瀝青路面全壽命周期節(jié)能減排策略案例研究

宋莊莊, 朱洪洲,2

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶市 400074；2. 重慶交通大學(xué) 交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實驗室)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，全球變暖日益加劇，低碳環(huán)保已成為當(dāng)今世界備受矚目的社會話題。高速公路的建設(shè)、運營與養(yǎng)護(hù)過程會產(chǎn)生巨大的能源消耗與溫室氣體排放，交通運輸行業(yè)正是國務(wù)院明確提出的要加快建設(shè)以低碳排放為特征的重點行業(yè)之一。目前，公路行業(yè)一般采用全壽命周期評價(Life Cycle Assessment， LCA)對公路工程的能源消耗與氣體碳排放進(jìn)行分析。LCA是一種量化分析產(chǎn)品全壽命周期能耗及排放的環(huán)境評價工具，其目的在于滿足項目使用性能的前提下，從一系列備選方案中選出環(huán)境效益最優(yōu)的方案，以期對產(chǎn)品全壽命的累計環(huán)境影響最小。因此，運用LCA來量化工程項目各個階段的環(huán)境影響，從而提出更加全面的節(jié)能減排建議。

路面LCA通常分為材料物化階段、建設(shè)施工階段、使用階段、養(yǎng)護(hù)維修階段及結(jié)構(gòu)拆除階段共5個階段進(jìn)行能耗及排放的量化評估。潘美萍選擇了3種高速公路路面結(jié)構(gòu)(半剛性基層瀝青路面Ⅰ、柔性基層瀝青路面Ⅱ與水泥混凝土路面Ⅲ)，分別對其壽命周期的4個階段(不包括使用階段)進(jìn)行了能耗及排放量化分析，結(jié)果表明：材料物化階段的環(huán)境影響最為顯著；與直接大修相比，預(yù)養(yǎng)護(hù)方案更節(jié)能減排；楊博與李肖燕均在LCA的基礎(chǔ)上采用參數(shù)傳遞法對路面使用階段進(jìn)行了研究，指出路面使用階段的能耗及排放均由車輛運營產(chǎn)生；李冠男等對高速公路的養(yǎng)護(hù)維修進(jìn)行了分析，指出車流變?yōu)閴嚎s狀態(tài)時，由交通延誤產(chǎn)生的能耗及排放呈指數(shù)型增加，且全長分車道施工是較節(jié)能減排的施工組織方式；Choi以碳稅為貨幣工具將環(huán)境排放轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益，將LCA與LCCA(Life Cycle Cost Analysis)進(jìn)行了有效結(jié)合，提出了3種不同的養(yǎng)護(hù)維修方案(修補(bǔ)、銑刨加鋪以及兩者結(jié)合)并分別對路面使用階段進(jìn)行分析，指出若LCCA考慮環(huán)境排放，當(dāng)CO2交易價格高于42.27美元/t時，銑刨加鋪是最經(jīng)濟(jì)的養(yǎng)護(hù)方案。

現(xiàn)階段關(guān)于瀝青路面LCA的研究尚沒有一個相對全面的環(huán)境影響分析，基本都集中在路面的材料物化階段、建設(shè)施工階段和養(yǎng)護(hù)維護(hù)階段，尤其是對于交通參數(shù)更加敏感的路面使用階段并未能得到足夠重視，僅少數(shù)學(xué)者對使用階段進(jìn)行了研究，導(dǎo)致路面LCA分析體系不夠完善。使用階段能耗及排放主要由運營車輛的燃油消耗產(chǎn)生，鑒于道路較長的使用壽命，使用階段的持續(xù)時間最長，其能耗及排放預(yù)計會占比路面全壽命周期的95%以上，忽略掉該階段會導(dǎo)致LCA的分析結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。

為進(jìn)一步完善路面全壽命分析方法，促進(jìn)中國公路可持續(xù)發(fā)展，該文著重對路面使用階段進(jìn)行研究。以中國某已建高速公路瀝青路面為基礎(chǔ)，針對使用階段的4個不同養(yǎng)護(hù)閾值，分別對瀝青路面LCA涉及到的各個階段進(jìn)行能耗及排放評估，提出適用于中國的高等級瀝青路面全壽命周期節(jié)能減排策略。研究結(jié)果可為瀝青路面的低碳化研究提供進(jìn)一步的參考依據(jù)。

2 瀝青路面全壽命周期分析

2.1 目標(biāo)與范圍

目標(biāo)與范圍的確定是瀝青路面全壽命周期研究的前提。該文的LCA研究目標(biāo)為定量評估瀝青路面生命周期內(nèi)的能源消耗與碳排放，涵蓋瀝青路面從“搖籃”到“墳?zāi)埂钡恼麄€過程。研究范圍按瀝青路面設(shè)計年限劃分為以下4個階段：材料物化階段、建設(shè)施工階段、使用階段及養(yǎng)護(hù)維修階段。由于很多瀝青路面達(dá)到設(shè)計年限時往往會進(jìn)行大修改造，一般不會被毀棄處置，因此該文不涉及結(jié)構(gòu)拆除階段。為簡化研究，該文僅考慮研究范圍內(nèi)與功能單元直接相關(guān)且影響較顯著的能耗及排放活動，而對于諸如人類活動以及道路照明等不予考慮。該文的LCA分析框架如圖1所示。

圖1 瀝青路面LCA分析框架

2.2 功能單元與評估參數(shù)

功能單元為路面LCA中計算能耗及排放的基本單元，它是全壽命清單分析中的一個橫向比較的度量單位，可以更直觀地反映各階段能耗及排放的差異。該文所選取的功能單元為：中國某典型1 km雙向四車道高速公路半幅路面(0.75 m土路肩+3 m硬路肩+2×3.75 m行車道+0.75 m左側(cè)路緣帶+1/2×2 m中央分隔帶)，路基寬度為26 m，路面面層結(jié)構(gòu)組成為：4 cm 改性AC13+6 cm AC20+8 cm AC25，基層結(jié)構(gòu)組成為：20 cm 3%CTB+20 cm 4%CTB+20 cm 5%CTB，設(shè)計年限為15年，設(shè)計速度為100 km/h，單車道累計當(dāng)量軸次為1.65×107次。初始年交通數(shù)據(jù)如表1所示，交通量年增長率6.5%，假設(shè)設(shè)計年限內(nèi)各類型車輛組成比例保持不變。

表1 初始年交通參數(shù)

2.3 清單分析

瀝青路面清單分析的主要內(nèi)容包括：瀝青路面全壽命周期中的能耗與碳排放。道路材料的時效清單為生產(chǎn)1個功能單元該材料需要消耗的能源與排放的當(dāng)量CO2，該清單與原材料開采工藝、運輸成本等關(guān)系較大，考慮到中國目前尚未公布統(tǒng)一的排放因子數(shù)據(jù)庫，該文結(jié)合中國瀝青路面的現(xiàn)狀整理了國內(nèi)外普遍認(rèn)可的能耗及排放時效清單數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 材料能耗及排放時效清單

工程項目最大的特點就是其唯一性，尤其是公路工程，每一個公路項目其所處地域、施工方案以及承包公司的技術(shù)管理水平都不盡相同，導(dǎo)致了道路工程在建造過程中所用材料和施工機(jī)械的數(shù)量和種類千差萬別。所以，該文選取了已投入使用的瀝青路面，利用已收集的工程資料和調(diào)研數(shù)據(jù)，對瀝青路面全壽命周期各階段展開清單分析。

2.3.1 材料物化階段

材料物化階段主要包括道路建造材料的開采、運輸、提煉以及儲存過程。根據(jù)工程量清單和《公路工程預(yù)算定額》計算1個功能單元瀝青路面主要建造材料消耗量，根據(jù)式(1)、(2)計算得出其能耗及排放如表3和圖2所示。瀝青路面材料物化階段，能耗及排放為水泥貢獻(xiàn)比例最高，占到50%以上，其次是瀝青，能耗占比32.5%，而排放僅占10.6%，再者是集料。因此，對于瀝青路面工程而言，適當(dāng)降低水泥和瀝青的物化能耗是節(jié)能減排的關(guān)鍵。

(1)

(2)

式中：TEC為總能源消耗量；TER為總碳排放量；UECi為第i種原材料的排放因子；UERi為第i種原材料的能耗因子；Mi為第i種原材料的消耗量。

表3 瀝青路面主要材料物化階段能耗及排放

圖2 材料物化階段能耗及排放比較

2.3.2 建設(shè)施工階段

瀝青路面建設(shè)施工階段的能耗及排放主要由工程機(jī)械消耗燃料與電力產(chǎn)生，按施工工藝將該階段分為3個環(huán)節(jié)：拌和、運輸、鋪筑(攤鋪和碾壓)，并根據(jù)《公路工程預(yù)算定額》和工程量清單，計算1個功能單元瀝青路面施工機(jī)械的臺班數(shù)量，參考《公路工程機(jī)械臺班費用定額》及表2的時效清單，得出建設(shè)施工過程能源消耗和氣體碳排放量，如表4和圖3所示。

表4 瀝青路面建設(shè)施工階段能耗及排放

圖3 建設(shè)施工階段能耗及排放比較

在建設(shè)施工過程各環(huán)節(jié)中，拌和階段的能耗及排放比重最大，均占到50%左右。因此，選擇生產(chǎn)效率高技術(shù)狀況良好的拌和設(shè)備是提高建設(shè)施工階段節(jié)能減排效果的有利途徑。

2.3.3 使用階段

使用階段的能耗及排放主要來自車輛行駛。當(dāng)路面開始投入運營，路面使用性能逐年衰減，車輛行駛速度也會隨之降低，從而導(dǎo)致車輛油耗的變化，該文將利用路面狀況、車速、油耗及排放之間的對應(yīng)關(guān)系來展開使用階段的清單分析。

首先需要確定路面使用性能衰變模型。選取路面行駛質(zhì)量指數(shù)(RQI)作為路面使用性能評價指標(biāo)。考慮到運營初期路面狀況實測數(shù)據(jù)的缺乏，采用同濟(jì)大學(xué)陳子建的路面行駛質(zhì)量衰變模型，如式(3)～(5)所示，并給出了適用于該項目的回歸參數(shù)值(表5)。該模型考慮了路面結(jié)構(gòu)參數(shù)、初始交通參數(shù)等因素的影響，具有較好的適用性。

RQI=RQI0{1-exp[-(A/t)B]}

(3)

(4)

(5)

式中:RQI0為新建路面行駛質(zhì)量指數(shù);A、B為方程的回歸系數(shù);t為使用時間(年);h為路面面層厚度(cm);ESAL為日當(dāng)量軸載作用次數(shù)[次/(日·車道)]；l0為初始彎沉值；a、b、c、d為回歸系數(shù)，取值如表5所示。

表5 RQI衰變方程回歸系數(shù)(半剛性基層，BZZ-100)

為了保證路面使用階段的服務(wù)質(zhì)量，通常需要進(jìn)行多次養(yǎng)護(hù)維修，路面性能也會隨之發(fā)生相應(yīng)的躍遷。該文參考JTG 5421-2018《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)設(shè)計規(guī)范》，確定4個RQI養(yǎng)護(hù)閾值：75、80、85、90，當(dāng)RQI低于上述閾值，即對路面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修。因此，得到4個不同養(yǎng)護(hù)閾值下新的路面性能衰變模型，如圖4所示。假設(shè)路面每進(jìn)行一次養(yǎng)護(hù)維修后路面性能均能恢復(fù)到最高水平。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)閾值下的路面性能衰變曲線

分別計算不同養(yǎng)護(hù)閾值下使用階段的能耗及排放：根據(jù)JTG 5210-2018《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》中RQI與IRI的換算關(guān)系[式(6)]和RQI衰變方程[式(3)]得到IRI隨路面時間變化的曲線；再代入張金喜等擬合的平均駕駛速度vo與IRI的關(guān)系[式(7)]，計算出平均車速隨路面使用時間的變化關(guān)系，將期望車速導(dǎo)入根據(jù)該研究工程參數(shù)建模的VISSIM微觀交通仿真軟件中，得到實際車速隨路面使用時間的變化關(guān)系；導(dǎo)入汽車油耗Fm與車速模型(表6)，得到不同類型車輛每輛車的日百公里油耗UFCV，利用式(8)計算出不同養(yǎng)護(hù)閾值下每一年的百公里油耗TFCV；最后對油耗變化曲線積分，得到15年內(nèi)的總百公里油耗量，該值除以100即為15年內(nèi)1個功能單元的油耗量，再利用式(1)、(2)計算出4種養(yǎng)護(hù)閾值下使用階段的總能耗及排放，如圖5所示。

(6)

vo=116.555-22.63ln(IRI)

(7)

式中:IRI為國際平整度指數(shù);vo為平均駕駛速度。

(8)

式中:TFCVt為第t年的百公里油耗；AADTVi為初始年i類車的平均日交通量；tg為年平均交通增長率；UFCVi為i類車每輛車的日百公里油耗。

由圖5可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)閾值RQI的增大，使用階段的總能耗及排放也隨之增大，當(dāng)RQI為75時最節(jié)能減排。

表6 不同類型車輛車速-油耗模型

圖5 不同養(yǎng)護(hù)閾值下的使用階段總能耗及排放

2.3.4 養(yǎng)護(hù)維修階段

養(yǎng)護(hù)維修階段的能耗及排放來自兩部分：① 養(yǎng)護(hù)維修期間的材料物化和建設(shè)施工；②養(yǎng)護(hù)維修期間的交通延誤。由于公路運營前期，預(yù)測瀝青路面設(shè)計年限內(nèi)養(yǎng)護(hù)維修策略比較困難，該文擬定了在養(yǎng)護(hù)閾值RQI分別為75、80、85、90下的4種養(yǎng)護(hù)維修策略，具體實施方案均采用目前中國典型養(yǎng)護(hù)技術(shù)：銑刨加鋪4 cm改性AC-13，養(yǎng)護(hù)維修功能單元的能耗及排放數(shù)據(jù)如表7所示。養(yǎng)護(hù)施工工期預(yù)計為5 d，施工方案采取全長分車道封閉(圖6)，車速限制為60 km/h。

表7 瀝青路面養(yǎng)護(hù)維修階段材料物化與建設(shè)施工的能耗及排放

根據(jù)前文新確定的路面性能衰變模型，得到4種養(yǎng)護(hù)策略下瀝青路面的養(yǎng)護(hù)維修年份，如表8所示。分別將所有養(yǎng)護(hù)年份的交通數(shù)據(jù)導(dǎo)入VISSIM微觀交通仿真軟件中，并根據(jù)已選施工方案建立的模型，計算出該年由于養(yǎng)護(hù)施工作業(yè)導(dǎo)致交通延誤產(chǎn)生的能耗及排放，如圖7所示。養(yǎng)護(hù)維修期間交通延誤造成的能耗及排放計算表以第12年為例，如表9所示?？梢婐B(yǎng)護(hù)維修階段交通延誤產(chǎn)生的能耗及排放逐年遞增，且均大于材料物化與建設(shè)施工的能耗及排放。主要是由于交通量逐年增長的緣故，另外車輛增多也會提高總延誤時間，使能耗及排放進(jìn)一步增加。

圖6 路面維修施工車道封閉方案(單位：m)

3 瀝青路面全壽命周期節(jié)能減排策略研究

對瀝青路面全壽命周期的能耗組成進(jìn)行分析(由于能耗與排放的變化趨勢基本一致，該文在該節(jié)中僅考慮了能耗的影響)，如圖8所示。

表8 4種養(yǎng)護(hù)策略對應(yīng)的養(yǎng)護(hù)年份

圖7 交通延誤產(chǎn)生的能耗及排放

表9 第12年交通延誤能耗及排放計算結(jié)果

圖8 瀝青路面全壽命周期能耗

從圖8可以看出：路面養(yǎng)護(hù)維修后，當(dāng)年的能源消耗會產(chǎn)生一個大幅度的躍遷，且躍遷后的能耗曲線均高于未進(jìn)行躍遷的能耗曲線。該部分的能耗變化主要由兩部分組成：① 車輛行駛的燃油消耗，由于路面養(yǎng)護(hù)維修后，路面平整度IRI恢復(fù)至較高水平，車輛平均行駛速度增加，油耗增加；② 由交通延誤與養(yǎng)護(hù)維修的材料物化、建設(shè)施工產(chǎn)生。上述兩類油耗均隨道路的交通量增加而增大。因此，可以得出全壽命周期能耗主要受兩個因素的影響，隨著路面使用時間的延長交通量的增長，以及養(yǎng)護(hù)次數(shù)的增多，全壽命周期能耗越高。瀝青路面全壽命周期節(jié)能減排的關(guān)鍵在于提高路面的使用性能和耐久性，路面服務(wù)質(zhì)量提高了，養(yǎng)護(hù)維修頻率自然減少了，從而降低了路面對車輛排放的影響。

由前文計算結(jié)果可知：路面使用階段養(yǎng)護(hù)閾值為75、80、85、95時，其使用階段在全壽命周期中能耗占比分別為96.8%、95.8%、95.0%、93.7%。使用階段的能耗隨著養(yǎng)護(hù)閾值的增大而減小。

同時，不考慮使用階段的能耗，分析瀝青路面全壽命周期的能耗組成，如圖9所示。

圖9 不考慮使用階段的全壽命周期能耗

從圖9可以看出：改變養(yǎng)護(hù)閾值，不同階段的能耗占比(考慮養(yǎng)護(hù)維修)大小依次為：材料物化階段>養(yǎng)護(hù)維修階段>建設(shè)施工階段。

4 結(jié)論

瀝青路面的使用階段是其全壽命周期內(nèi)必不可少的環(huán)節(jié)，該文將其納入整個全壽命進(jìn)行分析，完善了瀝青路面節(jié)能減排的全壽命周期理念。基于全壽命周期評價方法，量化分析了瀝青路面各階段的能耗及排放，并比較了使用階段不同養(yǎng)護(hù)閾值下的設(shè)計壽命內(nèi)總的能耗及排放，主要研究結(jié)論如下：

(1) 根據(jù)路面性能衰變曲線，以RQI為養(yǎng)護(hù)決策指標(biāo)，制定了4種養(yǎng)護(hù)維修策略，得出最佳養(yǎng)護(hù)閾值RQI為75，實現(xiàn)了養(yǎng)護(hù)決策的優(yōu)化，可為實際工程項目提供參考依據(jù)。

(2) 路面使用階段的能耗及排放逐年增長，從節(jié)能減排角度考慮，在交通量大的年限應(yīng)采用較高的養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，提高路面平整度，可降低壽命周期的能耗與排放。

(3) 瀝青路面在選取不同的養(yǎng)護(hù)閾值下，使用階段的能耗占比均達(dá)到90%以上，明顯高于全壽命其他階段，關(guān)注使用階段車輛行駛的排放，可促進(jìn)路面可持續(xù)發(fā)展。

(4) 該文測算的數(shù)據(jù)只是部分工程案例的調(diào)查結(jié)果，由于每段瀝青路面的交通量、養(yǎng)護(hù)措施、路況變化規(guī)律等方面差異較大，該文的分析結(jié)論可能與實際案例路段存在差異 ，隨著路面案例的增加及數(shù)據(jù)的積累，測算數(shù)據(jù)將不斷地更新完善，更真實地反映不同情況下的環(huán)境影響，得出節(jié)能減排優(yōu)化方案。