一种钢渣沥青混凝土材料的生态设计方法技术

一种钢渣沥青混凝土材料的生态设计方法，属于材料生态设计技术领域。根据生态设计方法的特点，本发明专利技术构建了集成性能‑资源消耗‑环境影响评价的钢渣沥青混凝土材料生态设计综合评价模型。本发明专利技术分为策划阶段、方案制定阶段、方案验证阶段和实施阶段。包括确定目标材料生态设计的基准与评价目标；通过针对性的关键技术攻关，确定将废渣综合利用、优化组分设计、优化生产工艺的技术方案，通过分析钢渣沥青混凝土材料的性能、资源消耗和环境负荷特点，确定综合评价方案，通过制定环境负荷基础数据的收集计划、系统边界与规范，确定数据收集方案；验证原型方案的可行性，得出综合决策结果，确定最优生态设计方案。

An ecological design method for steel slag asphalt concrete

An ecological design method of steel slag asphalt concrete material belongs to the field of material ecological design technology. According to the characteristics of the ecological design method, the invention constructs a comprehensive evaluation model for the ecological design of steel slag asphalt concrete materials, which integrates the performance, resource consumption and environmental impact assessment. The invention is divided into the planning stage, the programming stage, the scheme verification phase and the implementation stage. It includes determining the benchmark and evaluation target of the ecological design of the target material, determining the technical scheme of comprehensive utilization of the waste slag, optimizing the component design and optimizing the production process, and determining the comprehensive evaluation method by analyzing the performance, resource consumption and environmental load characteristics of the steel slag asphalt concrete material. Through the establishment of basic data collection plan, system boundaries and specifications of environmental load, the data collection scheme is determined; the feasibility of the prototype scheme is verified; the comprehensive decision-making results are obtained, and the optimal ecological design scheme is determined.

【技术实现步骤摘要】
一种钢渣沥青混凝土材料的生态设计方法
本专利技术属于工业材料生态设计
，具体是指一种钢渣沥青混凝土材料的生态设计方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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·wRnRi：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：ExNa＝∑xAiExAi+RT0∑nAilnmAiExNa：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)化石能源化学的计算：Exorg＝∑giExiExorg：化石能源有机物的摩尔化学(kJ/mol)；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：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；固碳损失与损失的转化可由下式来确定：ExLFoccupation＝BLoccupation×CRExLFrenaturalsiation＝BLrenaturalsiation×CRCR：转化系数；Exglu：葡萄糖的化学值；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损失量；ExLFrenaturalisation:：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；Rj：不可再生资源j的消耗量(kg或mol)；Exj：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；PEi：可再生资源i的值(MJ/m2)；可再生资源包括土地资源；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)，权重因子可本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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Pj的绝对重要程度：aPj＝W1j·wR1+W2j·wR2+…+Wnj·wRnRi：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：ExNa＝∑xAiExAi+RT0∑nAilnmAiExNa：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)化石能源化学的计算：Exorg＝∑giExiExorg：化石能源有机物的摩尔化学(kJ/mol)；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：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：高峰，谢军，王志宏，龚先政，刘宇，孙博学，李小青，崔素萍，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11