本发明属于工业材料生态设计技术领域，具体是指一种钢渣沥青混凝土材料的生态设计方法。
背景技术：
随着社会与企业环保意识的不断提高，生态环境材料的设计与评价基本理论不断完善，环境问题已经成为产品开发与企业决策时考虑的主要因素之一。节能环保技术的大量应用不仅缓解了材料生产本身与资源环境的巨大矛盾，而且向下游行业辐射，通过材料的性能优化促进建筑、交通等部门的节能减排，取得了很好的成效。开发面向环境友好的材料设计新理论与新方法，通过材料的设计、制备、回收等一系列环节的技术革新，减低材料产品在整个生命周期中对环境的影响，是我国经济社会发展、提高产品国际竞争力的重要措施与内在需求。
传统研究中，以工业废弃物钢渣为主要原料设计制备的钢渣沥青混凝土材料，在性能、资源消耗以及环境影响等方面指标缺乏定量化结果，决策者难以把握采用废弃物制备沥青混凝土材料的技术、经济与环境的可行性和科学性。因此，运用全生命周期生态设计理论，通过组分设计与制备工艺等关键技术研究，并综合考虑材料性能与环境影响的关联性，设计制备出低环境负荷、高性能的钢渣沥青混凝土材料具有重要的现实意义。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺失或不足，对我国钢渣沥青混凝土材料构建集成性能-资源消耗-环境影响评价的生态设计综合评价模型。并基于生命周期评价思想，辨识钢渣沥青混凝土材料制备工艺的环境热点与改进潜力，提供切实可行的设计方案；通过有针对性的关键技术攻关，提出将废渣综合利用、优化组分设计、优化生产工艺等技术方案；采用生态设计的方法，对提出的技术方案进行参数择优，确定综合考虑性能、资源与环境综合的最优方案；最后，对最优方案进行后评估，生产出原材料更易获得、生产加工方便、产品性能优良、符合使用要求、环境负荷低的钢渣沥青混凝土材料。
一种钢渣沥青混凝土材料的生态设计方法，其特征是基于生命周期评价思想，构建集成性能-资源消耗-环境影响的钢渣沥青混凝土材料生态设计综合评价方法。该方法包括如下步骤：
(1)策划阶段：确定材料生态设计的参照对象、基准与评价指标，如相对于基准某相指标增加了多少等，包括资源效率指标、环境效率指标、生态设计综合指标，对目标材料进行需求分析；
(2)方案制定阶段：制定生态设计的方案，包括目标材料的数据收集方案、技术方案、评价方案，对上述技术方案按照设定的评价方案进行验证，确定此技术方案所得目标材料相对步骤(1)的材料生态设计的基准与评价指标是否符合需求；若符合则继续步骤(3)，若不符合继续修订技术方案，直至最终符合要求；
(3)实施阶段：进入材料的生产，完成材料的生态设计。
所述第(1)步确定目标材料的生态设计需求，通过对目标材料的产品描述、目标设定、功能单位确定和系统边界划分，完成对目标材料生态设计的策划。
所述第(2)步要确定目标材料的数据收集方案、技术方案和评价方案；针对目标材料建立涵盖原料开采、能源利用、废物资源化处理、运输与材料生产等环节的资源、能源消耗和污染物排放信息的数据收集方案；针对目标材料的主要生产成分和主要的生态设计要点制定技术方案；针对目标材料的性能特点、环境影响特点建立集性能-资源消耗-环境影响评价的生态设计综合评价方案；
其中上述生态设计综合评价方案的建立包括以下步骤：
(1)建立基于性能-需求矩阵的材料性能评价模型
表1需求-性能矩阵
在计算完成需求-性能矩阵的基础上，可以计算某种性能pj的绝对重要程度：
apj＝w1j·wr1+w2j·wr2+…+wnj·wrn
ri：设计的不同需求，如高强度、长寿命等
wri：不同需求在生态设计中的相对重要程度
wij：表示性能pj对完成需求ri的贡献
通过下面的公式完成性能指标值的计算：
pi：性能指标值；
pj：第j种性能指标的测试值；
apj(apk)：表示根据性能需求矩阵计算得到的第j(k)种性能的绝对重要程度；
(2)资源消耗评价模型
基于热力学函数
(2.1)矿产资源化学
exna＝∑xaiexai+rt0∑nailnmai
exna：单位质量矿产资源的化学
exai：单位质量纯矿物的化学
xai：纯矿物在矿产资源中的质量百分比
r：热力学常数
t0：常温
nai：纯矿物在单位质量矿产资源中的摩尔数
mai：纯矿物在矿产资源中的摩尔百分数。
(2.2)化石能源化学
exorg＝∑giexi
exorg：化石能源有机物的摩尔化学
gi：该化石能源有机物分子结构中，官能团i的个数；
exi：为官能团i的摩尔化学
(2.3)基于
土地资源属性的确定分为两步骤：1.土地固碳损失量的确定；2.固碳损失与
土地占用所造成的其固碳量的损失可由下式来确定：
bloccupation：单位面积土地占用阶段的固碳损失量；
blrenaturalisation：单位面积土地恢复阶段的固碳损失量；
nppnaturalpotential：单位面积土地的自然固碳潜力(被使用前，土地的固碳能力)；
(t2-t1)：占用所持续的时间；
(t3-t2)：恢复所持续的时间；
固碳损失与
exlfoccupation＝bloccupation×cr
exlfrenaturalsiation＝blrenaturalsiation×cr
cr：转化系数；
exglu：葡萄糖的化学
mc：碳的原子量；
nc：单个葡萄糖分子所包含碳原子的数目；
exlfoccupation:：单位面积土地在占用期间的化学
exlfrenaturalisation:：单位面积土地在恢复期间的化学
通过下面的公式完成资源消耗指标值的计算：
ri：资源消耗指标值；
rj：不可再生资源j的消耗量(kg或mol)；
exj：不可再生资源j的
pei：可再生资源i的
ai：可再生资源i的消耗量(m2)；
(3)基于生命周期评价的环境影响评价模型
针对材料行业的特点，建立了基于生命周期评价的材料生态设计环境影响指标体系。指标体系中共涉及标准气态污染物指数、水环境污染指数、土壤污染指数、人体健康损害指数四大类二级指标，涵盖了人类行为对生态环境与人类自身健康的主要影响；每类二级指标下又可细分为三级指标与指标项目。在生态设计的数据收集过程主要针对指标项目进行数据的收集、计算与汇编，而后采用生命周期影响评价方法，将数据收集过程得到的各指标项目之进行逐级综合，最终形成评价对象的单一环境影响指标值，综合表征产品全生命周期中造成的各类环境影响。
表2环境影响指标体系
通过下面的公式完成环境影响指标值的计算：
ei：环境影响指标归一化值；
ek：第j种二级指标下第k种污染物质的排放量(kg)；
ifk：第j种二级指标下第k种污染物质的特征化因子(kgeq/kg)，特征化因子可通过recipe环境影响评价方法体系查询得到；
nj：第j种二级指标环境影响的归一化因子(kgeq/yr)，归一化因子可通过recipe环境影响评价方法体系查询得到；
wj：第j种二级指标环境影响的权重因子(无量纲)，权重因子可通过recipe环境影响评价方法体系查询得到。
(4)综合决策模型
在获得性能、资源消耗与环境影响指标值后，利用以下公式计算得到生态设计效率指标值和生态设计综合指标值。
rdi＝pi/ri
eii＝pi/ei
edi＝pi/(ei+ri)rdi：资源效率指标；
eii：环境效率指标；
edi：生态设计综合指标值；
pi：性能指标值；
ri：资源消耗指标值；
ei：环境影响指标归一化值；
所述第(2)步确定技术方案的可行性，通过对目标材料设计方案进行资源消耗、环境影响与性能的综合评价和验证，如果认为达到目标，那么方案进入实施阶段，否则根据评价结果提供的信息，重新设计方案。
所述第(3)步确定目标材料开始正式生产也就是方案实施阶段。通过对目标材料原型方案的验证，选择最优生态设计方案开始进行材料工业化生产。
附图说明
图1为本发明一种钢渣沥青混凝土材料的生态设计方法流程图；
图2为本发明实施例钢渣沥青混凝土路面的生态设计系统边界示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述，但本发明并不限于以下实施例。
(1)策划阶段根据参考对象的深入分析以及生态设计的实际需求，确定生态设计的目标与实施方案，分为以下4个步骤：
目的定义，即确定要设计一个怎样的材料，这是影响选择参照对象的关键因素；选择参照对象并确定其特征，通常来讲，在生态设计中考虑的材料的特征包括其原料，工艺和性能(力学性能、物理性能、寿命等)，参照对象需要能够体现生态设计开始时特定的基础技术水平，通常选择某种材料的生产现状；
对参考对象进行生态设计评价，对材料的环境影响可以通过生命周期评价(lca)来进行评估，也可以根据实际需要利用lca方法结合材料性能和制备过程的资源消耗来评估。总之，前三个步骤应该对资源消耗和环境影响的主要原因是什么给予明确的信息，以指出需要改变设计的领域；
根据评价结果给出生态设计建议，以改进材料的综合性能。
(2)方案制定阶段目标确定之后，进入方案制定阶段，分为以下4个步骤：根据材料的用途，确定目标材料各项性能参数的范围；根据材料所需要满足的性能和用途以及前一阶段给出的生态设计建议，参照现有的材料成分、工艺、和性能之间的关系，初步拟定目标材料的成分和工艺参数方案。由于满足要求的材料性能参数可以在某个范围以内，而且工艺不一定唯一，所以初步设计方案通常有多个；
根据材料的用途以及前一步拟定的材料成分和制备工艺，建立目标材料的全生命周期模型，并对照参考对象找出当前方案设计中在解决设计需求的同时可能引发的其他问题；
对拟定的材料制备方案进行单要素评价和多要素综合评价，并与参考对象进行比较。不满足要求的方案被淘汰或者根据存在的问题重新设计；满足要求的方案则确定为原型方案，并进入材料生态设计的第三阶段。
方案验证阶段该阶段验证原型方案的可行性，分为以下4个步骤：
对原型方案进行材料制备和测试，不可行或不能满足性能的方案返回到方案制定阶段重新进行设计，性能达到要求的方案进入下一个步骤；
根据实验数据更新方案的全生命周期阶段模型参数，采用更新后的生态设计评价方法对材料制备方案进行性能、资源消耗与环境影响的综合评价，并与参考对象进行比较。如果方案不满足要求，则淘汰或者回到方案制定阶段重新设计，如果满足要求，则性能参数和功能参数确定，方案进入小规模生产步骤。如果有多个满足要求的方案，则选择综合评价结果最好的方案进入小规模生产，其余方案淘汰。
小规模生产，搜集生产过程中的实际数据，并利用这些数据更新材料全生命周期模型的参数并再次进行各要素的重新评估，明确其全生命周期环境影响，分析其主要环境影响及来源，辨识环境热点，寻找改进空间。同时还需与参考对象的综合评价结果比较，以确定是否达到目标。
根据上一步的评价结果，如果认为达到目标，那么方案可以进入实施阶段，否则根据评价结果提供的信息，进入第二阶段重新设计方案。
(4)实施阶段方案验证完成后，可以进入材料的生产也就是实施阶段，到此材料的生态设计即全部完成。但材料的生态设计是一个反复的过程，在正式生产的过程中可能需要对方案进行调整，或者发现之前的阶段没有考虑到的问题，这时候需要对方案再次进行修改与评估。
实施例1
本发明一种钢渣沥青混凝土材料的生态设计方法流程(如附图1所示)。
第一步：策划阶段，根据钢渣沥青混凝土材料生态设计的实际需求，确定生态设计的目标及与生态设计的基准与评价目标。
实施例以天然沥青混凝土道路面层为参考基准产品，进行钢渣沥青混凝土道路面层的道路建筑材料产品生态设计的探索。评价目标是目标产品与传统的道路沥青混凝土面层产品相比原材料更易获得、生产加工方便、产品性能优良、符合使用要求、环境负荷低和外表美观且行车舒适。
第二步：方案制定阶段，制定生态设计的方案，包括制定目标材料的数据收集方案、技术方案、评价方案；
(1)数据收集方案的制定
表3数据收集方案
(2)技术方案的制定
选取工业废弃物钢渣作为道路沥青混凝土面层材料的主要成分，主要的生态设计要点包括(1)原料替代、组份设计：使用钢渣替代天然石灰岩、玄武岩，从而削减资源耗竭、环境扰动和生态破坏。(2)过程优化设计：改进钢渣生产工艺，采用颚式破碎机与圆锥破碎机组合使用可有效改善钢渣集料规格稳定性；使用自然陈化与热力激发结合的方式消解钢渣表面f-cao，能更经济的实现钢渣集料功能可控性；通过水洗，有效分离、分级、洁化集料，实现钢渣的最大化利用，发挥钢渣的最佳品质，平衡由于复杂工艺带来的环境负荷上升。(3)面向应用，性能选择设计：选择主要的需求性能参数(耐久性、低温弯拉应变等)，使用模糊矩阵方法进行定量化计算，削弱消除人为主观的价值判断。
(3)评价方案的制定
在资源与环境影响评价方面，通过分析道路建筑材料的环境负荷特点，构建了资源与环境影响评价指标体系。通过评价模型与指标体系将道路建设涉及一系列过程中的主要环境问题基于自然科学进行综合表征，实现不同生态设计方案的科学择优。
表4道路建筑材料的性能-需求矩阵
上述表格最后一行的数据为某一材料性能pj的相对重要程度，由下式计算：
在性能综合评价方面，根据道路施工规范与标准，着重考虑摆式摩擦系数、浸水膨胀率、动稳定度等七项材料性能指标，并将其与道路应用需求进行关联，建立研究的性能-需求矩阵。
表5资源与环境影响评价指标体系
第三步：方案验证阶段，完成生态设计的基础数据收集与处理，验证原型方案的可行性，得出综合决策结果；
(1)完成生态设计的基础数据收集与处理。通过对原材料生产、运输、混合料的拌合及混凝土的摊铺压实等阶段基础数据进行调研分析，计算得到在系统边界下每功能单位天然石料沥青和钢渣沥青沥青混凝土路面的全生命周期清单。
表6功能单位的天然石料沥青混凝土路面的生命周期清单
表7功能单位的钢渣沥青混凝土路面的生命周期清单
(2)验证原型方案的可行性，得出综合决策结果
资源影响评价
在对两种沥青混凝土进行资源消耗分析时，两种沥青混凝土的资源消耗内容主要包括两种沥青混凝土生命周期内的资源和能源消耗等。
表8两种混凝土的资源消耗对比分析
环境影响评价
对比两类沥青混凝土路面的各项环境影响与加权结果，结果显示，钢渣沥青混凝土路面各项环境影响指标均优于天然石料沥青混凝土路面。
表9两种混凝土的环境影响评价对比分析
使役性能评价
由于混凝土路面材料的性能优劣取决于动稳定度、残留稳定度、弯拉应变、冻融劈裂强度比等多项性能指标，这些性能综合体现了材料对道路应用的满足程度，在此采用研究建立的基于模糊矩阵的性能评价法来综合评估混凝土路面材料的各项性能
表10两类沥青混凝土性能指标的对比结果
综合决策结果
通过建立矩阵进行模糊化处理，为了使得矩阵能够在同一维度上进行加权求和、定量比较，对性能子矩阵进行归一化处理，根据计算得到的使用性能矩阵＝(钢渣沥青混凝土，天然石料沥青混凝土)＝(0.545，0.455)，环境影响矩阵＝(钢渣沥青混凝土，天然石料沥青混凝土)＝(0.441，0.559)，资源消耗矩阵＝(钢渣沥青混凝土，天然石料沥青混凝土)＝(0.482，0.518)。
两种沥青混凝土的生态设计指标值计算公式如下：
rdi＝pi/ri
eii＝pi/ei
edi＝pi/(ei+ri)
rdi：资源效率指标；
eii：环境效率指标；
edi：生态设计综合指标；
pi：性能指标归一化值；
ei：环境影响指标归一化值；
ri：资源消耗指标归一化值。
计算得到钢渣沥青混凝土道路面层比天然石料沥青混凝土道路面层的资源效率提高29％，环境效率提高52％，生态设计综合指标提高40％。
第四步：实施阶段
通过生命周期使用性能评价、资源消耗、环境影响三方面对两种沥青混凝土进行分析对比得知钢渣沥青混凝土在这三方面均要优于天然石料沥青混凝土，综合使用性能指标约比天然石料沥青混凝土高出19.62％，全生命周期内的环境负荷约比天然石料混凝土低23.67％，建设1km钢渣沥青混凝土道路面层所需资源比天然石料混凝土能节约6.55％。从生态设计的角度已知相比于天然石料沥青混凝土，钢渣沥青混凝土的资源效率提高29％，环境效率提高52％，生态设计综合指标提高40％，所以钢渣沥青混凝土较于天然石料沥青混凝土更符合生态设计的设计需求和设计目标。已经完成了对钢渣沥青混凝土多元复合胶凝材料的生态设计，可以投入生产。