桥面铺装结构与材料生命周期环境影响研究＊

刘沐宇 吴志强 王铖铖

（武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室 武汉 430070）

0 引 言

随着我国交通事业的发展，桥梁建设取得了巨大成就．但是近些年来，由于交通运输车流量大、行车速度高、重型车辆增多、超载严重等原因，桥面铺装出现了早起破坏问题，给车辆的运行和桥梁的维修带来诸多不便，降低了桥梁的使用寿命，使国家蒙受了大量的经济损失，对铺装层结构和铺装材料的研究逐渐引起人们的重视．桥面铺装在建设过程中消耗大量的资源和能源，对环境产生很大影响．在正常使用过程中由于桥面铺装材料的退化，使车辆的燃料消耗量增加．此外桥面铺装维护引起的车辆绕行，也会对环境产生影响．因此，随着我国环境问题的日益凸显，不能只侧重于其性能的研究，更要对桥面铺装的环境影响展开全面的分析．

Pablo Zapata给出了混凝土路面和沥青路面的简化的生命周期清单评价，分析了2种不同形式的路面生命周期的能源消耗；John A．Gamhatese等运用传统的LCA法比较分析了混凝土路面和沥青路面生命周期不同阶段的固体废弃物的排放；Yue Huang等运用生命周期方法分析评价路面施工维修所带来的环境影响，结合视觉仿真模型模拟分析路段的交通情况，建立了路面施工维修的生命周期环境影响评价模型．目前，国内外学者更多的致力于路面生命周期环境影响评价，而对桥面铺装生命周期环境影响研究尚处于初步探索阶段．

本文在当前路面生命周期环境影响研究的基础上，结合桥面铺装的实际特点，对桥面铺装的设计、原材料的生产加工、桥面施工、运营使用和维护、拆除和固体废物处置5个阶段［1］的环境影响因素进行了分析，分别建立数学模型，为全面认识桥面铺装生命周期环境影响提供理论基础，为低能耗、低污染、低排放桥面铺装材料的选择提供参考．

1 桥面铺装生命周期环境影响计算模型

1．1 目的和范围的确定

该模型建立的目的在于得到桥面铺装生命周期内环境影响总值的量化结果．其生命周期主要分成5个阶段：桥面铺装的设计、原材料的生产加工、桥面施工、运营使用和维护、拆除和固体废物处置．由于在设计阶段产生的实质性的环境影响较小，因此主要考虑后4个阶段的环境影响．边界范围的确定包含这4个阶段的能源输入及污染物输出的数据，进而对其进行量化分析，达到环境影响评价的目的．本文从全球变暖、酸化、富营养化、粉尘和固体废弃物5个方面来定量计算综合环境影响潜值，主要采用丹麦工业产品环境设计（EDIP）方法进行标准化．

1．2 原材料生产加工阶段

原材料生产加工阶段的环境影响包含原材料开采生产的直接环境影响和原材料开采生产消耗的能源在上游阶段的环境影响．则该阶段的环境影响可由下式计算

式中：φi为建材i因工艺损耗等原因造成废弃的废弃系数；mi为建材i的质量或体积；Eij为生产单位建材i的第j项环境影响潜值．

1．3 桥面施工阶段

桥面施工阶段的环境影响应分2部分：施工过程中各种建材的运输所造成的环境影响Ect；施工中各施工工艺的环境影响Ece．

1．3．1 施工阶段的运输过程 建材运输到施工现场，会消耗能源并排放污染物．运输阶段环境影响的清单分析与运输方式（铁路、公路、内河运输等）、运输距离长短、运输能耗的强度、燃料动力源（汽油、柴油）等因素有关．则

式中：di为建材i平均运输距离；Wk为不同运输方式运输单位建材单位距离的燃料消耗；Ekj，Nkj分别为消耗、生产单位燃料k的第j项环境影响潜值）．

1．3．2 施工阶段的施工工艺过程 各施工工艺的环境影响主要来自机械设备如摊铺机等运行以及施工时照明消耗能源而产生的环境影响，其大小与设备运行的动力能源以及运行时间等因素有关．本文考虑最主要的3种动力能源：汽油、柴油和电能．故施工工艺过程的环境影响为

式中：Pk为设备运行单位时间所消耗的第k种能源；Tk为设备运行的总时间．

1．4 运营使用和维护阶段

1．4．1 使用阶段 由于桥面铺装材料性能的退化，其粗糙度会逐渐增大，而粗糙度对车辆的行驶速度，燃料的消耗，汽车尾气的排放都会产生影响．使用阶段主要计算由于桥面铺装粗糙度的变化带来的环境影响．通常采用国际平整度指数（IRI）来衡量桥面的粗糙度．燃料消耗与桥面平整度之间的关系可用如下公式表示［2］：

式中：FCF为燃料消耗因子（大于等于1），通过桥面铺装材料的退化模型，可以计算出铺装材料生命周期内每年的燃料消耗因子FCFi．

则，使用阶段的环境影响为：

式中：Qi为第i年的平均日交通量；W为车辆在理想桥面上行驶单位距离的燃料消耗；L为桥长；N为桥面铺装设计使用年限．

以常见的桥面铺装材料沥青混凝土为例，本文采用Ahmed建立的自回归模型．沥青混凝土的自回归模型如下．

式中：DI为桥面铺装的痛苦指数，是桥面铺装的粗糙度和退化性能的综合度量；t为桥面铺装已使用的时间．

沥青混凝土DI值与IRI之间的关系．

1．4．2 维护阶段 桥面铺装作为桥梁附属设施的主要组成部分，随着交通量增加等因素，桥面铺装问题普遍，需要对其进行维护．此阶段的环境影响包含2部分：维护施工过程所消耗的材料和能源；桥梁封闭造成车辆绕行消耗的燃料．第一部分的计算与施工阶段类似．在计算第二部分的环境影响时需要考虑的因素有维护时的交通量、维护活动持续的时间、车辆绕行距离等．则第二部分的环境影响为

式中：Q为维护时的年平均日交通量；t为维护活动持续时间；S为车辆平均绕行距离．

通过上面的分析可以看出，运营使用和维护阶段的环境影响与桥面铺装材料的类型和维护的时间有关，因此铺装材料、维护时间的合理选择，都会对该阶段产生影响．

1．5 拆除和固体废物处置阶段

目前，桥面铺装常见的拆除方式为机械拆除，固体废物主要采取填埋；部分固废进行再利用再循环．本阶段的计算模型以机械拆除为考察对象，同时考察固废的2种处置方式．

1．5．1 桥面铺装拆除阶段 与施工阶段的环境影响的计算方法类似，以机械拆除方式为主的桥面铺装拆除其能耗或环境排放主要体现在拆除机械设备的运行上，这些设备的动力能源主要是柴油或汽油，故桥面铺装拆除的环境影响为

1．5．2 固体废物处置阶段 固体废物若进行填埋，除运输外不涉及其他能耗或环境排放，其计算方法与建材运输相同，对于固废运输，因填埋场相对固定，假定为公路运输，运输距离为50km；若对固体废物进行再利用再循环，相当于减少了与原材料生产加工相关的环境影响，但是废旧建材回收利用的环境效益计算比较复杂，本文采取简化处理：再利用再循环方式处置固体废物所获得的效益为原材料的25%．故该阶段的环境影响Et为

式中：Eto为运输固体废弃物所产生的环境影响；Etf为再利用再循环处置固体废物获得的环境效益；mw为固体废物的总质量；Ww为运输单位固废单位距离的燃料消耗；Ewj，Nwj分别为消耗、生产单位燃料的第j项环境影响潜值．

2 工程实例分析

本文以武汉大道（长江二桥—岳家嘴立交）道路改造工程中徐东高架桥为案例，钢箱梁桥面铺装自上而下采用5cm厚OGFC－13型细粒式排水沥青面层＋SBR改性乳化沥青粘层油＋4cm厚AC－13型细粒式SBS改性沥青＋SBR改性乳化沥青粘层油＋DPS防水层＋8cm厚C50钢纤维混凝土．桥面铺装的结构形式见图1．经统计计算其主要原材料使用量见表1．

图1 徐东高架桥桥面铺装结构形式

表1 主要原材料使用量

计算原材料生产加工阶段的环境影响，单位建材生产加工环境影响数据不可或缺．本文总结了国内外建材研究的一些成果［3－4］，相关数据如表2．表2列出了每种材料和能源的单项环境影响和综合环境影响．

施工阶段包含建材运输和施工机械运行所产生的所有环境影响．建材运输模型中的运输距离并非各建材的直接运输距离，而是建材的一种统计意义上的运输距离．参照国内的研究成果，钢材为125km，混凝土为50km［5］．假设采用载重量为40t的自卸卡车，并考虑往返车程，平均百公里油耗量为30L，由式（2）可计算出，在建材运输阶段共消耗汽油4 550L．又依据工程预算表，并统计施工中使用的只要机械设备，对各种机械设备的动力能源，额定功率和台班进行考察，得到施工过程消耗的资源总数见表3［6－8］．

表2 原材料环境影响标准化清单

表3 施工阶段资源消耗总量

计算使用阶段的环境影响需要对桥梁的交通量以及交通量增长率进行统计．假设该桥建成时年平均的交通量为1．6万辆，预测交通量增长率为2%，桥面铺装设计使用年限为15a，平均每辆车在理想桥面上行驶百公里耗油12L，假设在建成后第8a对桥面铺装进行一次大修，由式（4），（6）和（7）可以计算出沥青混凝土桥面铺装生命周期内每年的燃料消耗因子FCFi，见表4．则可计算出使用阶段由于铺装材料性能退化所额外消耗的汽油量6 341 186L．对于维护期环境影响的计算，由于该桥到目前为止没有进行重大维修，缺乏相关数据，类比其他同等规模桥梁维修阶段的工程量，其工程量为初始建设的25%，维护活动持续时间15d，依据当地交通情况，当桥梁实行全封闭期间，车辆需绕行8km，则可计算出由于车辆绕行消耗的汽油量230 400L．

表4 桥面铺装生命周期每年的DI，IRI，FCF值

拆除阶段主要考察的是拆除机械运行所产生的环境影响，对环境影响较小，综合环境影响潜值为170，远小于其他阶段．固体废物处置中，假定对钢材进行再循环利用，对混凝土碎块进行填埋．计算结果显示，考虑建材回收利用后，固废运输以及建材处理产生的环境影响可以被抵消一部分．可见，从生命周期角度，对建材进行回收再利用的节能减排效果明显［9］．

表5、表6为运用本文中的模型对徐东高架桥桥面铺装环境影响的量化结果．结果表明：（1）在桥面铺装生命周期的所有阶段内，原材料生产加工阶段的环境影响占总环境影响的68%，其中固体废弃物影响最大，说明该阶段对环境影响最为严重，主要原因在于材料生产加工会消耗大量的矿石资源；（2）施工阶段的环境影响所占比重较小，为7%；（3）运营使用和维护阶段环境影响所占比重为39%，其中由于桥面铺装性能退化引起的环境影响占了20%，说明铺装材料的选择对桥面铺装整个生命周期的环境影响很大．同时，不同铺装材料也会对以后维护时间、维护频率产生影响，维护期的环境影响也不能忽视．通过合理选择铺装材料则可减小使用和维护阶段的环境影响；（4）拆除阶段的环境影响很小，而固体废物处置方式的选择影响较大，对建材回收再利用的节能减排效果明显．

表5 生命周期各阶段环境影响标准化清单

表6 生命周期各阶段环境影响潜值比重

3 结束语

本文基于LCA理论，结合桥面铺装的实际特点，对桥面铺装的环境影响因素进行了全面剖析，分别对原材料生产加工、桥面施工、使用和维护、拆除和固体废弃物处置4个阶段的环境影响建立了数学模型．本文提出的综合量化计算模型，可以系统而定量地计算出桥面铺装在生命周期内的环境影响水平，为今后桥面铺装材料的选择和维护策略的优化提供理论依据．

［1］刘沐宇，林 驰，高宏伟．桥梁生命周期环境影响评价研究［J］．武汉理工大学学报，2007，29（11）：119－121．

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［3］GUGGEMOS A，ARPAD H．Comparison of envi－ronmental effects of steel－and concrete－framed buildings［J］．Journal of Infrastructure Systems，2005（6）：93－101．

［4］顾道金，朱颖心，谷立静．中国建筑环境影响的生命周期评价［J］．清华大学学报：自然科学版，2006，46（12）：1953－1956．

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［6］ZHANG H，LEPECH M D，KEOLEIAN G A．Dynamic life cycle modeling of pavement overlay systems：Capturing the impacts of users，construction，and roadway deterioration［J］．Infrastruct Syst，2010，16（4）：229－309．

［7］ZHANG H，KEOLEIAN G A，LEPECH M D．An integrated life cycle assessment and life cycle analysis model for pavement overlay systems［C］∥Proc．1st Int Symp on Life－Cycle Civil Engineering，Varenna，Italy，2008：907－915．

［8］刘沐宇，高宏伟，林 驰．基于生命周期评价的桥梁环境影响对比分析［J］．华中科技大学学报：自然科学版，2009，37（6）：108－111．

［9］龚志起，张智慧．建筑材料物化环境状况的定量评价［J］．清华大学学报：自然科学版，2004，44（9）：1209－1213．