橋面鋪裝結(jié)構(gòu)與材料生命周期環(huán)境影響研究＊

劉沐宇 吳志強 王鋮鋮

（武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點實驗室 武漢 430070）

0 引 言

隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展，橋梁建設(shè)取得了巨大成就．但是近些年來，由于交通運輸車流量大、行車速度高、重型車輛增多、超載嚴(yán)重等原因，橋面鋪裝出現(xiàn)了早起破壞問題，給車輛的運行和橋梁的維修帶來諸多不便，降低了橋梁的使用壽命，使國家蒙受了大量的經(jīng)濟(jì)損失，對鋪裝層結(jié)構(gòu)和鋪裝材料的研究逐漸引起人們的重視．橋面鋪裝在建設(shè)過程中消耗大量的資源和能源，對環(huán)境產(chǎn)生很大影響．在正常使用過程中由于橋面鋪裝材料的退化，使車輛的燃料消耗量增加．此外橋面鋪裝維護(hù)引起的車輛繞行，也會對環(huán)境產(chǎn)生影響．因此，隨著我國環(huán)境問題的日益凸顯，不能只側(cè)重于其性能的研究，更要對橋面鋪裝的環(huán)境影響展開全面的分析．

Pablo Zapata給出了混凝土路面和瀝青路面的簡化的生命周期清單評價，分析了2種不同形式的路面生命周期的能源消耗；John A．Gamhatese等運用傳統(tǒng)的LCA法比較分析了混凝土路面和瀝青路面生命周期不同階段的固體廢棄物的排放；Yue Huang等運用生命周期方法分析評價路面施工維修所帶來的環(huán)境影響，結(jié)合視覺仿真模型模擬分析路段的交通情況，建立了路面施工維修的生命周期環(huán)境影響評價模型．目前，國內(nèi)外學(xué)者更多的致力于路面生命周期環(huán)境影響評價，而對橋面鋪裝生命周期環(huán)境影響研究尚處于初步探索階段．

本文在當(dāng)前路面生命周期環(huán)境影響研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合橋面鋪裝的實際特點，對橋面鋪裝的設(shè)計、原材料的生產(chǎn)加工、橋面施工、運營使用和維護(hù)、拆除和固體廢物處置5個階段［1］的環(huán)境影響因素進(jìn)行了分析，分別建立數(shù)學(xué)模型，為全面認(rèn)識橋面鋪裝生命周期環(huán)境影響提供理論基礎(chǔ)，為低能耗、低污染、低排放橋面鋪裝材料的選擇提供參考．

1 橋面鋪裝生命周期環(huán)境影響計算模型

1．1 目的和范圍的確定

該模型建立的目的在于得到橋面鋪裝生命周期內(nèi)環(huán)境影響總值的量化結(jié)果．其生命周期主要分成5個階段：橋面鋪裝的設(shè)計、原材料的生產(chǎn)加工、橋面施工、運營使用和維護(hù)、拆除和固體廢物處置．由于在設(shè)計階段產(chǎn)生的實質(zhì)性的環(huán)境影響較小，因此主要考慮后4個階段的環(huán)境影響．邊界范圍的確定包含這4個階段的能源輸入及污染物輸出的數(shù)據(jù)，進(jìn)而對其進(jìn)行量化分析，達(dá)到環(huán)境影響評價的目的．本文從全球變暖、酸化、富營養(yǎng)化、粉塵和固體廢棄物5個方面來定量計算綜合環(huán)境影響潛值，主要采用丹麥工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境設(shè)計（EDIP）方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化．

1．2 原材料生產(chǎn)加工階段

原材料生產(chǎn)加工階段的環(huán)境影響包含原材料開采生產(chǎn)的直接環(huán)境影響和原材料開采生產(chǎn)消耗的能源在上游階段的環(huán)境影響．則該階段的環(huán)境影響可由下式計算

式中：φi為建材i因工藝損耗等原因造成廢棄的廢棄系數(shù)；mi為建材i的質(zhì)量或體積；Eij為生產(chǎn)單位建材i的第j項環(huán)境影響潛值．

1．3 橋面施工階段

橋面施工階段的環(huán)境影響應(yīng)分2部分：施工過程中各種建材的運輸所造成的環(huán)境影響Ect；施工中各施工工藝的環(huán)境影響Ece．

1．3．1 施工階段的運輸過程 建材運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，會消耗能源并排放污染物．運輸階段環(huán)境影響的清單分析與運輸方式（鐵路、公路、內(nèi)河運輸?shù)龋?、運輸距離長短、運輸能耗的強度、燃料動力源（汽油、柴油）等因素有關(guān)．則

式中：di為建材i平均運輸距離；Wk為不同運輸方式運輸單位建材單位距離的燃料消耗；Ekj，Nkj分別為消耗、生產(chǎn)單位燃料k的第j項環(huán)境影響潛值）．

1．3．2 施工階段的施工工藝過程 各施工工藝的環(huán)境影響主要來自機(jī)械設(shè)備如攤鋪機(jī)等運行以及施工時照明消耗能源而產(chǎn)生的環(huán)境影響，其大小與設(shè)備運行的動力能源以及運行時間等因素有關(guān)．本文考慮最主要的3種動力能源：汽油、柴油和電能．故施工工藝過程的環(huán)境影響為

式中：Pk為設(shè)備運行單位時間所消耗的第k種能源；Tk為設(shè)備運行的總時間．

1．4 運營使用和維護(hù)階段

1．4．1 使用階段 由于橋面鋪裝材料性能的退化，其粗糙度會逐漸增大，而粗糙度對車輛的行駛速度，燃料的消耗，汽車尾氣的排放都會產(chǎn)生影響．使用階段主要計算由于橋面鋪裝粗糙度的變化帶來的環(huán)境影響．通常采用國際平整度指數(shù)（IRI）來衡量橋面的粗糙度．燃料消耗與橋面平整度之間的關(guān)系可用如下公式表示［2］：

式中：FCF為燃料消耗因子（大于等于1），通過橋面鋪裝材料的退化模型，可以計算出鋪裝材料生命周期內(nèi)每年的燃料消耗因子FCFi．

則，使用階段的環(huán)境影響為：

式中：Qi為第i年的平均日交通量；W為車輛在理想橋面上行駛單位距離的燃料消耗；L為橋長；N為橋面鋪裝設(shè)計使用年限．

以常見的橋面鋪裝材料瀝青混凝土為例，本文采用Ahmed建立的自回歸模型．瀝青混凝土的自回歸模型如下．

式中：DI為橋面鋪裝的痛苦指數(shù)，是橋面鋪裝的粗糙度和退化性能的綜合度量；t為橋面鋪裝已使用的時間．

瀝青混凝土DI值與IRI之間的關(guān)系．

1．4．2 維護(hù)階段 橋面鋪裝作為橋梁附屬設(shè)施的主要組成部分，隨著交通量增加等因素，橋面鋪裝問題普遍，需要對其進(jìn)行維護(hù)．此階段的環(huán)境影響包含2部分：維護(hù)施工過程所消耗的材料和能源；橋梁封閉造成車輛繞行消耗的燃料．第一部分的計算與施工階段類似．在計算第二部分的環(huán)境影響時需要考慮的因素有維護(hù)時的交通量、維護(hù)活動持續(xù)的時間、車輛繞行距離等．則第二部分的環(huán)境影響為

式中：Q為維護(hù)時的年平均日交通量；t為維護(hù)活動持續(xù)時間；S為車輛平均繞行距離．

通過上面的分析可以看出，運營使用和維護(hù)階段的環(huán)境影響與橋面鋪裝材料的類型和維護(hù)的時間有關(guān)，因此鋪裝材料、維護(hù)時間的合理選擇，都會對該階段產(chǎn)生影響．

1．5 拆除和固體廢物處置階段

目前，橋面鋪裝常見的拆除方式為機(jī)械拆除，固體廢物主要采取填埋；部分固廢進(jìn)行再利用再循環(huán)．本階段的計算模型以機(jī)械拆除為考察對象，同時考察固廢的2種處置方式．

1．5．1 橋面鋪裝拆除階段 與施工階段的環(huán)境影響的計算方法類似，以機(jī)械拆除方式為主的橋面鋪裝拆除其能耗或環(huán)境排放主要體現(xiàn)在拆除機(jī)械設(shè)備的運行上，這些設(shè)備的動力能源主要是柴油或汽油，故橋面鋪裝拆除的環(huán)境影響為

1．5．2 固體廢物處置階段 固體廢物若進(jìn)行填埋，除運輸外不涉及其他能耗或環(huán)境排放，其計算方法與建材運輸相同，對于固廢運輸，因填埋場相對固定，假定為公路運輸，運輸距離為50km；若對固體廢物進(jìn)行再利用再循環(huán)，相當(dāng)于減少了與原材料生產(chǎn)加工相關(guān)的環(huán)境影響，但是廢舊建材回收利用的環(huán)境效益計算比較復(fù)雜，本文采取簡化處理：再利用再循環(huán)方式處置固體廢物所獲得的效益為原材料的25%．故該階段的環(huán)境影響Et為

式中：Eto為運輸固體廢棄物所產(chǎn)生的環(huán)境影響；Etf為再利用再循環(huán)處置固體廢物獲得的環(huán)境效益；mw為固體廢物的總質(zhì)量；Ww為運輸單位固廢單位距離的燃料消耗；Ewj，Nwj分別為消耗、生產(chǎn)單位燃料的第j項環(huán)境影響潛值．

2 工程實例分析

本文以武漢大道（長江二橋—岳家嘴立交）道路改造工程中徐東高架橋為案例，鋼箱梁橋面鋪裝自上而下采用5cm厚OGFC－13型細(xì)粒式排水瀝青面層＋SBR改性乳化瀝青粘層油＋4cm厚AC－13型細(xì)粒式SBS改性瀝青＋SBR改性乳化瀝青粘層油＋DPS防水層＋8cm厚C50鋼纖維混凝土．橋面鋪裝的結(jié)構(gòu)形式見圖1．經(jīng)統(tǒng)計計算其主要原材料使用量見表1．

圖1 徐東高架橋橋面鋪裝結(jié)構(gòu)形式

表1 主要原材料使用量

計算原材料生產(chǎn)加工階段的環(huán)境影響，單位建材生產(chǎn)加工環(huán)境影響數(shù)據(jù)不可或缺．本文總結(jié)了國內(nèi)外建材研究的一些成果［3－4］，相關(guān)數(shù)據(jù)如表2．表2列出了每種材料和能源的單項環(huán)境影響和綜合環(huán)境影響．

施工階段包含建材運輸和施工機(jī)械運行所產(chǎn)生的所有環(huán)境影響．建材運輸模型中的運輸距離并非各建材的直接運輸距離，而是建材的一種統(tǒng)計意義上的運輸距離．參照國內(nèi)的研究成果，鋼材為125km，混凝土為50km［5］．假設(shè)采用載重量為40t的自卸卡車，并考慮往返車程，平均百公里油耗量為30L，由式（2）可計算出，在建材運輸階段共消耗汽油4 550L．又依據(jù)工程預(yù)算表，并統(tǒng)計施工中使用的只要機(jī)械設(shè)備，對各種機(jī)械設(shè)備的動力能源，額定功率和臺班進(jìn)行考察，得到施工過程消耗的資源總數(shù)見表3［6－8］．

表2 原材料環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化清單

表3 施工階段資源消耗總量

計算使用階段的環(huán)境影響需要對橋梁的交通量以及交通量增長率進(jìn)行統(tǒng)計．假設(shè)該橋建成時年平均的交通量為1．6萬輛，預(yù)測交通量增長率為2%，橋面鋪裝設(shè)計使用年限為15a，平均每輛車在理想橋面上行駛百公里耗油12L，假設(shè)在建成后第8a對橋面鋪裝進(jìn)行一次大修，由式（4），（6）和（7）可以計算出瀝青混凝土橋面鋪裝生命周期內(nèi)每年的燃料消耗因子FCFi，見表4．則可計算出使用階段由于鋪裝材料性能退化所額外消耗的汽油量6 341 186L．對于維護(hù)期環(huán)境影響的計算，由于該橋到目前為止沒有進(jìn)行重大維修，缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)，類比其他同等規(guī)模橋梁維修階段的工程量，其工程量為初始建設(shè)的25%，維護(hù)活動持續(xù)時間15d，依據(jù)當(dāng)?shù)亟煌ㄇ闆r，當(dāng)橋梁實行全封閉期間，車輛需繞行8km，則可計算出由于車輛繞行消耗的汽油量230 400L．

表4 橋面鋪裝生命周期每年的DI，IRI，F(xiàn)CF值

拆除階段主要考察的是拆除機(jī)械運行所產(chǎn)生的環(huán)境影響，對環(huán)境影響較小，綜合環(huán)境影響潛值為170，遠(yuǎn)小于其他階段．固體廢物處置中，假定對鋼材進(jìn)行再循環(huán)利用，對混凝土碎塊進(jìn)行填埋．計算結(jié)果顯示，考慮建材回收利用后，固廢運輸以及建材處理產(chǎn)生的環(huán)境影響可以被抵消一部分．可見，從生命周期角度，對建材進(jìn)行回收再利用的節(jié)能減排效果明顯［9］．

表5、表6為運用本文中的模型對徐東高架橋橋面鋪裝環(huán)境影響的量化結(jié)果．結(jié)果表明：（1）在橋面鋪裝生命周期的所有階段內(nèi)，原材料生產(chǎn)加工階段的環(huán)境影響占總環(huán)境影響的68%，其中固體廢棄物影響最大，說明該階段對環(huán)境影響最為嚴(yán)重，主要原因在于材料生產(chǎn)加工會消耗大量的礦石資源；（2）施工階段的環(huán)境影響所占比重較小，為7%；（3）運營使用和維護(hù)階段環(huán)境影響所占比重為39%，其中由于橋面鋪裝性能退化引起的環(huán)境影響占了20%，說明鋪裝材料的選擇對橋面鋪裝整個生命周期的環(huán)境影響很大．同時，不同鋪裝材料也會對以后維護(hù)時間、維護(hù)頻率產(chǎn)生影響，維護(hù)期的環(huán)境影響也不能忽視．通過合理選擇鋪裝材料則可減小使用和維護(hù)階段的環(huán)境影響；（4）拆除階段的環(huán)境影響很小，而固體廢物處置方式的選擇影響較大，對建材回收再利用的節(jié)能減排效果明顯．

表5 生命周期各階段環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)化清單

表6 生命周期各階段環(huán)境影響潛值比重

3 結(jié)束語

本文基于LCA理論，結(jié)合橋面鋪裝的實際特點，對橋面鋪裝的環(huán)境影響因素進(jìn)行了全面剖析，分別對原材料生產(chǎn)加工、橋面施工、使用和維護(hù)、拆除和固體廢棄物處置4個階段的環(huán)境影響建立了數(shù)學(xué)模型．本文提出的綜合量化計算模型，可以系統(tǒng)而定量地計算出橋面鋪裝在生命周期內(nèi)的環(huán)境影響水平，為今后橋面鋪裝材料的選擇和維護(hù)策略的優(yōu)化提供理論依據(jù)．

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