基于LCA的干線公路低碳方案養(yǎng)護(hù)時機(jī)分析

盧輝庭 周 勇

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112)

0 引言

干線公路交叉道口車速慢，車輛剎車、制動、轉(zhuǎn)彎頻繁，水平剪應(yīng)力大，容易出現(xiàn)車轍、推移、波浪等病害，因此養(yǎng)護(hù)時需考慮抗車轍性能。車轍影響行車安全性和舒適性，交叉口的頻繁養(yǎng)護(hù)增加養(yǎng)護(hù)成本投入。由于瀝青路面中面層對車轍貢獻(xiàn)率最大。因此，如何在合適的時機(jī)選擇適宜的中面層材料，改善結(jié)構(gòu)層應(yīng)力狀況，減少路面疲勞開裂，延緩車轍出現(xiàn)，是干線公路全壽命周期(LCA)分析的關(guān)鍵內(nèi)容。為了合理選擇養(yǎng)護(hù)時機(jī)，本文通過瀝青路面的疲勞壽命對各種方案制定大修計劃，用瀝青路面的永久變形制定路面的中修計劃，最后對干線公路全壽命周期的運(yùn)營管理階段進(jìn)行能耗與排放的環(huán)境影響評價。

1 試驗方案

瀝青路面設(shè)計期內(nèi)當(dāng)量軸載作用累計次數(shù)超過無機(jī)結(jié)合料層疲勞壽命時，瀝青路面將發(fā)生疲勞開裂，瀝青路面應(yīng)進(jìn)行大修養(yǎng)護(hù)。根據(jù)大修養(yǎng)護(hù)模型分析，方案設(shè)計期內(nèi)大修次數(shù)Mi用高斯函數(shù)表示，等于不超過車輛累計當(dāng)量軸載次數(shù)除以水穩(wěn)基層疲勞壽命的最大整數(shù)。計算如式(1)所示。

(1)

其中，Mi為大修養(yǎng)護(hù)次數(shù)，次；Ne為設(shè)計期內(nèi)當(dāng)量軸載作用次數(shù)，次;Nf2為無機(jī)結(jié)合料層疲勞壽命，次。

瀝青路面應(yīng)根據(jù)車轍試驗總變形量(R0)分析瀝青層永久變形量，同時應(yīng)根據(jù)永久變形量和容許車轍深度要求混合料動穩(wěn)定度。瀝青層永久變形量為各分層永久變形之和。各分層永久變形量計算如式(2)所示。

(2)

其中，Ra為瀝青層分層永久變形量，mm。

2 路面養(yǎng)護(hù)時機(jī)分析

結(jié)合省內(nèi)干線公路瀝青路面結(jié)構(gòu)，選擇試驗段典型路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。其中典型路面結(jié)構(gòu)一為：5 cm橡膠瀝青SMA-13+8 cm普通瀝青AC-20+38 cm水穩(wěn)碎石+20 cm石灰土。作為對比段結(jié)構(gòu)二下面層采用8 cm高模量EME-14結(jié)構(gòu)。

2.1 交通軸載計算

由交通量計算實際初始年日交通量為4 506次/d。根據(jù)交通量增長計算設(shè)計期內(nèi)總交通量4 101萬次。針對不同的車型，計算不同車型在設(shè)計期內(nèi)的累計軸載次數(shù)，如表1所示。

表1 交通量設(shè)計期內(nèi)累計軸載計算

根據(jù)瀝青路面抗疲勞性能計算結(jié)果，得到基層疲勞壽命。同時利用式(1)計算大修養(yǎng)護(hù)次數(shù)見表2。

表2 不同方案在設(shè)計使用期內(nèi)大修的次數(shù)

由表2可知，設(shè)計年限內(nèi)，兩種結(jié)構(gòu)當(dāng)量軸載次數(shù)均小于基層疲勞壽命。采用基層疲勞壽命分析模型兩種結(jié)構(gòu)均不用大修。

2.2 永久變形分析

由瀝青分層永久變形，根據(jù)交通量和室內(nèi)試驗參數(shù)計算得到兩種方案在全壽命周期內(nèi)的瀝青層永久變形發(fā)展趨勢如圖1所示。

根據(jù)瀝青分層永久變形的發(fā)展趨勢，當(dāng)路面瀝青層總的永久變形值超過10 mm時，對路面進(jìn)行中修養(yǎng)護(hù)。不同方案根據(jù)瀝青層永久變形預(yù)測的養(yǎng)護(hù)維修模型圖如圖2所示。

由圖1,圖2可以看出，結(jié)構(gòu)一設(shè)計年限內(nèi)需中修養(yǎng)護(hù)3次，而且養(yǎng)護(hù)的頻率是隨著時間推移顯示增長的趨勢。而結(jié)構(gòu)二采用高模量中面層后僅需要中修養(yǎng)護(hù)1次。由此說明采用高模量瀝青能夠降低養(yǎng)護(hù)成本，減少碳排放。

2.3 養(yǎng)護(hù)時機(jī)分析

對于中修的養(yǎng)護(hù)維修時機(jī)可知結(jié)構(gòu)一由瀝青面層永久變形指標(biāo)控制，結(jié)構(gòu)二由路面平整度指數(shù)控制。根據(jù)大中修養(yǎng)護(hù)策略可以得到兩種方案的養(yǎng)護(hù)維修時機(jī)見表3。

表3 路面養(yǎng)護(hù)維修階段大中修養(yǎng)護(hù)時機(jī)預(yù)測

對兩種方案不同壽命周期階段能耗和碳排放進(jìn)行對比，由于原材料生產(chǎn)階段和用戶階段兩種方案差異較小，主要對比用戶維修階段。計算結(jié)果見圖3。

養(yǎng)護(hù)維修階段的能源消耗是根據(jù)瀝青路面的使用性能進(jìn)行預(yù)測得到，其中結(jié)構(gòu)二采用EME下面層由于其混合料的特殊性導(dǎo)致了施工階段油耗的增加。結(jié)構(gòu)一維修次數(shù)較多，養(yǎng)護(hù)維修階段成本較大。因此結(jié)構(gòu)二全壽命周期總的能源消耗也小于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)一，從全壽命周期分析角度體現(xiàn)出了結(jié)構(gòu)二的經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益。

3 試驗段性能分析

3.1 試驗段檢測

針對LCA項目路段路況較差，交叉口路段病害嚴(yán)重路段采用結(jié)構(gòu)二方案，選擇一般路段采用結(jié)構(gòu)一進(jìn)行對比分析，處治深度為銑刨兩層瀝青面層。項目路段施工完成后對LCA試驗段進(jìn)行了取芯，壓實度分析見表4。

表4 中面層芯樣厚度及壓實度結(jié)果

由表4可知，兩種結(jié)構(gòu)中面層取芯分析壓實度和厚度均滿足要求。且瀝青面層與基層粘結(jié)良好。

3.2 長期性能跟蹤觀測

本文分別于試驗路段通車6個月和12個月后對該試驗路鋪筑情況進(jìn)行了觀測，后期將對該試驗段進(jìn)行長期性能跟蹤觀測，以評價低碳路面結(jié)構(gòu)形式的適用性?，F(xiàn)場車轍檢測情況如表5所示。

表5 現(xiàn)場車轍檢測結(jié)果

從表5檢測結(jié)果可知，兩種結(jié)構(gòu)路面，通車6個月后，最大車轍均小于4 mm。通車12個月后結(jié)構(gòu)一車轍均小于6 mm，結(jié)構(gòu)二車轍均小于2.5 mm。結(jié)構(gòu)二抗車轍效果更明顯。原路面未處治前最大車轍深度18.8 mm，處治后路面車轍病害明顯減輕。采用壽命成本周期較低的結(jié)構(gòu)二具有明顯的抗車轍性能。由此說明中面層采用高模量瀝青提高抗車轍性能，同時減少養(yǎng)護(hù)次數(shù)，具有良好的全壽命周期成本。

4 結(jié)論

1)干線公路傳統(tǒng)方案設(shè)計年限內(nèi)根據(jù)永久變形需中修養(yǎng)護(hù)3次，而采用高模量中面層后僅需要平整度中修養(yǎng)護(hù)1次。

2)傳統(tǒng)方案維修次數(shù)較多，養(yǎng)護(hù)維修階段成本較大。中面層采用高模量瀝青提高抗車轍性能，同時減少養(yǎng)護(hù)次數(shù)，具有良好的全壽命周期成本。

3)試驗段通車12個月后，高模量瀝青路面車轍深度小于2.5 mm，具有明顯的抗車轍性能。