一种考虑环境负荷的沥青路面结构生态设计方法

摘要

本发明属于道路建设环保评价技术领域，并公开了一种考虑环境负荷的沥青路面结构生态设计方法，包括：获取影响沥青路面结构的影响因素数据并构建若干初始沥青路面结构，获取技术参数数据和环境参数数据，对若干初始沥青路面结构分别进行结构验算，得到符合路面规范要求的沥青路面结构，基于环境参数数据对若干初始沥青路面结构进行环境负荷评价，得到环境负荷最小的沥青路面结构，对符合路面规范要求的沥青路面结构和环境负荷最小的沥青路面结构进行结合分析，得到符合路面性能要求的且环境负荷最小的沥青路面设计方案。本发明所述技术方案能够对沥青路面结构的环境性能进行定量和评价，进而得到符合要求且环境负荷小的沥青路面设计方案。

说明书

技术领域

本发明属于道路建设环保评价技术领域，特别是涉及一种考虑环境负荷的沥青路面结构生态设计方法。

背景技术

技术的快速发展在给人们带来变革的同时也引发了一系列的环境问题。对于交通基础设施领域而言，沥青路面作为我国目前高等级公路铺装的首选，在为人们出行带来便利和舒适的行车体验的同时，其建设阶段所带来的大量资源、能源消耗和环境影响等同样不可忽视。因此，如何定量评价沥青路面结构建设过程中的环境影响也是道路领域亟待解决的问题。

目前，对于现有的沥青路面结构设计规范中，主要考虑了沥青路面结构的各项路面性能指标能否满足路面设计参数的要求，而无法考虑路面结构环境负荷的差异。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑环境负荷的沥青路面结构生态设计方法，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种考虑环境负荷的沥青路面结构生态设计方法，包括：

获取影响沥青路面结构的影响因素数据，基于所述影响因素数据构建若干初始沥青路面结构，获取沥青路面的技术参数数据和环境参数数据，基于所述技术参数数据对若干所述初始沥青路面结构分别进行结构验算，得到符合路面规范要求的沥青路面结构，基于所述环境参数数据对若干所述初始沥青路面结构进行环境负荷评价，得到环境负荷最小的沥青路面结构，对所述符合路面规范要求的沥青路面结构和所述环境负荷最小的沥青路面结构进行结合分析，得到符合路面性能要求的且环境负荷最小的沥青路面设计方案。

可选的，构建所述初始沥青路面结构的过程包括：

获取沥青路面的设计参数，基于所述影响沥青路面结构的影响因素数据结合所述设计参数构建若干初始沥青混凝土路面结构；

其中，所述影响因素数据包括沥青路面当量回弹模量、湿度和温度数据。

可选的，所述对若干所述初始沥青路面结构分别进行结构验算的过程包括：

所述技术参数数据包括疲劳开裂指标、永久变形指标和低温开裂指标，基于所述技术参数数据结合公路沥青路面设计规范对若干所述初始沥青路面结构分别进行结构验算，得到得到符合路面规范要求的沥青路面结构；

其中，所述疲劳开裂指标包括沥青混合料层疲劳开裂指标和无机结合料稳定层疲劳寿命指标；所述永久变形指标包括沥青混合料层永久变形指标和路基顶面竖向压应变指标；所述低温开裂指标为低温开裂指数。

可选的，所述环境参数数据包括沥青路面建设直接排放参数和沥青路面建设间接排放参数，所述沥青路面建设直接排放参数和所述沥青路面建设间接排放参数均包括环境影响指标；

其中，所述环境影响指标包括温室效应指标、酸化效应指标、光化学烟雾形成指标、人体健康损害指标和水体富营养化指标。

可选的，所述对若干所述初始沥青路面结构进行环境负荷评价的过程包括：

对沥青路面各建设产阶段的直接排放清单和间接排放清单进行量化，基于量化结果结合所述环境参数进行不同环境影响指标的特征化计算，得到环境影响指标的特征化结果，完成沥青路面结构环境负荷的定量评价。

可选的，所述量化结果包括沥青路面建设原材料生产阶段的排放清单量化结果、沥青路面建设阶段的间接排放清单量化结果和沥青路面建设阶段的直接排放清单量化结果。

可选的，获取所述沥青路面建设原材料生产阶段的排放清单量化结果的过程包括：

获取沥青路面结构相关原材料生产阶段的各类污染物排放清单数据和废弃物原材料数据，利用等量替代法对废弃物原材料数据在循环利用过程中的环境价值进行定量分析，基于分析结果结合所述各类污染物排放清单数据进行排放清单量化，得到所述沥青路面建设原材料生产阶段的排放清单量化结果；

其中，获取所述沥青路面建设原材料生产阶段的排放清单量化结果的计算公式为：

E

式中：j＝1,…,n分别为废弃物再利用过程中的n种处置过程；E

可选的，获取所述沥青路面建设阶段的间接排放清单量化结果的过程包括：获取沥青路面结构建设阶段中各阶段的污染物排放量数据，对所述各阶段的污染物排放量数据进行整合分析，得到所述沥青路面建设阶段的间接排放清单量化结果；

其中，获取所述沥青路面建设阶段的间接排放清单量化结果的计算公式为：

式中：m＝1,2,3分别为沥青混凝土拌合阶段、沥青混凝土运输阶段、沥青路面施工阶段；n为沥青路面建设阶段所用能源种类；I

可选的，获取所述沥青路面建设阶段的直接排放清单量化结果的计算过程包括：

D

式中：j＝1,2,3分别为沥青混凝土拌合、沥青混凝土运输、沥青路面施工；DE

可选的，获取所述环境影响指标的特征化结果的计算过程包括：

对特征化结果进行归一化处理：

式中，k＝1,2,3,4,5分别为温室效应、酸化效应、光化学烟雾形成、人体健康损害、水体富营养化；E

本发明的技术效果为：

本发明提供的一种考虑环境负荷的沥青路面结构生态设计方法通过获取影响沥青路面结构的影响因素数据，并基于所述影响因素数据构建若干初始沥青路面结构，获取沥青路面的技术参数数据和环境参数数据，基于所述技术参数数据对若干所述初始沥青路面结构分别进行结构验算，得到符合路面规范要求的沥青路面结构，基于所述环境参数数据对若干所述初始沥青路面结构进行环境负荷评价，得到环境负荷最小的沥青路面结构，对所述符合路面规范要求的沥青路面结构和所述环境负荷最小的沥青路面结构进行结合分析，得到符合路面性能要求的且环境负荷最小的沥青路面设计方案；

本发明针对现有沥青路面结构的设计方法中无法体现不同路面结构环境性能差异的问题，对沥青路面结构的环境性能进行定量和评价，将现有沥青路面设计体系融入针对沥青路面结构环境负荷的评价体系与量化方法，对沥青路面设计方案的全方位评价有着重要的参考价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例中的流程图；

图2为本发明实施例中的沥青路面生态性能评价的归一化结果对比图。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例一

如图1-图2所示，本实施例中提供了一种考虑环境负荷的沥青路面结构生态设计方法，包括：

获取影响沥青路面结构的影响因素数据，基于所述影响因素数据构建若干初始沥青路面结构，获取沥青路面的技术参数数据和环境参数数据，基于所述技术参数数据对若干所述初始沥青路面结构分别进行结构验算，得到符合路面规范要求的沥青路面结构，基于所述环境参数数据对若干所述初始沥青路面结构进行环境负荷评价，得到环境负荷最小的沥青路面结构，对所述符合路面规范要求的沥青路面结构和所述环境负荷最小的沥青路面结构进行结合分析，得到符合路面性能要求的且环境负荷最小的沥青路面设计方案。

在排除掉不满足路面结构验算的路面方案后，最终优选出环境负荷最小的沥青路面设计方案。

步骤一，确定沥青路面的设计参数，初拟沥青混凝土路面结构；

首先收集沥青路面交通量数据、路基土质及当量回弹模量、湿度、温度等其他影响路面结构的因素。然后基于沥青路面的设计参数，初拟三种或以上沥青路面结构组合以及各层厚度。

所述设计参数参考沥青路面设计规范，根据选择的材料、路面所处的位置就可以得到相应参数；

步骤二，确定路面技术参数，进行沥青路面结构验算；

首先将沥青路面的技术参数指标划分为疲劳开裂、永久变形和低温开裂，其中疲劳开裂包括沥青混合料层疲劳开裂和无机结合料稳定层疲劳寿命两项指标；永久变形包括沥青混合料层永久变形和路基顶面竖向压应变两项指标；低温开裂为低温开裂指数。然后依据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)中的路面技术参数评价指标和计算方法，将初拟的路面结构分别进行路面结构验算，筛选满足路面规范要求的沥青路面结构。

步骤三，确定路面环境参数，进行沥青路面环境负荷评价；

将沥青路面的环境参数划分为沥青路面建设直接排放和沥青路面建设间接排放，其中两项环境参数中分别包含温室效应、酸化效应、光化学烟雾形成、人体健康损害、水体富营养化五项指标。对比不同沥青路面结构的环境负荷大小，优选符合路面性能要求的且环境负荷最小的沥青路面设计方案。

可实施的，步骤三中的沥青路面环境负荷评价，具体步骤如下：

第一步，进行沥青路面建设原材料生产阶段的排放清单量化；

对于沥青路面建设中常用的如沥青、改性沥青、集料、矿粉等直接生产运用的原材料，直接收集沥青路面结构相关的原材料生产阶段的各类污染物排放清单数据。而对于沥青路面结构中所运用到的废弃物循环利用的相关原材料，通过等量替代的思想，定量废弃物自身在所有循环利用过程中的环境价值，从而区别于通常不考虑废弃物自身的环境价值的计算过程，具体计算过程如公式(1)和公式(2)所示。

E

式中：

j＝1,…,n分别表示废弃物再利用过程中的n种处置过程；E

第二步，进行沥青路面建设阶段的间接排放清单量化；

对于沥青路面结构的建设阶段划分为沥青混凝土拌合、沥青混凝土运输、沥青路面施工三个具体环节，通过对三个阶段过程的排放基础数据整理和分析，运用公式(3)计算得到沥青路面建设阶段各环节污染物排放量，最终整合得到沥青路面结构建设阶段的间接排放清单结果。

式中：m＝1,2,3分别表示沥青混凝土拌合、沥青混凝土运输、沥青路面施工；n—沥青路面建设阶段所用能源种类；IE

第三步，进行沥青路面建设阶段的直接排放清单量化；

沥青路面建设阶段的直接排放仿真试验中，通过可加热沥青胶结料的烟气发生装置生成气体，并使用安装气阀的通气管道将气体收集至采样袋，分别进行拌合温度和保温温度下的气体发生与采集试验。试验过程中需要保证三阶段的温度与实际工程中一致。完成气体收集后的采样袋中直接排放污染气体由相关仪器设备测量浓度，各类污染气体的计算方法如公式(4)和(5)所示：

D

式中：j＝1,2,3分别表示沥青混凝土拌合、沥青混凝土运输、沥青路面施工；DE

第四步，进行沥青路面结构环境负荷的定量评价；

将上述沥青路面建设过程中的直接排放、间接排放结果划分到温室效应、酸化效应、光化学烟雾形成、人体健康损害、水体富营养化五种环境影响中，进行各个环境影响的特征化计算，以反映沥青路面建设过程中排放的各物质所造成特定环境影响的潜值，具体的计算方法如公式(6)所示：

式中，k＝1,2,3,4,5分别表示温室效应、酸化效应、光化学烟雾形成、人体健康损害、水体富营养化；E

在沥青路面建设环境影响特征化评价后，为进一步对五种环境影响之间的相对大小进行比较，对特征化结果进行归一化处理，使其环境影响结果转化为相同量纲，具体的计算方法如公式(7)所示：

式中：N

以我国北方某省一级公路沥青路面项目工程中建设需求为例，应用本实施例提出的考虑环境负荷的沥青路面结构生态设计方法，考虑路面建设过程中的污染物间接排放和间接排放，从沥青路面的技术性能和环境性能两方面进行路面建设方案的优选。

确定沥青路面的设计参数，初拟沥青混凝土路面结构：

根据路面设计路段的交通调查分析，断面的年平均日交通量为4250辆/日，交通量年增长率为3.0％，设计轴载为100KN，设计年限为15年，土基当量回弹模量为50MPa，当地基准等效温度为21.8℃。根据我国《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)附录A中的计算方法，得到沥青混合料层永久变形和疲劳开裂的当量设计轴载累计作用次数为45,752,819次，对应于路基顶面竖向压应变的当量轴载累计作用次数为92,547,156次，初拟三种沥青混凝土路面结构如表1所示。

表1

确定路面技术参数，进行沥青路面结构验算：

将沥青路面的技术参数指标划分为疲劳开裂、永久变形和低温开裂，其中疲劳开裂包括沥青混合料层疲劳开裂和无机结合料稳定层疲劳寿命两项指标；永久变形包括沥青混合料层永久变形和路基顶面竖向压应变两项指标；低温开裂为低温开裂指数。依据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)中的路面技术参数评价指标和计算方法，将初拟的路面结构分别进行路面结构验算，经验算，路面设计方案一的永久变形量指标不满足规范要求，而方案二和方案三均满足各项指标要求，选择方案二和方案三进行后续评价工作。

确定路面环境参数，进行沥青路面环境负荷评价：

将沥青路面的环境参数划分为沥青路面建设直接排放和沥青路面建设间接排放，其中两项环境参数中分别包含温室效应、酸化效应、光化学烟雾形成、人体健康损害、水体富营养化五项指标。

进行沥青路面建设原材料生产阶段的排放清单量化：

本例中沥青路面建设中常用的集料、碎石等原材料的生产过程排放数据主要参考文献研究和实际调研数据。对于沥青路面设计方案三中的橡胶沥青，其中橡胶粉的生产涉及到废轮胎的循环利用，故通过公式(1)和(2)定量废弃物自身在所有循环利用过程中的环境价值，其中各处理方式的比例，再生橡胶、橡胶粉和热裂解参考国内统计数据，而热能利用和填埋的比例参考国外情况，计算过程中热能利用、再生橡胶、热裂解和填埋的比例分别为66.8％、18.0％、9.8％和5.4％，具体各排放清单数据如表1所示。最终计算得到20％掺量橡胶沥青的排放清单数据如表3所示，其他沥青混凝土面层中的每kg沥青排放数据主要参考欧洲沥青协会2012年的研究数据。最终根据工程的总用量，计算得到两方案沥青路面原材料生产阶段的排放数据如表4所示，表2为废轮胎各处置方式排放清单；

表2

表3

表4

进行沥青路面建设阶段的间接排放清单量化：

对于沥青路面结构的建设阶段间接排放划分为沥青混凝土拌合、沥青混凝土运输、沥青路面施工三个具体环节，运用公式(3)计算得到沥青路面建设阶段各环节污染物排放量，最终整合得到沥青路面结构建设阶段的两方案间接排放清单结果如表5和表6所示，其中，表5为方案二各阶段间接排放清单，表6为方案三各阶段间接排放清单；

表5

表6

进行沥青路面建设阶段的直接排放清单量化：

沥青路面建设阶段的直接排放仿真试验中，通过可加热沥青胶结料的烟气发生装置生成气体，并使用安装气阀的通气管道将气体收集至采样袋，分别进行拌合温度和保温温度下的气体发生与采集试验。试验过程中需要保证三阶段的温度与实际工程中一致。完成气体收集后的采样袋中直接排放污染气体由相关仪器设备测量浓度，各类污染气体的计算方法如公式(4)和(5)所示，沥青路面直接排放清单如表7所示，

表7

进行沥青路面结构环境负荷的定量评价；

将上述沥青路面建设过程中的直接排放、间接排放结果划分到温室效应、酸化效应、光化学烟雾形成、人体健康损害、水体富营养化五种环境影响中，作为评价生态性能量化评价的环境影响类型，并对影响因子和主要污染物进行归类，如表8所示，其中，表8为环境影响类型及主要污染物；

表8

根据选择的特征化因子，对沥青路面建设过程的排放数据清单进行特征化处理，通过该步骤可以将造成同种环境影响的污染物质进行合并，将清单分析的结果用特征化因子换算成统一单位。为了进一步对比各环境影响之间的相对大小，需使用归一化因子对特征化结果进行归一化处理，最终形成单一环境影响指标值，从而说明不同环境影响类型数据的对比情况。沥青路面生态性能归一化指标结果如表9所示。

表9

根据环境影响的归一化评价结果，可以对比不同沥青路面设计方案的生态性能之间的差异，如图2所示。其中归一化结果越大，代表该沥青路面建设所造成的环境负荷越大，则其生态性能越差。由图可以看出，沥青路面结构建设过程中所造成的环境影响主要为光化学烟雾生成、温室效应和酸化效应，其中方案二的路面结构相较方案三的环境影响要低7.6％，在同样满足沥青路面结构设计要求的前提下，方案二的沥青路面结构体现出更佳的生态效益。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。