胎-路滚动阻力对道路碳排放与能源消耗的影响综述

冉茂平, 田裕丰, 周兴林, 蒋睿锲

(1.武汉科技大学汽车与交通工程学院, 武汉 430070; 2.武汉科技大学机械自动化学院, 武汉 430061)

碳排放是全球产业发展的重要制约因素,转向低碳能源系统已成为全球共识。2020年9月,中国明确提出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”双碳战略目标[1-2]。其中,交通运输业是全球“碳排放”的主要来源之一,以中国当前交通行业碳排放的发展趋势,预计2030年将达到年排放11.08亿t。因此,如何有效降低交通碳排放量成为中国实现“双碳”目标的挑战。

滚动阻力直接影响车辆的燃油消耗与尾气排放量[3],减少滚动阻力是减少交通碳排放量的可靠策略。一方面,减少轮胎滚动阻力将直接减少油耗,从而降低碳排放量。据统计,每辆车行驶油耗的20%用于克服轮胎滚动阻力,轿车轮胎滚动阻力减少10%会使油耗减少3%,另一方面,滚动阻力也会加快轮胎和路面的损耗,缩短轮胎和路面的使用周期,在生产和施工阶段产生更多的碳排放量。因此,降低滚动阻力有助于减少道路交通的碳排放量,对实现碳达峰、碳中和目标具有重要意义。

自“十一五”中提出节能减排政策,各行各业为建设美丽中国做出巨大努力。中国交通运输业中,从“沥青碎石结构路面”到使用改性沥青的“新型沥青路面”,公路养护方式从传统“铣创+摊铺”到“集约化、专业化和节能环保”的绿色养护,从普通的“充气式轮胎”到“正向子午化、扁平化和无内胎化”的抗滑低滚轮胎,无不彰显着中国向“低碳环保型交通”发展的决心。王鹏等[4]聚焦于降低改性沥青的损耗因子,减少沥青材料的阻尼,对研发路面低滚动阻力的改性沥青材料有参考价值。王国林等[5-6]专注于汽车轮胎与路面接触相互作用方面的研究,揭示接地特性参数与滚动阻力之间的关联,研发了防滑轮胎花纹沟槽、仿生胎冠子午线轮胎,为轮胎工业发展提供了极高的工程价值。Liu等[7]专注于公路交通中的低碳发展问题,深层次分析道路交通中各阶段的碳排放来源,提出绿色环保的道路养护策略,推动了道路养护科学节能减排的发展。

为了系统地梳理和分析滚动阻力产生机理及其对道路碳排放的影响。现首先介绍滚动阻力的产生机理,从轮胎、路面和环境温度方面总结影响滚动阻力的主要因素,随后综述基于滚动阻力的碳排放研究现状,重点总结基于胎-路滚动阻力的碳排放测算模型,最后归纳降低胎-路滚动阻力的有效措施,明确提出该领域的研究进展及现存的研究难题。

1 胎-路滚动阻力

1.1 胎-路滚动阻力产生机理

传统意义上认为路面与轮胎之间形成的阻碍轮胎滚动的力为滚动阻力,但其实在车辆行驶时路面与轮胎相互作用非常复杂,滚动阻力是多种相互作用力结合的结果,主要表现为因轮胎变形而造成的迟滞损失[8]:在车辆自重的情况下,轮胎与地面接触区域产生形变,因轮胎橡胶的黏弹性材料特性而造成的迟滞损失。黏滞发生在胎-路实际接触区域,一般来说,橡胶化合物越软,轮胎上的垂直力越高,由于地形周围的橡胶变形,接触区域越大,黏滞效果就越大。在滑动过程中,粗糙地形的微凸体在橡胶表面上施加振荡力,导致橡胶的循环变形,并通过橡胶的内部阻尼耗散能量[9]。等效的轮胎模型可以看作竖向和沿着圆周方向的多个弹簧元件,轮胎与地面接触的部分使得弹簧压缩,循环做功,如图1所示。也有学者将轮胎滚动能量损耗称为轮胎滚动阻力[10],并指出轮胎滚动能量损耗有以下3个主要方面:轮胎材料发生循环变形导致的能量损耗,轮胎与地面在接触区的摩擦损耗,轮胎风阻。其中轮胎材料发生循环变形导致的能量损耗占滚动阻力85%～95%,轮胎与路面之间接触相互作用产生的变形为弯曲、压缩和剪切。

图1 等效轮胎模型图Fig.1 Equivalent tire model diagram

1.2 胎-路滚动阻力影响因素

滚动阻力的影响因素分为与轮胎影响因素(胎面、充气压力、负荷等)、路面影响因素(路面纹理、粗糙度和结构等)和环境因素(温度、气候)。

1.2.1 轮胎因素

胎面与地面直接接触,胎面的花纹形态、花纹深度和材质直接影响滚动阻力的大小。从几何角度来看,胎面花纹影响轮胎与路面的接触区域,接触区域的大小影响滚动阻力。花纹形态分为横向花纹、纵向花纹和混合花纹,胡德斌等[11]进行不同花纹形态和饱和度对滚动阻力影响的实验,结果表明:与纵向花纹相比,横向花纹对滚动阻力的影响较大;将花纹饱和度控制在70%左右,轮胎的滚动阻力最低;同等路况条件下,横向花纹的轮胎的滚动阻力与花纹饱和度成负相关,而纵向花纹的轮胎的花纹饱和度对滚动阻力影响不大,横纵混合花纹的轮胎滚动阻力随花纹饱和度升高先减小后增大。Hoever等[12]比较了3种纹理的轮胎在不同粗糙度的传统路面上的滚动阻力,结果表明轮胎与路面接触的凹痕处滚动阻力主要受轮胎纹理和路面粗糙度影响,在粗糙路面行驶时,轮胎纹理对滚动阻力的影响非常大。王国林等[6]建立三维花纹模型研究花纹深度与滚动阻力的关系,分别将纵沟和横沟的深度、宽度作为设计变量,在转鼓实验室中通过测力法比较不同花纹深度轮胎的滚动阻力,实验结果表明:对滚动阻力的影响力,纵沟宽度>纵沟深度,横沟宽度和深度对滚动阻力影响较小。在轮胎各部件损失的能量中,胎面损失的能量占比最大,因此胎面部分的胎面胶配方对滚动阻力的影响颇大,轮胎各部件产生的滚动阻力比例如表1所示。

表1 各部件产生的滚动阻力比例[13]Table 1 Rolling resistance ratio of various components[13]

彭国良[13]使用不同胎面胶配方的轮胎进行滚动阻力实验,实验结果表明白炭黑的用量对轮胎滚动阻力影响显著,且利用硅烷偶联剂 Si-69对含白炭黑的橡胶轮胎进行改性,也能进一步降低滚动阻力。

轮胎结构主要有子午线和斜交两种形式,子午线结构是斜交结构的优化版,更加地耐磨、节省能源、安全[14]。子午线结构轮胎拥有由胎体和带束层帘线交叉而成的三角形结构网,整个胎面非常紧实、稳定,在路面上行驶不易变形。在对两种结构轮胎的滚动阻力研究中发现,与斜交结构相比,子午线结构的轮胎所受的滚动阻力要低20%左右。

充气压力影响轮胎与地面接触区域的变形程度,进而影响胎-路滚动阻力。文献[13, 15-19]都进行了轮胎气压对滚动阻力影响的实验,在一定范围内,滚动阻力随充气压力的增大而减小,且与气体种类无关。因此,结合实际条件给轮胎足够的气压,能有效地降低滚动阻力;轮胎负荷对滚动阻力的影响与充气压力相似,增大轮胎负荷会使得轮胎下沉更多,接触区域发生的变形更大,所受到的滚动阻力也更大。在研究轮胎负荷与滚动阻力的关系中,Hamid等[20]使用高度相关的二阶多项式拟合滚动阻力与垂直负荷之间的关系,可以很简便地进行滚动阻力的估算;在车辆低速行驶时,行驶速度对滚动阻力的影响很小,在汽车中高速行驶阶段,随着速度的增大,滚动阻力会在70～90 km/h时到达最低点,随后升高。导致此现象的原因是速度提升到临界点时,离心力和高速驻波等的影响使得滚动阻力增加。

1.2.2 路面因素

对道路表面形貌的描述称为路面纹理。路面纹理构造分为微观纹理、宏观纹理、粗大纹理和路面不平度。文献[21-24]发现路面纹理对车辆行驶时的滚动阻力影响较大,众多研究结果显示,在同等条件下,车辆行驶在不同纹理的路面受到的滚动阻力不同。Trupia 等[21]发现对滚动阻力影响最大的是宏观纹理和粗大纹理,对于轻型车辆,路表纹理平均断面构造深度(mean texture depth,MPD)对滚动阻力的影响是平整度指数(international roughness index,IRI)的3倍,MPD和IRI越大,滚动阻力越大。冉茂平[22]研究了滚动阻力系数(rolling resistance coefficient,RRC)与MPD、IRI之间的关系,结果发现,MPD对小汽车滚动阻力的影响较大,而IRI对重型卡车滚动阻力的影响更大,同时发现,MPD对滚动阻力的影响与速度无关,而IRI对滚动阻力的影响与行驶速度有关。波长范围50～317 mm的路表纹理对滚动阻力影响较大,与宏观纹理相比,粗大纹理对滚动阻力的影响更大[23]。 Kawakami 等[24]发现轮胎和路面之间的接触压力分布与低车速下的滚动阻力系数相关,将路面纹理分为有助于减少滚动阻力的正向纹理和增大滚动阻力的负向纹理,负纹理路面上具有高接触压力的区域比例较低,而正纹理路面上具有高接触压力的区域比例较高。

美国公路局将IRI>2.7 m/km的高速公路路面定义为较差状态,在路面平整度差的道路上行驶会受到更大的滚动阻力、造成更多的能源消耗。Wang等[25]研究发现,对高速公路进行路面平整度管理,及时进行修复处理,使得行驶的车辆受到更小的滚动阻力,每年能实现效益可观的碳减排和燃油节省。由此可见,路面平整度也是影响滚动阻力的关键。

路面结构包括面层、基层和垫层,面层的刚度和稳定性对车辆行驶影响很大。章毅等[26]研究发现低刚度路面结构和较差平整度条件会造成大量的额外温室气体排放和能源消耗,证明路面刚度影响车辆的燃油消耗。从更深层次的原因来看,车辆在低刚度的路面行驶时,因车辆自身重力以及牵引力会导致路面的隆起,从而导致较大的滚动阻力,如图2所示。Mansura等[27]利用ABAQUS软件建立了一个由宏观尺度(整个轮胎)和微观尺度(胎面接触)模拟组成的三维多尺度模型,模拟不同的路面条件进行滚动阻力测算实验,得出如下结论:刚度高的面层更加节省能源,车辆在光滑且紧密的路面结构上行驶的滚动阻力远低于粗糙松散的路面结构,并且纵向沟槽混凝土结构也比沥青混凝土结构更节省车辆能源。迟凤霞等[28]通过数学方法对路表纹理的多尺度特征进行表达,形成了路表纹理的多尺度评价体系,根据评价的结果发现不同尺度的路表纹理对车辆行驶碳排放有着重大影响。Ejsmont等[29]指出现代道路材料为了降低噪音等负面影响,使用刚度比传统路面低的新型路面材料,因此必须重点关注降低刚度所造成的能量损失,这种能量损失主要是由滚动阻力造成的。以上的研究表明路面的结构和刚度对滚动阻力的影响非常大。

图2 轮胎在不同刚度路面行驶示意图[26]Fig.2 Schematic diagram of tires driving on different stiffness roads[26]

1.2.3 环境因素

温度对滚动阻力的影响颇大。正常行驶状态下的轮胎温度与静止状态下的温差可达30 ℃。孙砚田[30]研究发现损耗因子随温度的变化而变化,损耗因子是评估滚动阻力的重要参数,也就意味着滚动阻力随轮胎温度的变化而变化。同理,车辆行驶和环境气候变化也会使得路面温度升高,降低路面的刚性(特别是沥青路面)[31],进而使得车辆受到更大的滚动阻力。目前的研究多是在标准环境下(25 ℃)研究温度对滚动阻力的影响,未来应该考虑各种环境气候下(0～40 ℃)温度对滚动阻力的影响。

综上所述,胎-路滚动阻力的主要影响因素及影响情况可归纳如表2所示。

表2 胎-路滚动阻力影响因素Table 2 Tire-road rolling resistance factors

1.3 胎-路滚动阻力模型

滚动阻力受轮胎因素和路面因素的影响,但目前应用于碳排放量计算的胎-路滚动阻力的模型一般都只考虑路面因素的影响,路面因素中比较重要的是MPD和IRI,因此大部分的滚动阻力模型中包含MPD和IRI这两个参数。不同的车型在重量上差异较大,也就意味着轮胎负荷相差较大,所以一般分为小汽车和重型卡车两种的滚动阻力测算模型。

Hammarström等[32]基于瑞典的轮胎滚动测量数据开发一个以IRI、MPD、温度和速度为变量的重型卡车通用滚动阻力模型,即

(1)

式(1)中:Fr为滚动阻力;iri为路面粗糙度测量值,m/km;mpd为宏观纹理测量值,mm;m为车辆质量,kg;v为车辆速度,m/s;Cr00、Cr0、Cr1和Cr2为重型卡车滚动阻力参数;Cr为重型卡车滚动阻力系数;CrTemp为重型卡车的温度系数。

Ejsmont等[29]提出一个能量损失系数CEL,该系数没有具体的物理意义,但是在实验中表现出与滚动阻力系数CRR有非常契合的相关性,能将CRR表示出来。在实验中使用仪器测量并记录轮胎的振幅,由于更高的能量损失会导致振荡更快地衰减(因此面积更小),因此将能量损失估算为两个包络线之间封闭面积的倒数,计算公式为

(2)

式(2)中:CEL为能量损失系数;A为两个包络线之间封闭面积;a为开始测量(轮胎释放力矩)函数的横坐标值;b为结束测量(振动衰减)函数的横坐标值;ft为上包络函数;gt为下包络函数;t为实验进行的时间。

在路面与车辆滚动阻力的关系研究中,影响滚动阻力最重要的路面条件是MPD、IRI和刚度,在测算滚动阻力时,需要保证实验环境因素(温度、路面类型、路面结构、坡度等)和真实环境因素尽可能相同,避免实验结果和实际有很大的出入。目前测算滚动阻力的模型众多,在不同的条件下应用滚动阻力模型也会产生很大的结果差异,因此需要慎重使用各种测算滚动阻力的模型。模型法测算滚动阻力具有很大的局限性,未来应该朝着测量行驶中轮胎滚动阻力的方向研究,如Gao等[33]提出了一种数字图像法测量高速行驶轮胎滚动阻力系数,该方法是利用高速立体视觉系统捕捉高速滚动轮胎的瞬态变形,通过分析滚动轮胎接触面内滚动接触半径与滚动偏移之间的关系,从而测得滚动阻力系数。

2 基于胎-路滚动阻力的碳排放研究

在道路使用阶段车辆的碳排放一直是节能减排研究的重点,而滚动阻力是道路使用阶段胎-路相互作用中关键的一部分,因此研究滚动阻力与车辆碳排放的关系是目前迫切需要解决的问题。滚动阻力影响车辆燃油消耗量[34-35],车辆燃油消耗又直接关系到车辆碳排放,种种研究结论都表明胎-路滚动阻力与车辆碳排放之间有必然的联系,基于这种情况,将胎-路滚动阻力作为影响车辆碳排放的重点来研究。

受滚动阻力的影响,车辆为了保持恒定的速度,就需要发动机进行额外做功,车辆需要消耗更多的燃油,这样也就导致了温室气体排放的增加。很多学者想建立滚动阻力与车辆排放之间的关系,以此验证降低滚动阻力对减少车辆排放的贡献。最初学者从微观道路路面条件入手,研究其对车辆行驶的碳排放的影响,章毅等[26]研究了路面条件对碳排放以及能耗的影响,基于滚动阻力的形成原理,得出在低刚度路面结构和不平路面的条件下,车辆的能源消耗和碳排放量不亚于建设期所产生的能源消耗和碳排放,以此表明良好的行驶条件(低滚动阻力)也是减少车辆行驶中能源消耗以及碳排放的关键。计算路面条件引起的CO2排放量的模型为

(3)

式(3)中:mCO2·rolres为因滚动阻力引起的当量CO2排放量增量,kg;VKT为对应车型i的车公里数,辆·km;EF为对应排放类型j和燃油类型k的温室气体排放因子,kg/L;FC为温室气体环境影响特征化因子;φ1为百公里耗油量,L/100 km;P为路面条件引起的油耗增幅,%;i为车辆类型,包括大客车、小客车、大货车和小货车;j为温室气体的排放类型,包括CO2、CH4和N2O;k为燃料类型,包括汽油和柴油。

Wang等[36]评估滚动阻力对能源消耗和温室气体(GHG)排放的影响,在两组滚动阻力不同的路面上进行实验,实验结果表明,在交通量大的路段,由于滚动阻力降低,在使用阶段产生的能源和温室气体节省量可能远远大于材料生产和施工产生的能源消耗和温室气体排放量,并且提出一个用于评估路面修复策略中的能源使用和温室气体排放的路面生命周期评价模型,在考虑生命周期范围的情况下,养护或修复高交通量的粗糙路面路段来降低滚动阻力,对于降低燃油消耗和温室气体排放具有巨大的贡献。Mammetti等[37]研究滚动阻力对重型车辆碳排放量和燃油消耗量的影响,通过使用不同滚动阻力系数轮胎进行实验,分析其对燃油消耗量的影响,并使用仿真软件预测碳排放量,结果表明:与普通轮胎相比,滚动阻力低的“绿色轮胎”降低重型车辆的燃油消耗量和碳排放量的效果显著。虽然研究的是重型车辆,但是可以将实验结论延伸到普通车辆上,使用低滚动阻力的“绿色”轮胎对减少车辆碳排放有积极的影响。

Sina等[18]研究发现轮胎中的能量损失是由轮胎纵向滑动和滚动阻力引起的,其用汽油燃料乘用车在城市公路上沿两条长度相同、坡度相反的路线进行了实验,分别计算了驱动轮和从动轮的功率损失,并研究道路条件和轮胎充气压力对功率损失的影响。根据实验结果可以看出,由于轮胎压力降低,导致滚动阻力增大,从动轮的轮胎功率损失也增加。此外,根据试验期间获得的CO2排放量数据可以看出,轮胎功率损失的减少会导致CO2排放量的减少,也就意味着降低滚动阻力对减少车辆CO2排放是有效的。

Wang等[25]在加州进行了路面平整度对道路温室气体排放的影响实验,提出通过对高速公路路面平整度管理可以减少温室气体排放,对高速公路路面的养护和修复可以使路面更加平整,进而减少路面与车辆之间的滚动阻力,降低车辆的燃油消耗。碳排放测算结果表明,在考虑道路使用者总成本的情况下,该路面管理策略对减少温室气体排放有很大的成效。同样的,Louhghalam等[38]提出一种基于大数据和路面与车辆交互的道路基础设施碳排放管理策略,将弗吉尼亚州5 157 km区域路网中的路面结构、材料、国际平整度、交通量、路面厚度、路面类型、车速等数据集成到计算机里,通过路面粗糙度诱导模型进行碳排放测算,对排放量高的路段进行路面养护修复,该方法能将因路面与车辆交互所产生的碳排放控制在国家的可持续发展的目标之内,建立了粗糙度引起的过量燃油消耗模型,即

(4)

式(4)中:δIFCR为车辆的瞬时油耗;βc和γc为中小型轿车和重型卡车的系数,如表3所示;IRI为车辆行驶路面的国际粗糙度指数;IRI0为维护后的参考粗糙度指数,此处选择为1 m/km。

表3 中型汽车和重型卡车系数[38]Table 3 Medium-duty car and heavy-duty truck factors[38]

Wang等[39]采用生命周期评价(life cycle assessment,LCA)方法,对沥青路面养护在施工和使用阶段的环境影响进行量化。对于不同的车辆类型、速度和路面特性(包括滚动阻力),Wang等[39]使用高速公路开发和管理工具(highway development management-4,HDM-4)和机动车排放模型(motor vehicle emission simulator,MOVES)研究了路面特性对使用阶段车辆燃油消耗的影响。模型中使用滚动阻力轮胎系数、气候因素系数、轮胎类型、路面特性系数、MPD、IRI等参数估算滚动阻力,然后再根据滚动阻力的变化确定燃油消耗量。

Al-Saadi等[40]使用类似的道路养护的策略来减少道路上的碳排放,使用长期路面性能数据库的数据量化路面养护处理对道路表面粗糙度的影响,通过轮胎滚动阻力系数的MOVES建立了车辆排放率函数与速度和路面状况的关系,车辆比功率(vehicle specific power,VSP)函数用于计算燃油消耗量和产生的排放量,MOVES中的默认VSP模型忽略了路面平整度的影响。经过大量的模拟案例,建立了CO2排放的回归模型,表4为各种车型的CO2排放模型,在考虑总预算、卡车流量、现有路面状况和不可接受的粗糙度阈值的情况下,进行道路养护分析,分析结果可供公路机构在机构成本和环境影响之后,做出最终的养护决策。

表4 CO2排放的回归模型[40]Table 4 Regression model of CO2 emissions[40]

Jiang等[41]采用LCA评估道路使用阶段的碳排放,在对澳大利亚西部的一个道路网的案例研究中着重考虑了MPD和IRI对碳排放的影响,建立了车辆燃油消耗量与车速、MPD和IRI之间的关系,最后使用燃油消耗量乘以相应的排放因子来计算碳排放量,如式(5)所示。案例分析结果表明,使用阶段的全球变暖潜力(global warming potential,GWP)远高于养护阶段,因此建议在制定减排战略时,优先针对使用阶段。

Fcj=0.103(1.208+0.000 479IRIjvc+

(5)

Ftj=0.246(1.451+0.000 172IRIjvt+

0.111MPDj)1.027vt0.960

(6)

式中:Fcj为小汽车第j年的燃油消耗量;Ftj为卡车第j年的燃油消耗量;νc为小汽车车速;νt为卡车车速;IRIj为第j年的路面粗糙度;MPDj为第j年的路面纹理构造深度。

Barbieri等[42]为了评估使用阶段因滚动阻力所造成的额外碳排放,使用Yu等[43]的燃油消耗系数FCF来分别计算载客汽车和载货汽车的碳排放,如式(7)所示,最后借助“HERMES CO2”工具评估沥青路面寿命的碳排放。结果表明使用阶段是整个生命周期碳排放的主要贡献阶段,其中滚动阻力和反照率效应又是使用阶段碳排放的主要原因。

(7)

式(7)中:FCF1为载客汽车的燃油消耗系数;FCF2为载货汽车的燃油消耗系数;IRI为国际粗糙度指数。

路面结构设计对道路生命周期能耗的影响非常大,Chong等[44]开发了一个方法框架,以整合路面生命周期评价和机械基础路面设计指南(mechanistic-empirical pavement design guide,ME-PDG),并使用该框架估算与路面相关的生命周期燃油消耗量和温室气体排放量,以沥青混凝土层厚度和IRI为自变量,建立了全生命周期温室气体排放的回归模型,该模型能够很好地捕捉不同交通水平下的生命周期能耗和温室气体排放趋势,以此验证路面结构设计对道路温室气体排放的影响。结果表明,合理的路面结构设计能够降低车辆行驶所受到的滚动阻力,进而减少整个生命周期的燃油消耗量和温室气体排放量。

本文研究总结了一些基于滚动阻力的碳排放测算模型的适用车辆类型、测算过程和适用范围,如表5所示。

表5 基于滚动阻力的碳排放测算模型Table 5 Carbon emission calculation model based on rolling resistance

基于滚动阻力对碳排放测算大多是从车辆燃油消耗量入手的,以燃油消耗量来估算碳排放量,这种方法比较简便高效,其原理是滚动阻力对车辆的影响需要以燃油消耗来补偿,定量的燃油产生的二氧化碳排放量一般来说是相同的,所以通过燃油的额外消耗量来测算碳排放量是比较可靠的。目前对使用阶段碳排放的研究,主要是通过建立MPD、IRI和刚度等影响碳排放的因素与碳排放量之间的关系,从而达到估算碳排放的目的。目前的研究还没有具体的直接测算碳排放的方法,大多数都需要借助额外燃油消耗量来测算滚动阻力所造成的碳排放,事实上因滚动阻力造成的碳排放并不止额外燃油消耗这一个方面。从长远来看,滚动阻力还对轮胎和路面有损耗,轮胎的生产报废过程也会产生碳排放,对碳排放测算需要将整个轮胎生命周期所产生的碳排放纳入进去,才能得到更为准确的测算碳排放结果,未来的研究应该考虑胎-路滚动阻力影响整个生命周期的碳排放量。

3 胎-路滚动阻力降低措施

降低胎-路滚动阻力是减少交通运输业碳排放的可靠策略。使用阶段是整个生命周期中碳排放占比最大的阶段,大量的研究成果证明降低滚动阻力能够减少使用阶段的车辆碳排放,也就意味着降低滚动阻力对减少车辆碳排放意义重大。在全球范围内,大约每年有20×108L汽油和柴油用来克服车辆行驶的摩擦力[45],降低滚动阻力会使得车辆行驶所受到的摩擦力减小,导致燃油消耗减少从而达到减少碳排放的目的。如何有效地降低滚动阻力成为学者们研究的重点,目前研究的降低滚动阻力措施主要集中在轮胎和路面这两方面。

3.1 轮胎

研究证明胎面胶配方对滚动阻力影响很大,汪燕等[46]发现超低滚动阻力胎面胶配方在电动汽车轮胎中的应用效果非常好,与普通的胎面胶配方相比,新开发的半钢子午线轮胎超低滚动阻力胎面胶的弹性、耐磨性、抗湿滑性能明显更好,超低滚动阻力胎面胶配方中巯基硅烷偶联剂和改性环保型溶聚丁苯橡胶明显改善了白炭黑在胶料的分散,降低了滚动阻力。在轮胎行业,天然橡胶因其优异的应变诱导结晶和与金属的黏合性能而成为不可或缺的工业原料,但是天然橡胶的产量不能满足制造行业的需求,因此研发了天然橡胶的替代品杜仲胶。Dong等[47]发现杜仲胶与天然橡胶混合后使用炭黑增强,所得到的复合材料橡胶具有良好的路用性能,添加少量的杜仲胶就能使得复合材料的滚动阻力降低25%,并且具有更强的耐磨性能和压缩热性能,同时还保持了良好的拉伸性能,非常适合作为绿色低碳轮胎的材料。

丁长胜[48]提出用稀土镍系顺丁橡胶(polybutadiene rubber,BR)取代其他顺丁橡胶制成轮胎,其滚动阻力降低22%～24%,节省油耗5%～7%,可减少碳排放、降低刹车打滑和爆胎概率,满足对高性能绿色轮胎在高速、安全、节能、环保方面的更高要求。轮胎组成部分主要是以橡胶复合材料为主,20世纪90年代学者们发现添加二氧化硅的橡胶复合材料具有良好的抗湿滑性能和较低的滚动阻力,Si-69是最常用的绿色轮胎硅烷偶联剂,Zhai等[49]通过脂肪醇聚氧乙烯醚-9与Si-69的酯交换成功地合成了一系列硅烷偶联剂,其中与普通的Si-69相比,添加硅烷偶联剂M2-Si69制备的二氧化硅/橡胶化合物具有更低的生热率、更佳的抗湿滑性能和极低的滚动阻力,节省能耗20%～30%。在轮胎中,能量损失主要由轮胎内部摩擦导致轮胎滚动阻力。环氧树脂可以驻留在填料颗粒之间,减少填料之间的摩擦,从而减少动态条件下的能量损失,降低轮胎的滚动阻力。Bhadra等[50]发现将软化点为110 ℃的单组分环氧树脂用于轮胎复合料中,可以改善橡胶-填料之间的相互作用,与未添加环氧树脂的轮胎相比,具有更好的操控性,受到的滚动阻力也更低。

Duez[51]通过设计新的胎面花纹、开发先进的纳米结构卡车轮胎化合物,并结合节油管理的综合工具箱,减少卡车运输的碳排放。所开发的低卡车滚动阻力轮胎,滚动阻力至少减少20%,这相当于油耗和二氧化碳排放减少5%,卡车轮胎损耗和潮湿安全性能水平也将进一步提高。王国林等[5]将轮胎分为胎冠和非胎冠区域,并研究能量损耗分布对滚动阻力的影响,研究结果发现在胎冠区域中,2#带束层对滚动阻力影响更大,在降低滚动阻力设计中应着重考虑,在非胎冠区域内,降低三角胶的高度能有效地降低滚动阻力。对比设计的不同宽高度的带束层、冠带层、三角胶和耐磨胶实验方案,结果显示,最优方案中滚动阻力降低了9.5%,因此合理的轮胎结构设计能有效降低滚动阻力。

3.2 路面

郝冠奇[52]采用羟基氧化聚乙烯化合物为添加剂,对不同质地的沥青进行改性,开发低滚阻的复合改性沥青,对比普通的改性沥青,损耗因子降低25%左右。通过一系列的针入度、黏度、软化点、高温、低温、水稳定性、疲劳性能实验得出结论,添加低滚阻改性剂的沥青拥有良好的抗高温变形能力和高温黏性,显著提高了沥青混合料的抗疲劳性能,最重要的是降低了损耗因子,使得车辆行驶过程中受到的滚动阻力更小。

陈飞等[53]提出低碳理念的重载沥青路面轮胎初压工艺,对比传统的钢轮压路机,低碳施工时使用轮胎压路机,得益于橡胶轮胎的缓冲和柔性碾压性能,能够有效地提高沥青混合料的和易性,压实的路面更加平整和密实,极大地提高了路面平整度,重载沥青路面技术加轮胎初压工艺将沥青等软材料碾压成高刚度的路面,因此是降低滚动阻力的有效措施。

在路面材料中掺入一些特定的材料能够明显改善路面的性能,如路面的刚性、耐久性等。Ali等[54]在研究中评估了掺入不同体积玻璃纤维(glass fiber,GF)和混凝土废骨料(concrete waste aggregates,CWA)的混凝土混合料的力学性能。试验结果表明,含少量GF(大约0.25%)的CWA混凝土比普通混凝土具有更好的综合性能,通过对每平方米的成本和碳排放量分析,发现在相同条件下,添加0.25%GF的混凝土路面比普通混凝土路面的成本和碳排放水平低20%。Mohd Tahir等[55]发现地质聚合物应用在硬质混凝土路面中,除了强度和耐化学性与普通硅酸盐水泥(ordinary portland cement,OPC)相当外,快速凝固时间和高耐久性都是优于OPC,满足低滚动阻力刚性路面应用的要求。

温度会影响车辆行驶中的滚动阻力。温度升高会降低路面的刚性,增大滚动阻力,造成额外的碳排放。孙斌祥等[56]分析了沥青热反射涂层工作机理,研究了各种情况下涂层的降温效果,得出涂层结构改变可以充分发挥填料的作用,提高其降温性能。朱洪洲等[57]基于路面结构对路面温度应力的影响规律,提出对沥青路面温度应力进行多因素耦合分析等措施,为后续的低碳排放路面设计提供数据基础。

道路使用过程中会出现不同程度的老化、破损、裂缝等病害,这些病害会严重影响行驶质量、环境质量和安全性,在进行了长时间的大规模道路建设之后,越来越多的重点放在了路面养护处理上,以提高行驶质量和道路安全,路面养护处理能够提高路面的平整度,减少车辆行驶时因路面不平整或坑洼造成额外的碳排放。在道路使用阶段中测算碳排放,考虑得最多的就是滚动阻力和路面结构设计的影响,因此文献[39,41,58]建立了大量的滚动阻力对碳排放影响的模型,并且深入研究了路面结构(材料类型、结构、沥青厚度等)对生命周期能耗的影响;养护修复阶段包含材料生产、运输、设备运行以及施工所造成的交通延误等,这些过程都会产生额外的碳排放,在研究中也尽量考虑到了这些过程对碳排放的影响,就是为了更准确地评估养护修复阶段的碳排放。大量的研究表明道路维护活动中会产生大量的能源消耗和温室气体排放[59],但是由于路面平整度的提高,进行道路养护处理对整个道路生命周期内的碳排放带来了更大的环境效益,具体来看,道路养护所产生的碳排放不超过整个周期碳排放的1%,但所产生的减排效益却非常显著。以往的研究主要集中在路面维护和修复策略的优化问题上,更加侧重于结构,与路面修复不同,路面养护主要是改善路面特性,而不是提高结构承载力,而且路面养护可在夜间施工,从而将项目施工对交通停滞的影响降至最低。因此,路面养护有可能减少路面使用阶段的温室气体排放,同时将材料和施工阶段的影响降至最低。

不同的路面养护处理方法对降低滚动阻力和减少碳排放效果也不同。维恩[60]从热混合沥青、碎封/雾封、微表面处理和填充4个方面对路面的经济效益、能耗以及碳排放进行全生命周期评估。评估结果表明,路面养护处理经济效益最高的是碎封/雾封,其次是微表面处理,全深度处理是最不经济的方法,碎封/雾封和微表面处理可降低3～4倍能耗、3～6倍碳排放量,因此选用合适的路面养护处理方法也是降低碳排放的关键。Liu等[7]对中国实际公路项目中的4种典型养护方案(低碳钢方案、低碳水泥方案、低碳电力方案和低碳WTP柴油方案)进行了养护期间设备燃油燃烧的常规评估和材料生产、燃油生产、交通延误和养护设备的全生命周期评估。实验结果表明在与桥梁和隧道相关的公路养护方案中,低碳钢和低水泥方案有效地降低了滚动阻力,减少了二氧化碳排放;Choi[61]首次将长期路面性能与二氧化碳排放联系起来,考虑环境成本的因素,选择成本最低的养护和修复方案,为道路最具碳效率的养护修复战略提供决策框架。一般来说,对路面经常性的养护处理比间隔长时间的养护处理的减排效益更大,但是Huang等[62]研究发现结果却恰恰相反,更长时间间隔的路面养护处理比短时间间隔的路面养护处理所带来的减排效益更大,且更厚、材料更密实的路面的整体碳排放更低,最佳的养护处理策略提减少了11%的温室气体排放。也就是说对道路的养护修复能够降低滚动阻力,减少碳排放,但是养护修复的频率并不是越高越有效果,适度的选择路面养护修复的频率才能获得最大的减排收益。

关于轮胎和路面降低滚动阻力的研究还有进一步的空间,例如,质量更轻却更坚固的轮胎、拥有足够刚度且使用周期更长的路面,综合性能优越(防滑、排水、抗冻等)的生态友好性路面[63]是未来路面建设的发展趋势。未来对降低滚动阻力的研究还可以从驾驶行为入手,良好的驾驶行为对降低滚动阻力也是有一定的帮助,例如,在不同的路况下以合适的速度行驶,驾驶汽车之前检查轮胎是否有足够的气压,在前面的研究中行驶速度和充气压力也是影响滚动阻力的重要因素。

4 结论

滚动阻力是影响车辆能源消耗的关键,降低滚动阻力有助于提升推动交通运输业的节能减排。因此,基于滚动阻力的碳排放测算将是未来研究的重点,其难点在于滚动阻力的测算以及建立滚动阻力与车辆碳排放的关联模型。根据基于滚动阻力的碳排放研究现状,得出以下结论。

(1)路面养护有助于减少道路碳排放。对高速公路路面的养护处理可以使路面更加平整,进而减少路面与车辆之间的滚动阻力,降低车辆的燃油消耗,从长远来看,合理的养护修复所产生的碳排放要远低于因路面状况改善而减少的碳排放。

(2)现有的滚动阻力模型适用场景有限。目前各种滚动阻力模型众多,不同模型所适用的条件不一样,必须慎重地使用现有的计算滚动阻力模型,在应用之前,须根据道路路面条件等因素做案例验证。

(3)路面构造对滚动阻力的影响非常大。车辆在光滑且紧密的路面结构中行驶的滚动阻力远低于粗糙松散的路面结构,并且纵向沟槽混凝土结构也比沥青混凝土结构更节省车辆能源。

(4)轮胎花纹深度、胎面胶配方、轮胎结构和轮胎材料对滚动阻力的影响重大,从这些因素入手可以有效地制定降低滚动阻力的措施,进而达到节能减排的目的。

(5)使用生命周期评价的碳排放测算比仅仅在使用阶段建立的燃油消耗模型所测算的碳排放更加准确,滚动阻力并不只是影响使用阶段的碳排放。

随着交通运输的节能减排事业进一步发展,还存在一些需要解决的问题,以下5个问题值得未来重点研究。

(1)不同条件下,使用同一滚动阻力模型所得的结果可能相差很大,所以建立模型时应标注清楚适用条件,且进一步优化滚动阻力模型和碳排放测算模型,使模型更加便于计算。

(2)滚动阻力是动态的,目前的研究对动态的滚动阻力测算还非常困难,未来如果能研究出测算动态滚动阻力的方法,将对道路碳排放的测算研究的发展有很大的促进作用。

(3)目前气候变化影响道路交通碳排放的研究较为困难,气候变化带来的升温、降雨等对胎-路影响很大,进而影响行驶车辆的能耗以及排放,如何在实验中模拟真实的路面条件是一大难点,因此,重点关注气候所带来的影响对未来的研究很有帮助。

(4)在设计低滚动阻力的路面中,还要考虑其他的因素,如排水、防滑、抗冻和保存等性能,研发设计综合性能优越的低碳路面是未来的趋势。

(5)绿色低碳轮胎目前研发的比较少,经济、环保、耐久性是绿色低碳轮胎的重要方向,如何在降低滚动阻力的情况下,提升轮胎的抓地力,保证行驶安全性也是未来的研究方向。