基于LCA的高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)方案分析

摘要：制定高效可行的高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)方案，對(duì)改善養(yǎng)護(hù)決策的科學(xué)性和效率，確保道路基礎(chǔ)設(shè)施的安全性和可用性，以及推動(dòng)高速公路系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。通過壽命周期評(píng)價(jià)、壽命周期成本分析、壽命周期評(píng)價(jià)、壽命周期集成分析，量化分析5種高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)方案，在不同階段的CO2排放當(dāng)量、能耗值、經(jīng)濟(jì)成本及環(huán)境經(jīng)濟(jì)綜合成本。研究結(jié)果表明：在材料物化階段的環(huán)境經(jīng)濟(jì)綜合成本最高，在施工階段最低；在不同養(yǎng)護(hù)方案中，就地冷再生養(yǎng)護(hù)方案CO2排放當(dāng)量、能耗值、環(huán)境經(jīng)濟(jì)綜合成本均較低。

關(guān)鍵詞：壽命周期評(píng)價(jià)法；壽命周期；綜合成本；養(yǎng)護(hù)方案

0" "引言

高速公路系統(tǒng)為社會(huì)奠定了高效的交通和物流運(yùn)輸基礎(chǔ)，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。高速公路路面的養(yǎng)護(hù)，是維護(hù)道路網(wǎng)絡(luò)可持續(xù)性和安全性的重要組成部分[1]。隨著交通負(fù)荷的不斷增加和氣候變化的影響，路面的維護(hù)和修復(fù)變得尤為關(guān)鍵[2]。傳統(tǒng)的養(yǎng)護(hù)方法通常涉及大量的資源和能源消耗，不僅對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響，還增加了維護(hù)成本[3]。因此尋找一種環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效的養(yǎng)護(hù)方案變得至關(guān)重要。

壽命周期評(píng)價(jià)（LCA），可以綜合考慮不同養(yǎng)護(hù)方案的環(huán)境影響、資源消耗以及長期經(jīng)濟(jì)效益。目前，已經(jīng)有多位學(xué)者針對(duì)高速公路養(yǎng)護(hù)方案開展了相關(guān)研究。楊晶等[4]研發(fā)了高速公路全生命周期智慧巡養(yǎng)管理系統(tǒng)，通過結(jié)合技術(shù)手段解決數(shù)據(jù)利用率低、養(yǎng)護(hù)決策不足等問題，提高公路養(yǎng)護(hù)管理的信息化水平和決策科學(xué)性。齊錫晶等[5]提出了一種多目標(biāo)決策方法，通過建立養(yǎng)護(hù)技術(shù)數(shù)據(jù)庫、使用TOPSIS和AHP，確定養(yǎng)護(hù)優(yōu)先級(jí)和權(quán)重，并構(gòu)建多目標(biāo)決策模型，有效支持公路橋梁養(yǎng)護(hù)管理決策。鄒群[6]引入了偽并行、最優(yōu)保存和自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整策略，提出了高速公路路面養(yǎng)護(hù)決策混合遺傳優(yōu)化方法，有效解決了養(yǎng)護(hù)成本降低、效率穩(wěn)定性提高的問題。

在現(xiàn)有研究中，針對(duì)高速公路瀝青養(yǎng)護(hù)方案的研究相對(duì)較少，鑒于此，本研究探究了5種養(yǎng)護(hù)方案的碳排放、能耗值及綜合經(jīng)濟(jì)成本，研究成果可為實(shí)現(xiàn)高速公路可持續(xù)發(fā)展和道路養(yǎng)護(hù)策略提供科學(xué)指導(dǎo)。

1" "工程概況

本文依托某高速公路工程項(xiàng)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(gè)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(jié)構(gòu)總厚度為75cm。

2" "LCCA與LCA研究框架

量化分析資產(chǎn)管理活動(dòng)常用的方法主要有壽命周期評(píng)價(jià)和壽命周期成本分析，即LCCA和LCA。LCCA從社會(huì)及經(jīng)濟(jì)影響角度出發(fā)，而LCA從對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的角度出發(fā)，將兩種方法相結(jié)合有利于優(yōu)化資產(chǎn)管理決策計(jì)劃。

目前，現(xiàn)存針對(duì)LCCA及LCA的研究主要聚集在道路設(shè)計(jì)及施工、網(wǎng)級(jí)決策、壽命周期影響數(shù)據(jù)等方面，缺乏針對(duì)采用LCCA及LCA對(duì)路面維修及養(yǎng)護(hù)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(duì)環(huán)境、社會(huì)及經(jīng)濟(jì)的影響，從而選擇最優(yōu)的高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)方案。

依托某高速公路工程，根據(jù)高速公路常用的養(yǎng)護(hù)方式、預(yù)防性養(yǎng)護(hù)及日常維護(hù)方法，制定的不同養(yǎng)護(hù)方案如表1所示。其中，就地冷再生及就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)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(hù)成本，減少對(duì)環(huán)境的影響，施工速度較快，但不適用于路面嚴(yán)重?fù)p壞或需要大程度維修，且需要定期維護(hù)。就地?zé)嵩偕桨腹こ淘靸r(jià)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(shí)度難以保證，且對(duì)環(huán)境具有一定污染。乳化瀝青稀漿封層適用于路面嚴(yán)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(yǎng)護(hù)方案分析

3.1" "LCA能耗與排放分析

3.1.1" "不同模型量化計(jì)算方法

高速公路瀝青路面不同養(yǎng)護(hù)方案下的LCA量化分析模型，由材料、能源消耗及環(huán)境排放模型組成，不同模型的量化計(jì)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(gè)數(shù)和瀝青路面期階段數(shù)。

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(huán)境排放；p表示階段環(huán)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(yǎng)護(hù)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(yǎng)護(hù)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(yǎng)護(hù)方案，在物化階段的能耗值最大，均為234280.3MJ，顯著高于其余養(yǎng)護(hù)方案。就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)方案在物化階段的CO2排放當(dāng)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(yǎng)護(hù)方案，在物化階段的能耗值最大，但這兩種方案的CO2排放當(dāng)量低于就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)方案。在5種養(yǎng)護(hù)方案中，就地冷再生養(yǎng)護(hù)方案的CO2排放當(dāng)量及能耗值均最小，分別為5868.17kg和60630.585MJ。

3.1.3" "材料運(yùn)輸階段清單分析

瀝青材料采用載重量10t之內(nèi)的自卸卡車運(yùn)輸，路程為10km，材料運(yùn)輸階段量化計(jì)算清單如表3所示，在5種養(yǎng)護(hù)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(dāng)量及能耗值，相對(duì)于其3種方案較大，其中熱拌瀝青混合料罩面的CO2排放當(dāng)量及能耗值均最大，分別為9057.45kg和51395.3MJ。

3.1.4" "量化計(jì)算清單分析

施工階段的耗能及CO2排放主要由施工機(jī)械產(chǎn)生，主要的施工機(jī)械有裝載機(jī)、壓路機(jī)、攪拌設(shè)備等，施工階段的量化計(jì)算清單如表4所示。從表4中可以看出，在不同養(yǎng)護(hù)方案中，熱拌瀝青混合料罩面養(yǎng)護(hù)方案的CO2排放當(dāng)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(yǎng)護(hù)方案的CO2排放當(dāng)量及能耗值次之，分別為33243.4kg和479837.7MJ。另外3種養(yǎng)護(hù)方案的CO2排放當(dāng)量及能耗值，相對(duì)于上述兩種養(yǎng)護(hù)方案均較低。

3.2" "生命周期成本分析

3.2.1" "輸入成本計(jì)算

高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)成本由輸出成本及輸入成本構(gòu)成，其中輸出成本是指環(huán)境排放處理所需成本，輸入成本是指瀝青路面養(yǎng)護(hù)的直接投入成本。本研究主要分析輸入成本，模型表達(dá)式如下：

C=∑mi=1∑nj=1cij" " " " " " " "（4）

式中：C表示總造價(jià)；C表示階段造價(jià)。

3.2.2" "養(yǎng)護(hù)造價(jià)分析

根據(jù)上述模型及前文數(shù)據(jù)計(jì)算瀝青路面養(yǎng)護(hù)造價(jià)，如表5所示。根據(jù)不同階段的瀝青路面養(yǎng)護(hù)造價(jià)可知：在材料物化階段的經(jīng)濟(jì)成本最高，運(yùn)輸階段次之；在施工階段經(jīng)濟(jì)成本最低。在5種不同養(yǎng)護(hù)方案中，就地?zé)嵩偕熬偷乩湓偕诓煌A段的經(jīng)濟(jì)成本，均低于其余3種養(yǎng)護(hù)方案，說明就地再生技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.3" "LCA-LCCA集成分析

3.3.1" "環(huán)境影響值計(jì)算

針對(duì)LCA-LCCA集成分析，現(xiàn)有研究中?；贚CA及LCCA展開，用經(jīng)濟(jì)成本值表示環(huán)境影響值的方法，具體計(jì)算方法如下：

Zi=CiaPi" " " " " " " " " （5）

式中：Zi、Ci及Pi分別表示在路面建設(shè)第i階段的總經(jīng)濟(jì)成本、預(yù)算價(jià)格及CO2eq排放；a表示單位質(zhì)量CO2eq的處理價(jià)格，此處取0.22元/kg。

3.3.2" "環(huán)境經(jīng)濟(jì)造價(jià)分析

根據(jù)式（5）及前文數(shù)據(jù)，計(jì)算得到不同階段的環(huán)境經(jīng)濟(jì)造價(jià)如表6所示。從表6可以看出，在材料物化階段的環(huán)境經(jīng)濟(jì)造價(jià)較高，而在施工階段較低。對(duì)比不同養(yǎng)護(hù)方案的環(huán)境經(jīng)濟(jì)綜合造價(jià)可知，就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)方案的綜合造價(jià)最高，熱拌瀝青混合料罩面次之，就地冷再生養(yǎng)護(hù)方案的環(huán)境經(jīng)濟(jì)綜合造價(jià)最低。

4" "結(jié)束語

制定高效可行的高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)方案，對(duì)改善養(yǎng)護(hù)決策的科學(xué)性和效率，確保道路基礎(chǔ)設(shè)施的安全性和可用性，以及推動(dòng)高速公路系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。本文基于LCA、LCCA及LCA-LCCA量化分析模型，對(duì)5種高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)方案，在物化階段、運(yùn)輸階段、施工階段的CO2排放當(dāng)量、能耗值、經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境經(jīng)濟(jì)綜合成本進(jìn)行，量化分析，得出以下結(jié)論：

在物化階段，就地?zé)嵩偕B(yǎng)護(hù)方案CO2排放當(dāng)量最大，就地冷再生養(yǎng)護(hù)方案的CO2排放當(dāng)量及能耗值均最小。在物化、運(yùn)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(dāng)量及能耗值相對(duì)于其余3種方案均較大。

材料物化階段的經(jīng)濟(jì)成本最高，運(yùn)輸階段次之，在施工階段經(jīng)濟(jì)成本最低。就地再生技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，在不同階段的經(jīng)濟(jì)成本均低于其余3種養(yǎng)護(hù)方案。

材料物化階段的環(huán)境經(jīng)濟(jì)造價(jià)較高，在施工階段最低。在5種養(yǎng)護(hù)方案中，就地冷再生養(yǎng)護(hù)方案的環(huán)境經(jīng)濟(jì)綜合造價(jià)最低。

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