽命周期評估） 技術是評估全壽命周期環境影響的基本技術。 迄今為止，許多研究人員[3-5]已將其應用于許多道路工程的建設中，其中包括高速公路等高等級路面。

由于交通荷載和老化引起的路面功能性退化，導致路面粗糙度（通常用國際平整度指數IRI 表示）增加，隨后車輛運行速度降低，燃油消耗增加，最后導致二氧化碳排放量的增加。根據Yu 等[6]提出的模型，IRI 每增加1 m/km， 其相同狀態下的平均速度就會降低0.84 km/h。 同樣基于這一假設，提出了計算燃油消耗系數（FCF）的方法，以描述在老化路面上行駛車輛的實際燃油消耗[7]。 FCF 是一個取值大于1 的因子，提出了兩個單獨的方程：一個用于客車（公式1），一個用于卡車（公式2）。

式中，FCF—燃油消耗系數；IRI——國際平整度指數（m·km-1）。

Zhang 等[8-9]也提出了FCF 的計算公式，該公式也給出了IRI 和FCF 之間的簡單線性關系，如公式（3）所示。Reger 等[10]認為，溫室氣體（GHG）排放與粗糙度引起的額外燃料消耗有關，同時也單獨考慮了客車和卡車二氧化碳排放量的差異性。 假設油耗的變化與粗糙度呈線性關系，即每增加一個粗糙度單位（1 m·km-1），汽車的油耗增加1.05%，卡車的油耗增加0.725%。

本試驗目的是研究使用階段和養護階段二氧化碳排放量與路面劣化程度之間的關系，同時確定路面劣化程度與加鋪層厚度之間的關系。

2 計算模型

由二氧化碳排放水平決定的全球變暖潛能值（GWP），可以對路面維護活動（即各種厚度的熱拌瀝青覆蓋層）和使用階段的二氧化碳排放量進行評估。

2.1 二氧化碳排放量計算模型

為了研究道路使用階段與建設階段對環境影響的程度，可以通過計算兩個過程的累積二氧化碳排放量進行表征，如公式（4）所示。

wn——加鋪層厚度（mm）。

該公式假設是道路服役階段的GWP 與路面的當前狀況成正比，通過國際粗糙度指數（IRI）表示，而養護處理的GWP 主要取決于加鋪層的厚度。

從公式（4）可以看出，通過以下兩個方法可以使GWP 達到最小化：（1）在更加平整的瀝青路面上行駛；（2）延長兩次養護維修工作之間的間隔時間。

其中，路面養護階段的改進程度取決于瀝青加鋪層厚度wn和處理前的路面狀況s2n。因此，其改進模型如公式（5）所示。

2.2 路面劣化模型

1994 年，Tsunokawa 等[11]在提出了路面劣化模型，并在后續的許多路面設計和養護決策程序中得到了應用，如公式（8）所示。 該模型表征了隨著路面使用時間的增長， 道面狀況的變化遵循鋸齒形軌跡；并且運用該模型的前提假設為檢測率僅取決于路面的當前狀況，該假設以公式（6）進行表示。

路面劣化模型如公式（8）所示：

式中，si——路面狀態；F[s(t)]——基于當前路面狀況的檢測率；s(t)——在t 時刻的路面狀態；f1——路面劣化過程的劣化因子，且劣化因子與道路所處的環境氣候和交通條件有關；tn——路面使用時間。

上述公式所表征的含義為： 在經過時間tn之后，道路從狀態s1劣化到狀態s2。

3 路面狀況與二氧化碳排放量關系研究

3.1 路面使用階段二氧化碳排放量計算模型

HDM-4 模型通常用于計算路面使用階段的CO2排放量。 該模型包含中型汽車和重型卡車的二氧化碳排放量模型。 基于數據模擬可以看出，對于重型車，當IRI 低于4 m·km-1時，粗糙度和CO2排放量之間存在著密切的線性關系。 然而，當粗糙度大于4 m/km 和5 m/km 時，在中型車和重型車模型中粗糙度和CO2排放量之間開始呈現出非線性行為，見圖1 和圖2。

圖1 重型車二氧化碳排放量隨粗糙度的變化

圖2 中型車二氧化碳排放量隨粗糙度的變化

表1 為中型車和重型車模型的回歸參數。

表1 中型車和重型車擬合回歸模型及回歸參數

使用HDM-4 模型通過數據模擬獲得的數據，可用于模型開發的線性和非線性回歸。 中型車的線性模型回歸系數R2等于0.869。 然而，二次多項式模型的回歸系數R2等于0.986。 這說明非線性回歸模型顯示出比線性回歸模型的結果更好。 因此，公式（9）給出了使用階段二氧化碳排放量與路面狀況（通過粗糙度指數）之間采用的關系。

3.2 路面養護維修階段二氧化碳排放量計算模型

養護維修階段實際上包括3 個獨立的階段，而在本研究中養護維修僅指在舊路面上加鋪瀝青罩面層，即不考慮生命周期的其他2 個階段。 計算養護維修階段二氧化碳排放量所采用的數據包括瀝青混合料的體積組成（瀝青與骨料的比例）、運輸距離，以及用于運輸和攤鋪瀝青混合料的設備等。 使用PaLATE 軟件計算了二氧化碳排放量與加鋪層厚度之間的關系，見圖3。

圖3 養護維修階段的二氧化碳排放量

從圖中可以看出加鋪層厚度與二氧化碳排放量之間呈現線性相關關系。 本研究建立了二者之間的線性回歸方程，如公式（11）所示，其回歸數R2為0.999。

4 路面劣化程度與加鋪層厚度關系研究

為了進一步分析，本研究選取5 個現有的正常運營路段作為優化模型進行分析。 選取的5 個路段均為城市道路，路段1 為交通量相對較小的城市輔路，路段5 為交通量最大的主干道，而路段2～4 為交通量介于二者之間的城市交通聯通道路。 優化模型以遺傳算法為基礎，利用上述模型，僅考慮IRI 值與二氧化碳排放量之間的關系。 該算法給出了一個最優解，即在先前定義的某個時間段內，使二氧化碳排放總量最小化。 另外，在計算前還需定義4 個約束條件：（1）分析期為30 年；（2）兩個加鋪層之間施工間隔的最短時間為4 年；（3）兩個加鋪層之間施工間隔的最長時間為12 年；（4）養護維修后路面的IRI 不大于2.0 m/km。

根據公式（8）可得試驗結果如圖4 所示，即根據路段的交通等級其路面養護維修的閾值也不相同。

圖4 30 年分析期內5 個斷面的國際粗糙度指數變化情況

在交通量較低的第1 路段中的分析期內，IRI的最大值為6.35 m·km-1，最佳的養護修復方案是采用厚度為7.0～8.0 cm 的加鋪層。 然而，在交通量相對較高的第5 路段中的分析期內，需要對路面進行更多的定期養護；其IRI 的最大值是4.25 m/km，最佳養護方案是采用厚度為4.5～5.5 cm 的加鋪層。

對于交通量適中的第3 路段，IRI 的最大值為4.33 m/km，最佳養護方案為鋪設厚度為4.5～6.0 cm的加鋪層。 其他2 個路段，即第2 路段和第4 路段，顯示出類似的關系。

綜上所述，在交通量較大的情況下，使用階段產生的二氧化碳排放量遠多于維護階段二氧化碳的排放量。 因此，為了降低總體排放量，需要對其進行更為頻繁的養護維修。

5 結論

（1）本試驗研究了路面劣化程度與二氧化碳排放量之間的關系，對于路面使用階段而言，重型車對路面平整度IRI 更為敏感，其二氧化碳排放量隨IRI 值的增加呈線性增長。 中型車則對路面不平整度IRI 的敏感程度較低， 其二氧化碳排放量隨IRI值的增加呈先增加后降低的一元二次多項式關系。

（2）在路面維修階段，二氧化碳排放量與加鋪層厚度呈線性關系。

（3）5 個實際路段的數值計算例子表明，瀝青加鋪層的厚度與IRI 之間有著密切的關系。 IRI 的最大值為4.25 m/km 時，加鋪層厚度為4.5～5.5 cm，而IRI 的最大值為6.35 m/km 時， 加鋪層厚度為7.0～8.0 cm；這說明為了使路面恢復合理的平整度，舊路面的IRI 值越高，其加鋪層的厚度也相對較高。