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        基于LCA的干線公路低碳方案養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)分析

        2020-05-19 07:43:02盧輝庭
        山西建筑 2020年10期
        關(guān)鍵詞:大修車轍面層

        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(shí)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(shí)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(shí)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(jì)劃,用瀝青路面的永久變形制定路面的中修計(jì)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(jià)。

        1 試驗(yàn)方案

        瀝青路面設(shè)計(jì)期內(nèi)當(dāng)量軸載作用累計(jì)次數(shù)超過無機(jī)結(jié)合料層疲勞壽命時(shí),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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(yàn)總變形量(R0)分析瀝青層永久變形量,同時(shí)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(jì)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(shí)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(yàn)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(jì)算

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

        表1 交通量設(shè)計(jì)期內(nèi)累計(jì)軸載計(jì)算

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

        表2 不同方案在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)大修的次數(shù)

        由表2可知,設(shè)計(jì)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(yàn)參數(shù)計(jì)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(shí),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(jì)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(shí)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(shí)機(jī)分析

        對于中修的養(yǎng)護(hù)維修時(shí)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(shí)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(shí)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(jì)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(yàn)段性能分析

        3.1 試驗(yàn)段檢測

        針對LCA項(xiàng)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(xiàng)目路段施工完成后對LCA試驗(yàn)段進(jìn)行了取芯,壓實(shí)度分析見表4。

        表4 中面層芯樣厚度及壓實(shí)度結(jié)果

        由表4可知,兩種結(jié)構(gòu)中面層取芯分析壓實(shí)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(yàn)路段通車6個(gè)月和12個(gè)月后對該試驗(yàn)路鋪筑情況進(jìn)行了觀測,后期將對該試驗(yàn)段進(jìn)行長期性能跟蹤觀測,以評價(jià)低碳路面結(jié)構(gòu)形式的適用性。現(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(gè)月后,最大車轍均小于4 mm。通車12個(gè)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(shí)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(jì)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(shí)減少養(yǎng)護(hù)次數(shù),具有良好的全壽命周期成本。

        3)試驗(yàn)段通車12個(gè)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。

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