基于LCA的高速公路瀝青路面養護方案分析

2024-01-01 00:00:00陶廣平

工程機械與維修 2024年6期

摘要：制定高效可行的高速公路瀝青路面養護方案，對改善養護決策的科學性和效率，確保道路基礎設施的安全性和可用性，以及推動高速公路系統的可持續發展至關重要。通過壽命周期評價、壽命周期成本分析、壽命周期評價、壽命周期集成分析，量化分析5種高速公路瀝青路面養護方案，在不同階段的CO2排放當量、能耗值、經濟成本及環境經濟綜合成本。研究結果表明：在材料物化階段的環境經濟綜合成本最高，在施工階段最低；在不同養護方案中，就地冷再生養護方案CO2排放當量、能耗值、環境經濟綜合成本均較低。

關鍵詞：壽命周期評價法；壽命周期；綜合成本；養護方案

0" "引言

高速公路系統為社會奠定了高效的交通和物流運輸基礎，對社會經濟發展起著至關重要的作用。高速公路路面的養護，是維護道路網絡可持續性和安全性的重要組成部分[1]。隨著交通負荷的不斷增加和氣候變化的影響，路面的維護和修復變得尤為關鍵[2]。傳統的養護方法通常涉及大量的資源和能源消耗，不僅對環境造成負面影響，還增加了維護成本[3]。因此尋找一種環保、經濟高效的養護方案變得至關重要。

壽命周期評價（LCA），可以綜合考慮不同養護方案的環境影響、資源消耗以及長期經濟效益。目前，已經有多位學者針對高速公路養護方案開展了相關研究。楊晶等[4]研發了高速公路全生命周期智慧巡養管理系統，通過結合技術手段解決數據利用率低、養護決策不足等問題，提高公路養護管理的信息化水平和決策科學性。齊錫晶等[5]提出了一種多目標決策方法，通過建立養護技術數據庫、使用TOPSIS和AHP，確定養護優先級和權重，并構建多目標決策模型，有效支持公路橋梁養護管理決策。鄒群[6]引入了偽并行、最優保存和自適應參數調整策略，提出了高速公路路面養護決策混合遺傳優化方法，有效解決了養護成本降低、效率穩定性提高的問題。

在現有研究中，針對高速公路瀝青養護方案的研究相對較少，鑒于此，本研究探究了5種養護方案的碳排放、能耗值及綜合經濟成本，研究成果可為實現高速公路可持續發展和道路養護策略提供科學指導。

1" "工程概況

本文依托某高速公路工程項目，該公路為雙向四車道，全長約145.2km，路基總寬度為26m。該公路跨越多個省市，路面表面層、中面層、底面層及基層分別為中粒瀝青混凝土、粗粒瀝青混凝土、瀝青碎石、水泥及石灰土，厚度分別為6cm、7cm、12cm和50cm，路面結構總厚度為75cm。

2" "LCCA與LCA研究框架

量化分析資產管理活動常用的方法主要有壽命周期評價和壽命周期成本分析，即LCCA和LCA。LCCA從社會及經濟影響角度出發，而LCA從對生態環境影響的角度出發，將兩種方法相結合有利于優化資產管理決策計劃。

目前，現存針對LCCA及LCA的研究主要聚集在道路設計及施工、網級決策、壽命周期影響數據等方面，缺乏針對采用LCCA及LCA對路面維修及養護方案的選擇方面的研究。因此，本研究通過整合LCCA及LCA框架，量化分析不同路面維修方案對環境、社會及經濟的影響，從而選擇最優的高速公路瀝青路面養護方案。

依托某高速公路工程，根據高速公路常用的養護方式、預防性養護及日常維護方法，制定的不同養護方案如表1所示。其中，就地冷再生及就地熱再生養護方案適用于路面平整度差，破損等情況，就地冷再生方案有助于延長路面使用壽命，降低維護成本，減少對環境的影響，施工速度較快，但不適用于路面嚴重損壞或需要大程度維修，且需要定期維護。就地熱再生方案工程造價低、廢物利用率高，但抗裂效果一般。

熱拌瀝青混合料罩面及溫拌瀝青混合料加鋪罩面，適用于路面抗滑能力差的工況。這兩種方案適用范圍廣，能夠降低氣體及粉塵排放，但壓實度難以保證，且對環境具有一定污染。乳化瀝青稀漿封層適用于路面嚴重破損老化等情況，能夠大幅度提升瀝青路面性能，延長其使用壽命。

3" "不同養護方案分析

3.1" "LCA能耗與排放分析

3.1.1" "不同模型量化計算方法

高速公路瀝青路面不同養護方案下的LCA量化分析模型，由材料、能源消耗及環境排放模型組成，不同模型的量化計算方法，分別如式（1）、式（2）、式（3）所示。

M=∑mi=1∑nj=1mij" " " " " " " （1）

式中：M表示總材料消耗；m表示階段材料消耗；n和m分別表示不同階段能源類別個數和瀝青路面期階段數。

E=∑mi=1∑nj=1eij" " " " " " " "（2）

式中：E表示總能源消耗；e表示階段能源消耗。 " " " " " " " " " "P=∑mi=1∑nj=1pij" " " " " " " "（3）

式中：P表示環境排放；p表示階段環境排放。

3.1.2" "物化清單分析

物化階段清單如表2所示。由表2可知，不同養護方案物化階段下，在7種材料中，瀝青材料的能耗占比最大。在不同養護方案中，熱拌瀝青混合料罩面及溫拌瀝青混合料加鋪罩面養護方案，在物化階段的能耗值最大，均為234280.3MJ，顯著高于其余養護方案。就地熱再生養護方案在物化階段的CO2排放當量最大，為31652.8kg。

雖然熱拌瀝青混合料罩面及溫拌瀝青混合料加鋪罩面養護方案，在物化階段的能耗值最大，但這兩種方案的CO2排放當量低于就地熱再生養護方案。在5種養護方案中，就地冷再生養護方案的CO2排放當量及能耗值均最小，分別為5868.17kg和60630.585MJ。

3.1.3" "材料運輸階段清單分析

瀝青材料采用載重量10t之內的自卸卡車運輸，路程為10km，材料運輸階段量化計算清單如表3所示，在5種養護方案中，熱拌瀝青混合料罩面及溫拌瀝青混合料加鋪罩面的CO2排放當量及能耗值，相對于其3種方案較大，其中熱拌瀝青混合料罩面的CO2排放當量及能耗值均最大，分別為9057.45kg和51395.3MJ。

3.1.4" "量化計算清單分析

施工階段的耗能及CO2排放主要由施工機械產生，主要的施工機械有裝載機、壓路機、攪拌設備等，施工階段的量化計算清單如表4所示。從表4中可以看出，在不同養護方案中，熱拌瀝青混合料罩面養護方案的CO2排放當量及能耗值均最大，分別為35495.1kg和500712.1MJ。溫拌瀝青混合料加鋪罩面養護方案的CO2排放當量及能耗值次之，分別為33243.4kg和479837.7MJ。另外3種養護方案的CO2排放當量及能耗值，相對于上述兩種養護方案均較低。

3.2" "生命周期成本分析

3.2.1" "輸入成本計算

高速公路瀝青路面養護成本由輸出成本及輸入成本構成，其中輸出成本是指環境排放處理所需成本，輸入成本是指瀝青路面養護的直接投入成本。本研究主要分析輸入成本，模型表達式如下：

C=∑mi=1∑nj=1cij" " " " " " " "（4）

式中：C表示總造價；C表示階段造價。

3.2.2" "養護造價分析

根據上述模型及前文數據計算瀝青路面養護造價，如表5所示。根據不同階段的瀝青路面養護造價可知：在材料物化階段的經濟成本最高，運輸階段次之；在施工階段經濟成本最低。在5種不同養護方案中，就地熱再生及就地冷再生在不同階段的經濟成本，均低于其余3種養護方案，說明就地再生技術具有良好的經濟效益。

3.3" "LCA-LCCA集成分析

3.3.1" "環境影響值計算

針對LCA-LCCA集成分析，現有研究中常基于LCA及LCCA展開，用經濟成本值表示環境影響值的方法，具體計算方法如下：

Zi=CiaPi" " " " " " " " " （5）

式中：Zi、Ci及Pi分別表示在路面建設第i階段的總經濟成本、預算價格及CO2eq排放；a表示單位質量CO2eq的處理價格，此處取0.22元/kg。

3.3.2" "環境經濟造價分析

根據式（5）及前文數據，計算得到不同階段的環境經濟造價如表6所示。從表6可以看出，在材料物化階段的環境經濟造價較高，而在施工階段較低。對比不同養護方案的環境經濟綜合造價可知，就地熱再生養護方案的綜合造價最高，熱拌瀝青混合料罩面次之，就地冷再生養護方案的環境經濟綜合造價最低。

4" "結束語

制定高效可行的高速公路瀝青路面養護方案，對改善養護決策的科學性和效率，確保道路基礎設施的安全性和可用性，以及推動高速公路系統的可持續發展至關重要。本文基于LCA、LCCA及LCA-LCCA量化分析模型，對5種高速公路瀝青路面養護方案，在物化階段、運輸階段、施工階段的CO2排放當量、能耗值、經濟成本和環境經濟綜合成本進行，量化分析，得出以下結論：

在物化階段，就地熱再生養護方案CO2排放當量最大，就地冷再生養護方案的CO2排放當量及能耗值均最小。在物化、運輸及施工階段，熱拌瀝青混合料罩面及溫拌瀝青混合料加鋪罩面的CO2排放當量及能耗值相對于其余3種方案均較大。

材料物化階段的經濟成本最高，運輸階段次之，在施工階段經濟成本最低。就地再生技術具有良好的經濟效益，在不同階段的經濟成本均低于其余3種養護方案。

材料物化階段的環境經濟造價較高，在施工階段最低。在5種養護方案中，就地冷再生養護方案的環境經濟綜合造價最低。

參考文獻

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