基于LCA的低碳干线公路耐久性路面性能研究——以G312镇江城区改线工程为例

谈 飞

（镇江市公路事业发展中心， 镇江 212028）

1 路面寿命周期评估（LCA）

“十三五”期间是我国交通运输业转型升级的关键时期，节能环保是绿色交通发展的重要抓手，也是推进交通强国的核心内容。传统的干线公路建设方案通常只考虑考虑了路面承载和功能满足需求，过于追求公路初期建设过程中的性能和经济的最佳结合，忽视了公路本质上是长期使用的产品，因此只分析公路建设过程的性能、费用和环境影响来作为决策依据是不够全面的。而寿命周期评价（Life cycle assessment，即LCA）是一种用于评价产品在其整个寿命周期中，即从原材料的获取，产品的生产、使用直至产品使用后的处置过程中，对环境产生影响的技术和方法，可以从全寿命周期去评价和决策出适用于干线公路建设的低碳材料和路面结构组合形式。

2 低碳耐久性路面结构选择

低碳路面结构是未来公路基础设施建设的主流方向，即采用低碳新材料、新方法、新工艺，实现公路工程全寿命周期范围内能耗排放强度的显著降低。其中橡胶沥青掺入的橡胶粉含量较大（一般要在15%以上），能够有效利用废旧轮胎资源，符合国家“废旧资源循环利用”的理念和“加强能源资源节约和可持续发展”理念的新材料，成品湿法橡胶沥青SMA-13 的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性等各项性能均能满足相应的技术要求，混合料动稳定度达7824 次/mm，具有较好的高温稳定性，可在干线公路沥青路面上面层使用；高模量沥青混合料一般是指模量高于改性沥青混合料的特种沥青混合料，其动稳定度达到9632 次/mm，疲劳次数达到165 万次，具有较高的强度、模量，优异的高温稳定性、抗疲劳性能，减少高温及车辆荷载作用下路面结构的塑性变形，提高路面尤其是中下面层的高温抗车辙能力，改善沥青混合料的抗疲劳性能，从而延长路面的使用寿命。本文基于废物循环利用的橡胶沥青技术以及延长道路使用寿命的高模量技术选取2 种路面结构技术方案通过全寿命技术指标比较分析来决策耐久性路面结构的组合形式。全寿命周期费用主要包括初建费用、大中修费用及期末残值组成。

表2-1 路面各种方案的初建费用清单

当干线公路路面行驶质量较差，基本不能满足现有的行车要求，需要对其进行工程改造来保证服务质量，该过程产生的成本即为维修改造成本。在使用15年年限内预估不需要进行大修，仅需开展中修养护，中修方案均以面层铣刨重铺为主。费用如表2-2 所示。

表2-2 寿命周期内养护维修阶段大中修的成本费用

采用比选方案剩余服务寿命的价值。计算公式如下：

式中：LA—最后一次养护的施工年份到寿命末（或分析期末）的年数；LE—该养护措施的预期使用寿命；Cr—该项改造措施的修建费用；SV—路面残值。

用公式分别计算几种方案的路面残值，结果如表2-3 所示。

表2-3 几种方案在路面使用末期的路面残值（1 个基本单元）

表2-4 功能单位全寿命周期费用汇总（万元，15年）

通过全寿命周期指标分析，方案B（橡胶沥青和高模量技术）虽然初期的修建成本高，但是在后期养护过程中，消耗资金少，且在很长一段时间内不需要进行维修养护，节约了大量的资金，从全寿命周期角度出发，具有较大的经济优势，同时减少了养护维修次数能源消耗较传统结构减少达60%～75%，有非常明显的节能减排优势。所以推荐干线公路段路面结构可采取B 方案。

3 低碳耐久性路面结构试验段长期性能观测

G312 镇江段进行改线工程，通过路线南移将过境大交通绕出主城区，解决了镇江城市内部交通和过境交通混行的问题，同时又解决了老城区的发展问题，对城市的发展起到良好的带动作用。本文依托G312 镇江城区改线工程，根据改线后的公路段沿线具有丰富的铁矿和石灰石矿，所以车流量较大、重载比例高的特点对A、B 方案进行优化。其中G312 镇江段公路段主线路面结构为优化后的A 方案：5cm 成品橡胶沥青SMA-13+8cm 成品橡胶沥青Sup-20。试验段采用优化后的B 方案，在公路段矿山出口长大纵坡上坡路段（右幅K20+500～K23+053，坡度2.2%～3.5%），铺筑路面结构为4cm 成品橡胶沥青SMA-13+8cm高模量EME-14+1cm 的橡胶沥青应力吸收层（增加橡胶沥青应力吸收层为了延缓基层反射裂缝的发展）。

表3-1 试验段方案汇总

试验段现场实测结果证明，采用的橡胶沥青应力吸收层严格按照质量控制标准进行撒布、养生，现场撒布均匀，粘结牢固；成品湿法橡胶沥青SMA-13试验段的渗水、芯样厚度、压实度均达到设计要求；高模量EME-14 混合料铺面效果均匀，且不存在糊面、泛油等现象，施工效果良好，压实度、渗水等指标满足要求；成品湿法橡胶沥青混合料铺面效果较好，施工效果良好，从现场摆置测试可以看出，具有较好的抗滑性能；可作为低碳耐久性路面的上面层使用。G312 镇江城区改线工程于2017年01月25日建成通车，道路建成通车后分别在2017年9月和2018年5月对路面第二车道和第三车道的车辙和平整度进行检测。

表3-1 公路段耐久性路面试验段与其他路段平均车辙深度对比（mm）

表3-2 公路段耐久性路面试验段与其他路段平整度对比（m/km）

通过数据对比公路段耐久性路面试验段与公路段其他路段车辙深度基本相当。公路段耐久性路面试验段设置在连续长大纵坡路段，如若采用传统的路面结构方案，车辙深度会比公路段其他路段要大，同时公路段耐久性路面试验段平均平整度指数小于2.0m/km，与公路段其他路段平整度指数相当。

4 结论

通过LCA 全寿命分析表明：虽然高模量耐久性路面结构的初期建设成本较传统方案高5.17%，但养护维修费用减少75%。从全寿命周期角度分析，比较方案具有明显的经济性优势。试验段跟踪观测表明，应用于长大纵坡路段的耐久性路面试验段与其他路段相比，车辙深度基本相当，平整度较好，说明课题提出的耐久性路面结构方案具有优异的抗车辙能力和耐久性。未来干线公路建设应完善基于LCA 的路面方案决策方法，并加强推广应用，进而实现公路全寿命周期内经济效益和社会效益的最大化。