[发明专利]一种钢渣沥青混凝土材料的生态设计方法

权利要求书

1.一种钢渣沥青混凝土材料的生态设计方法，其特征在于，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，该生态设计方法包括如下步骤：

(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，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。

2.按照权利要求1所述的一种钢渣沥青混凝土材料的生态设计方法，其特征在于，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。

3.按照权利要求1所述的一种钢渣沥青混凝土材料的生态设计方法，其特征在于，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P_j的绝对重要程度：

aP_j＝W_1j·wR₁+W_2j·wR₂+…+W_nj·wR_n

R_i：设计的不同需求，如高强度、长寿命等

wR_i：不同需求在生态设计中的相对重要程度

W_ij：表示性能P_j对完成需求R_i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；

P_j：第j种性能指标的测试值；

aP_j(aP_k)：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

基于热力学函数的资源耗竭特征化模型将材料生命周期过程所造成的矿产资源、化石能源以及土地资源的消耗与损害表征为统一指标；

(2.1)矿产资源化学的计算：

Ex_Na＝∑x_AiEx_Ai+RT₀∑n_Ailnm_Ai

Ex_Na：单位质量矿产资源的化学

Ex_Ai：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

n_Ai：纯矿物在单位质量矿产资源中的摩尔数

m_Ai：纯矿物在矿产资源中的摩尔百分数。

(2.2)化石能源化学的计算：

Ex_org＝∑g_iEx_i

Ex_org：化石能源有机物的摩尔化学(kJ/mol)；

g_i：该化石能源有机物分子结构中，官能团i的个数；

Ex_i：为官能团i的摩尔化学。

(2.3)基于指标的土地资源属性量化模型：

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.固碳损失与损失的转化；

土地占用所造成的其固碳量的损失可由下式来确定：

BL_occupation：单位面积土地占用阶段的固碳损失量；

BL_{renaturalisation}：单位面积土地恢复阶段的固碳损失量；

NPP_{naturalpotential}：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；

固碳损失与损失的转化可由下式来确定：

ExLF_occupation＝BL_occupation×CR

ExLF_{renaturalsiation}＝BL_{renaturalsiation}×CR

CR：转化系数；

Ex_glu：葡萄糖的化学值；

M_C：碳的原子量；

N_C：单个葡萄糖分子所包含碳原子的数目；

ExLF_occupation:：单位面积土地在占用期间的化学损失量；

ExLF_{renaturalisation:}：单位面积土地在恢复期间的化学损失量。

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；

R_j：不可再生资源j的消耗量(kg或mol)；

Ex_j：不可再生资源j的值(MJ/kg或MJ/mol)；不可再生资源包括上述的矿产资源、化石能源；

PE_i：可再生资源i的值(MJ/m²)；可再生资源包括土地资源；

A_i：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；

E_k：第j种二级指标下第K种污染物质的排放量(kg)；

IF_k：第j种二级指标下第K种污染物质的特征化因子(kg eq/kg)，特征化因子可通过ReCiPe环境影响评价方法体系查询得到；

N_j：第j种二级指标环境影响的归一化因子(kg eq/yr)，归一化因子可通过ReCiPe环境影响评价方法体系查询得到；

W_j：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。