王宏濤，王志宏，劉 宇，陳文娟

(1.北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124)(2.中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心，北京100070)

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道路建筑材料的生態(tài)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

王宏濤1，2，王志宏1，劉 宇1，陳文娟1

(1.北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124)(2.中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心，北京100070)

道路建筑材料的生態(tài)設(shè)計(jì)是將材料的環(huán)境負(fù)荷、使用性能和經(jīng)濟(jì)成本綜合考慮到材料設(shè)計(jì)過(guò)程之中，以生命周期評(píng)價(jià)(LCA，Life Cycle Assessment) 思想為指導(dǎo)，使用生態(tài)化改造設(shè)計(jì)開發(fā)與環(huán)境相協(xié)調(diào)的材料。本研究以天然石料瀝青混凝土道路面層為參考基準(zhǔn)，通過(guò)確定產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)，需求分析，實(shí)施設(shè)計(jì)以及評(píng)價(jià)等步驟進(jìn)行鋼渣瀝青混凝土道路面層的生態(tài)設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：鋼渣瀝青混凝土的全生命周期環(huán)境負(fù)荷比天然石料瀝青混凝土約低14.17%，使用性能比其高出31.87%，建設(shè)1km道路所需經(jīng)濟(jì)成本比其低8.37%，且生態(tài)設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果也優(yōu)于天然石料瀝青混凝土。因此，鋼渣瀝青混凝土在環(huán)境負(fù)荷、使用性能、經(jīng)濟(jì)成本和綜合表現(xiàn)上均要優(yōu)于天然石料瀝青混凝土，即鋼渣瀝青混凝土路面比天然石料瀝青混凝土路面更符合生態(tài)設(shè)計(jì)要求，為道路建筑材料的綠色設(shè)計(jì)和選材提供了依據(jù)。

道路建筑材料；生態(tài)設(shè)計(jì)；生命周期評(píng)價(jià)；瀝青混凝土

1 前 言

道路建筑材料是道路、橋梁等交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，其品質(zhì)和類型直接決定了道路工程的使用性能、服役壽命和結(jié)構(gòu)形式[1]，它為國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)家工業(yè)建設(shè)和人民生活水平的提高做出了巨大的貢獻(xiàn)，同時(shí)也造成了大量的資源消耗與污染物排放。由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和節(jié)能減排、環(huán)保的要求，以及新型道路建筑材料、新興路面結(jié)構(gòu)、新規(guī)范、新工藝技術(shù)、新型施工設(shè)備的不斷出現(xiàn)，對(duì)道路建筑材料提出了越來(lái)越高的要求，即材料既要達(dá)到節(jié)能減排、環(huán)保要求，又要避免路面過(guò)早出現(xiàn)損壞現(xiàn)象[2]。所以對(duì)道路建筑材料進(jìn)行生態(tài)設(shè)計(jì)改造成為材料行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，材料的生態(tài)設(shè)計(jì)是將環(huán)境因素納入到材料設(shè)計(jì)過(guò)程之中，在材料生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)考慮其可能產(chǎn)生的環(huán)境負(fù)荷，通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)將材料全生命周期的環(huán)境影響降到最小程度。

生態(tài)設(shè)計(jì)的概念最早是由荷蘭公共機(jī)關(guān)和聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)最先提出的，聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署工業(yè)與環(huán)境中心在1997年的出版物《生態(tài)設(shè)計(jì)：一種有希望的途徑》中，將生態(tài)設(shè)計(jì)描述為一種環(huán)境概念，其中“環(huán)境”有助于界定產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)決策的方向[3]。換言之，產(chǎn)品的環(huán)境影響變成在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)階段需要進(jìn)行仔細(xì)考慮的重要組成部分，在這樣的生態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)程中，將環(huán)境影響置同于產(chǎn)品利潤(rùn)、功能、形象等設(shè)計(jì)要素的目的在于減少產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的污染，提高產(chǎn)品的可再生利用率，以減少產(chǎn)品整個(gè)生命周期中產(chǎn)生的不利環(huán)境影響，開發(fā)更生態(tài)、更經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)品系統(tǒng)[4]。材料行業(yè)的生態(tài)設(shè)計(jì)作為一種新的設(shè)計(jì)概念，則是以材料的環(huán)境特性作為目標(biāo)，以生命周期評(píng)價(jià)方法為基礎(chǔ)工具，綜合考慮產(chǎn)品整個(gè)生命周期相關(guān)的生態(tài)環(huán)境問題，設(shè)計(jì)出對(duì)環(huán)境友好的、又能滿足人的需求的新產(chǎn)品。

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通運(yùn)輸業(yè)日益繁榮，國(guó)內(nèi)不斷大規(guī)模興建高速公路。我國(guó)公路路面經(jīng)歷了從低等級(jí)的砂石路面、渣油路面到高等級(jí)的瀝青混凝土路面、水泥混凝土路面，其中瀝青混凝土路面作為無(wú)接縫、連續(xù)式路面結(jié)構(gòu)，具有行車舒適、噪聲較低、施工期短、養(yǎng)護(hù)維修簡(jiǎn)便、開放交通快、能適應(yīng)各種行車荷載等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外的高速公路建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用[5]。從20世紀(jì)50年代以來(lái)，世界各國(guó)修建的瀝青混凝土路面數(shù)量增長(zhǎng)迅猛，在全世界范圍內(nèi)約80%的公路為瀝青混凝土路面公路。而瀝青混凝土路面在我國(guó)的應(yīng)用也非常廣泛，截止2013年底全國(guó)高速公路通車?yán)锍桃淹黄?0萬(wàn)公里，超過(guò)美國(guó)躍居世界第一位，在這些路面中大多數(shù)采用瀝青路面[6]。這些傳統(tǒng)瀝青混凝土道路的建設(shè)消耗大量的自然資源，破壞生態(tài)環(huán)境，為了改善這種現(xiàn)狀，需要尋找與生態(tài)環(huán)境更加協(xié)調(diào)的道路建筑材料，所以從全生命周期的角度采用生態(tài)設(shè)計(jì)方法，尋找和改進(jìn)新型道路建設(shè)用生態(tài)材料勢(shì)在必行。

2 鋼渣瀝青混凝土道路面層的生態(tài)設(shè)計(jì)

本研究以天然瀝青混凝土道路面層為參考基準(zhǔn)產(chǎn)品，進(jìn)行鋼渣瀝青混凝土道路面層的道路建筑材料產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)的探索。

2.1 瀝青混凝土道路面層生態(tài)設(shè)計(jì)的需求分析與方案制定

瀝青混凝土道路面層生態(tài)設(shè)計(jì)的需求分析與方案制定的具體實(shí)施步驟如下：

(1)確定瀝青混凝土道路面層的設(shè)計(jì)產(chǎn)品和目標(biāo)

目標(biāo)產(chǎn)品與傳統(tǒng)的道路瀝青混凝土面層產(chǎn)品相比，原材料更易獲得、生產(chǎn)加工方便、產(chǎn)品性能優(yōu)良、符合使用要求、環(huán)境負(fù)荷低和外表美觀且行車舒適。

(2)瀝青混凝土道路面層產(chǎn)品的需求分析

從道路面層建設(shè)的原材料獲取、加工制造、產(chǎn)品使用、廢棄再利用整個(gè)全生命周期進(jìn)行道路產(chǎn)品的環(huán)境、性能、經(jīng)濟(jì)等需求的分析，確定原材料的選取和生產(chǎn)加工工藝等實(shí)施流程。

(3)瀝青混凝土道路面層產(chǎn)品設(shè)計(jì)的實(shí)施

鋼渣是煉鋼過(guò)程中為了去除鋼中雜質(zhì)而產(chǎn)生的副產(chǎn)物，大量的鋼渣堆積如山，不僅占用了廣闊的土地，而且還會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞，對(duì)于它的管理也耗費(fèi)了大量的人力和財(cái)力，因此對(duì)于鋼渣的有效處理是一個(gè)十分棘手的問題[7]。鋼渣具有堅(jiān)硬耐磨、多孔，與瀝青粘附性好，且蓄熱易施工、成本低等特點(diǎn)，同時(shí)鋼渣瀝青混凝土路面耐水浸，低溫延展性好，耐摩擦，是一種潛在的具有優(yōu)良使用性能的公路建設(shè)材料，可在公路建設(shè)中充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。加速開展鋼渣在瀝青混凝土道路建設(shè)方面的研究，對(duì)于提高道路使用壽命，降低工程建設(shè)成本，減少道路建設(shè)生命周期中的環(huán)境污染，保護(hù)生態(tài)環(huán)境以及促進(jìn)我國(guó)道路建設(shè)可持續(xù)發(fā)展具有極為重要的意義[8]。

選取工業(yè)廢棄物鋼渣作為道路瀝青混凝土面層材料的主要成分，主要的生態(tài)設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括，①原料替代、組份設(shè)計(jì)：使用鋼渣替代天然石灰?guī)r、玄武巖，從而削減資源耗竭、環(huán)境擾動(dòng)和生態(tài)破壞；②過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)：改進(jìn)鋼渣生產(chǎn)工藝，采用顎式破碎機(jī)與圓錐破碎機(jī)組合使用，可有效改善鋼渣集料規(guī)格穩(wěn)定性；使用自然陳化與熱力激發(fā)結(jié)合的方式消解鋼渣表面f-CaO，能更經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)鋼渣集料功能可控性；通過(guò)水洗，有效分離、分級(jí)、潔化集料，實(shí)現(xiàn)鋼渣的最大化利用，發(fā)揮鋼渣的最佳品質(zhì)，平衡由于復(fù)雜工藝帶來(lái)的環(huán)境負(fù)荷上升；③面向應(yīng)用，性能選擇設(shè)計(jì)：選擇主要的需求性能參數(shù)(耐久性、低溫彎拉應(yīng)變等)，使用模糊矩陣方法進(jìn)行定量化計(jì)算，削弱消除人為主觀的價(jià)值判斷。

2.2 瀝青混凝土道路面層生態(tài)設(shè)計(jì)的實(shí)施效果評(píng)價(jià)

對(duì)已經(jīng)通過(guò)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)得到的鋼渣瀝青混凝土道路面層進(jìn)行生命周期環(huán)境影響評(píng)價(jià)、使用性能評(píng)價(jià)及成本核算來(lái)評(píng)估該設(shè)計(jì)產(chǎn)品的優(yōu)劣及生態(tài)設(shè)計(jì)的最終實(shí)施效果。生態(tài)設(shè)計(jì)的實(shí)施效果可以通過(guò)定性和定量?jī)煞矫孢M(jìn)行評(píng)價(jià)判斷，目前仍然缺乏適用于不同材料行業(yè)的生態(tài)設(shè)計(jì)方法，所以在選用生態(tài)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)模型時(shí)，根據(jù)材料的自身特點(diǎn)并結(jié)合給定的使用條件來(lái)對(duì)生態(tài)設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。為了綜合考慮材料設(shè)計(jì)時(shí)的多重因素，在設(shè)計(jì)層面更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的生態(tài)設(shè)計(jì)，使用模糊矩陣模型進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[9]。生態(tài)設(shè)計(jì)是一個(gè)持續(xù)改進(jìn)的過(guò)程，對(duì)產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)的過(guò)程須不斷進(jìn)行評(píng)價(jià)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，并不斷予以改進(jìn)，循環(huán)往復(fù)，以便為設(shè)計(jì)決策提供依據(jù)[4]。為了評(píng)估鋼渣瀝青混凝土道路面層產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)施效果，下面主要介紹該產(chǎn)品的后續(xù)評(píng)價(jià)以驗(yàn)證是否符合產(chǎn)品的生態(tài)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.2.1 瀝青混凝土道路面層的環(huán)境影響評(píng)價(jià)

在本生態(tài)設(shè)計(jì)案例中，功能單位確定為建設(shè)長(zhǎng)度1km的瀝青混凝土道路面層，其結(jié)構(gòu)為4cm AC-13上面層+6cm AC-20中面層+8cm AC-25下面層，寬度為3.75m的單車道。研究的系統(tǒng)邊界定義為瀝青混凝土的原料開采、運(yùn)輸、能源生產(chǎn)、制造加工、混合料拌和，直至瀝青混凝土攤鋪和碾壓為止，不包括后期的道路維護(hù)、大修等階段。按照生命周期評(píng)價(jià)方法 (LCA)計(jì)算得到兩種瀝青

混凝土的環(huán)境影響歸一化結(jié)果如表1所示，其主要包括不可再生資源消耗(ADP)、溫室效應(yīng)(GWP)、酸化效應(yīng)(AP)、光化學(xué)煙霧(POCP)和人體健康損害(HT)5類環(huán)境影響，根據(jù)模糊矩陣和層次分析法所確定的ADP、GWP、AP、POCP、HT 5種環(huán)境影響類型的權(quán)重系數(shù)分別為0.052，0.444，0.262，0.153，0.089。經(jīng)過(guò)加權(quán)計(jì)算以后得到天然石料瀝青混凝土(參考基準(zhǔn)產(chǎn)品)生命周期環(huán)境負(fù)荷為2.77E-09，鋼渣瀝青混凝土生命周期環(huán)境負(fù)荷為2.38E-09，如圖1所示。

表1 天然石料瀝青混凝土路面和鋼渣瀝青混凝土路面環(huán)境影響歸一化結(jié)果Table 1 Normalized environmental load results of natural stone asphalt concrete and slag asphalt concrete

圖1 兩種瀝青混凝土生命周期環(huán)境負(fù)荷對(duì)比Fig.1 Life cycle environmental load comparison of two asphalt concrete

從圖1中可以看出，在幾種環(huán)境影響類型中，占比例最大的環(huán)境影響類型是GWP，其次是AP、POCP和HT，環(huán)境影響較小的是ADP。在這幾種環(huán)境影響類型中，鋼渣瀝青混凝土除過(guò)POCP比天然石料瀝青混凝土約高6.63%，其他環(huán)境影響負(fù)荷值均要小于天然石料瀝青混凝土，其中GWP比天然石料瀝青混凝土約低21.79%，ADP比天然石料瀝青混凝土約低14.6%，AP比天然石料瀝青混凝土約低9.67%，HT比天然石料瀝青混凝土約低9.62%，造成這種結(jié)果的主要原因是由于傳統(tǒng)的石料瀝青混凝土建設(shè)模式大量開山采石，對(duì)自然環(huán)境造成了掠奪式的破壞，并且在制造加工、混合料拌和等階段也消耗了更多的不可再生資源和能源，給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了巨大壓力?？傮w來(lái)看，在道路建設(shè)過(guò)程中，鋼渣瀝青混凝土的生命周期環(huán)境負(fù)荷要明顯低于天然石料瀝青混凝土，約比天然石料瀝青混凝土低14.17%。

2.2.2 瀝青混凝土道路面層的使用性能評(píng)價(jià)

在瀝青混凝土道路面層的建設(shè)過(guò)程中，需要考慮其能夠應(yīng)對(duì)嚴(yán)寒酷暑等極端氣候條件，不同地區(qū)的土壤、地質(zhì)狀況以及不同噸位的車輛行駛，所以瀝青混凝土道路面層的綜合性能優(yōu)劣取決于動(dòng)穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、彎拉應(yīng)變、凍融劈裂強(qiáng)度比等多項(xiàng)性能指標(biāo)，這些性能指標(biāo)從不同方面體現(xiàn)了瀝青混凝土材料對(duì)道路應(yīng)用的滿足程度，故在此采用基于模糊矩陣的綜合評(píng)價(jià)法對(duì)兩種瀝青混凝土路面材料的綜合性能進(jìn)行評(píng)估。模糊綜合評(píng)價(jià)法運(yùn)用模糊變換原理對(duì)某一對(duì)象進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，優(yōu)勢(shì)在于可以解決傳統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)方法難以解決的“模糊性”評(píng)價(jià)與決策問題[10]，是一種有效的決策輔助方法。該方法通過(guò)將評(píng)價(jià)對(duì)象中各個(gè)單因素模糊化，確定各個(gè)單因素相對(duì)于參考因素的重要程度，使得各項(xiàng)評(píng)價(jià)因素可以在同一基準(zhǔn)下進(jìn)行“合一運(yùn)算”，最終得到以單一指標(biāo)值形式表征的綜合性能評(píng)價(jià)結(jié)果[11,12]。

在對(duì)瀝青混凝土道路材料性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，根據(jù)道路施工規(guī)范[13]，確定了道路建設(shè)、使用的不同需求以及它們?cè)谏鷳B(tài)設(shè)計(jì)中的相對(duì)重要程度。在瀝青混凝土道路建設(shè)中，為了應(yīng)對(duì)不同氣候、不同地質(zhì)、不同車輛行駛的情況，建設(shè)的路面需要具有良好的抗高溫車轍、抗水損害、抗低溫開裂、抗滑、體積穩(wěn)定等要求，而這些路面建設(shè)要求又與瀝青混凝土自身的動(dòng)穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、彎拉應(yīng)變等屬性直接相關(guān)[14]，所以通過(guò)建立性能-需求矩陣可以量化瀝青混凝土的各項(xiàng)性能測(cè)試指標(biāo)對(duì)各項(xiàng)道路建設(shè)需求的滿足程度，在此基礎(chǔ)上通過(guò)性能-需求矩陣表示二者的關(guān)聯(lián)程度，如表2所示。通過(guò)計(jì)算最終確定了各項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)總體道路建設(shè)應(yīng)用需求的重要程度(性能權(quán)重)，分別為(擺式摩擦系數(shù)，浸水膨脹率，動(dòng)穩(wěn)定度，殘留穩(wěn)定度，低溫彎拉應(yīng)變，凍融劈裂強(qiáng)度比，四點(diǎn)彎曲疲勞壽命)=(0.15，0.1，0.2，0.1，0.1，0.1，0.25)。

表2 瀝青混凝土需求與材料性能的對(duì)應(yīng)權(quán)重Table 2 The weight between requirement and material performance for asphalt concrete

經(jīng)過(guò)多次反復(fù)試驗(yàn)，得到兩種瀝青混凝土在道路應(yīng)用中主要性能指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果，見表3。在兩種瀝青混凝土的性能對(duì)比時(shí)，選取多次測(cè)試結(jié)果的平均值作為瀝青混凝土某項(xiàng)性能指標(biāo)，選取兩種瀝青混凝土測(cè)試結(jié)果的最優(yōu)值作為參照性能指標(biāo)值。

表3 兩類瀝青混凝土的性能測(cè)試結(jié)果Table 3 Performance test results of two asphalt concrete

根據(jù)建立的性能綜合評(píng)估方法，對(duì)兩種瀝青混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行模糊化，得到各項(xiàng)性能指標(biāo)值對(duì)參照值的相對(duì)大小，結(jié)果見表4和圖2，(在計(jì)算過(guò)程中，由于浸水膨脹率指標(biāo)越小越好，故在前面計(jì)算的基礎(chǔ)上取倒數(shù)得到最終的模糊化結(jié)果)結(jié)果顯示除浸水膨脹率指標(biāo)外，鋼渣瀝青混凝土的各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于天然集料瀝青混凝土。

從圖2中可以看出，在對(duì)兩種瀝青混凝土進(jìn)行性能測(cè)試的模糊化結(jié)果分析中，除過(guò)鋼渣瀝青混凝土的浸水膨脹率比天然石料瀝青混凝土差，其它性能要優(yōu)于后者，其中，動(dòng)穩(wěn)定度比天然石料瀝青混凝土高出1倍，殘留穩(wěn)定度比天然石料瀝青混凝土高出約5.26%，凍融劈裂強(qiáng)度比比天然石料瀝青混凝土高出約8.69%，低溫彎拉應(yīng)變比天然石料瀝青混凝土高出約13.64%，四點(diǎn)彎曲疲勞壽命比天然石料瀝青混凝土高出約38.89%，擺式摩擦系數(shù)比天然石料瀝青混凝土高出約17.65%，不僅符合道路建設(shè)的性能需求，并且較于原有的天然石料瀝青混凝土建設(shè)模式提高了瀝青混凝土的使用壽命，根據(jù)建立的性能-需求矩陣可以定量分析出兩種瀝青混凝土的性能結(jié)果值。

表4 兩類瀝青混凝土性能指標(biāo)的“模糊化”結(jié)果Table 4 Performance test fuzzy result of two asphalt concrete

圖2 兩種瀝青混凝土性能數(shù)據(jù)模糊化結(jié)果的對(duì)比Fig.2 Performance test fuzzy result comparison of two asphalt concrete

圖3 兩種瀝青混凝土的綜合性能指標(biāo)值對(duì)比Fig.3Comprehensive performance value comparison of two asphalt concrete

將各項(xiàng)性能指標(biāo)的模糊化結(jié)果結(jié)合表2中所確定的各項(xiàng)性能指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行加權(quán)求和，得到兩種瀝青混凝土的綜合性能指標(biāo)值分別為0.936與0.7825，如圖3所示。結(jié)果顯示，鋼渣瀝青混凝土對(duì)道路應(yīng)用需求的滿足程度優(yōu)于天然石料瀝青混凝土，綜合性能指標(biāo)比天然石料瀝青混凝土高出約19.62%。

2.2.3 瀝青混凝土道路面層的成本分析

在對(duì)兩種瀝青混凝土進(jìn)行成本核算時(shí)，兩種瀝青混凝土的成本內(nèi)容主要包括兩種瀝青混凝土生命周期內(nèi)的資源消耗和能源消耗等直接成本。評(píng)估系統(tǒng)邊界的劃定主要包括瀝青混凝土全生命周期中原材料的開采過(guò)程、瀝青混凝土的加工制造過(guò)程、瀝青混凝土運(yùn)輸過(guò)程、使用過(guò)程以及拌合過(guò)程等，由于兩種瀝青混凝土在材料運(yùn)輸、道路建設(shè)施工中選取的方案類似，成本接近，故兩種瀝青混凝土的生命周期總成本主要考慮兩種瀝青混凝土在資源消耗成本和能源消耗成本上的差異，至于道路建設(shè)過(guò)程中的設(shè)計(jì)、宣傳、管理以及整個(gè)過(guò)程所涉及的其他人工成本和施工成本在本研究中暫不考慮。

依照消耗資源和能源的市場(chǎng)價(jià)值可計(jì)算得到兩種瀝青混凝土的生命周期總成本如圖4所示：總體來(lái)看，兩種瀝青混凝土的總成本中，資源成本總和要高于能源成本總和，建設(shè)1km鋼渣瀝青混凝土道路面層的資源成本和能

圖4 兩種瀝青混凝土成本總和對(duì)比Fig.4 Total cost comparison of two asphalt concrete

源成本均低于天然石料瀝青混凝土，其中資源成本比天然石料瀝青混凝土低8.17%，能源成本比天然石料瀝青混凝土低13.44%，生命周期總成本(資源成本和能源成本之和)比天然石料瀝青混凝土的總成本約低8.37%。

2.2.4 生態(tài)設(shè)計(jì)定量評(píng)價(jià)結(jié)果

除了從材料性能、環(huán)境影響、經(jīng)濟(jì)成本3方面對(duì)生態(tài)設(shè)計(jì)的實(shí)施效果進(jìn)行定性和定量評(píng)價(jià)之外，還需要對(duì)生態(tài)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，評(píng)估鋼渣瀝青混凝土道路面層是否符合已確定的生態(tài)設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，判斷的計(jì)算方法主要是本文選取的模糊矩陣評(píng)價(jià)方法。

通過(guò)建立矩陣進(jìn)行模糊化處理，為了使得矩陣能夠在同一維度上進(jìn)行加權(quán)求和、定量比較，對(duì)性能子矩陣進(jìn)行歸一化處理，根據(jù)計(jì)算得到的使用性能矩陣U1=(U11,U12)=(鋼渣瀝青混凝土，天然石料瀝青混凝土)=(0.545，0.455)，由于定量化計(jì)算得到的環(huán)境影響值和成本總價(jià)值趨于越小表示更能滿足生態(tài)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，所以對(duì)環(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)成本兩項(xiàng)指標(biāo)分別取倒數(shù)后再歸一化處理，得到環(huán)境影響矩陣U2=(U21,U22)=(鋼渣瀝青混凝土，天然石料瀝青混凝土)=(0.538，0.462)，經(jīng)濟(jì)成本矩陣U3=(U31,U32)=(鋼渣瀝青混凝土，天然石料瀝青混凝土)=(0.522，0.478)，兩種瀝青混凝土的評(píng)價(jià)矩陣如式(1)所示：

(1)

生態(tài)設(shè)計(jì)要素權(quán)重的確定采用層次分析法。權(quán)重的確定需要設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)際情況和用戶需求來(lái)體現(xiàn)出這幾者之間的相對(duì)重要程度，在對(duì)材料進(jìn)行生態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)首先要滿足的是材料的使用性能要求，如果連最起碼的使用性能都無(wú)法滿足的話，其他的設(shè)計(jì)內(nèi)容也就失去了意義，所以材料的使用性能重要性應(yīng)高于材料的環(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)成本[15]，在用于道路建設(shè)時(shí)，兩種瀝青混凝土首先考慮滿足道路建設(shè)中的使用性能因素，然后再考慮經(jīng)濟(jì)成本因素和環(huán)境影響因素合理評(píng)價(jià)兩種瀝青混凝土，由此所確定的權(quán)重系數(shù)矩陣A=(A1,A2,A3)=(使用性能因素，環(huán)境影響因素，經(jīng)濟(jì)成本因素)=(0.5，0.25，0.25)，進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算得到最后的綜合評(píng)價(jià)矩陣，如式(2)所示：

(2)

式中：S1表示鋼渣瀝青混凝土的生態(tài)設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果；S2表示天然石料瀝青混凝土的生態(tài)設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

通過(guò)生命周期使用性能評(píng)價(jià)、環(huán)境影響評(píng)價(jià)、成本核算3方面對(duì)兩種瀝青混凝土進(jìn)行分析對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：鋼渣瀝青混凝土在這3方面均要優(yōu)于天然石料瀝青混凝土，綜合使用性能指標(biāo)約比天然石料瀝青混凝土高出19.62%，全生命周期內(nèi)的環(huán)境負(fù)荷約比天然石料混凝土低14.17%，建設(shè)1km道路所需成本比天然石料混凝土約能節(jié)約8.37%。在建立的模糊矩陣評(píng)價(jià)模型中，S1>S2，按照模糊矩陣中的最大關(guān)聯(lián)度原則，鋼渣瀝青混凝土較于天然石料瀝青混凝土更符合生態(tài)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)需求和設(shè)計(jì)目標(biāo)。

若采用等權(quán)重方法對(duì)兩種瀝青混凝土產(chǎn)品的各項(xiàng)設(shè)計(jì)要素進(jìn)行加權(quán)求和，S=(S1,S2)=(0.535,0.465)，S1>S2，也是鋼渣瀝青混凝土的生態(tài)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果好于天然石料瀝青混凝土，更加符合生態(tài)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)需求和設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)以生命周期思想為指導(dǎo)，通過(guò)建立模糊矩陣的方法，對(duì)用于道路建設(shè)的兩種瀝青混凝土產(chǎn)品進(jìn)行了多方面分析，建立了用于道路建設(shè)的性能-需求矩陣和經(jīng)濟(jì)成本核算，完善了瀝青混凝土產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，最后通過(guò)單一指標(biāo)來(lái)驗(yàn)證和評(píng)估鋼渣瀝青混凝土道路面層的生態(tài)設(shè)計(jì)實(shí)施效果，對(duì)用于道路建設(shè)的瀝青混凝土產(chǎn)品進(jìn)行擇優(yōu)選擇，選取符合人與自然和諧發(fā)展的路用瀝青混凝土材料。

(2)對(duì)瀝青混凝土的生態(tài)設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)，將鋼渣作為骨料摻進(jìn)瀝青混凝土中替代原有的傳統(tǒng)石料，不僅可以延長(zhǎng)瀝青混凝土道路的使用壽命，還降低了道路建設(shè)中的資源成本和能源成本，同時(shí)在道路建設(shè)的生命周期內(nèi)還擁有較低的環(huán)境負(fù)荷，應(yīng)用前景非常樂觀。

道路建筑材料的生態(tài)設(shè)計(jì)是涉及方法和技術(shù)都較廣的課題，不僅包含了傳統(tǒng)材料學(xué)科內(nèi)容，還涉及到環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、數(shù)學(xué)等多門學(xué)科，到現(xiàn)在為止尚未形成成熟的理論體系結(jié)構(gòu)和研究方法。在本案例研究中雖然對(duì)道路建筑材料的擇優(yōu)選擇提供了合理的參考意見，但在其中仍有許多地方過(guò)度依賴設(shè)計(jì)者的個(gè)人判斷，使得最后的結(jié)果略欠科學(xué)性。在今后的生態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)程中仍需探索適合于不同材料的生態(tài)設(shè)計(jì)方法，來(lái)避免設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的過(guò)多主觀性因素，或者考慮建立基于材料生命周期評(píng)價(jià)的生態(tài)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)龐大的基礎(chǔ)材料數(shù)據(jù)作為材料生態(tài)設(shè)計(jì)的強(qiáng)大支撐，結(jié)合適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型得到定量化的評(píng)價(jià)結(jié)果，削弱人為主觀價(jià)值判斷因素，為生態(tài)設(shè)計(jì)工作提供有力的理論依據(jù)，使得材料行業(yè)的生態(tài)設(shè)計(jì)工作更加趨于完善。

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(編輯 蓋少飛)

沉痛悼念《中國(guó)材料進(jìn)展》編委會(huì)名譽(yù)主任嚴(yán)東生院士

中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)工程院資深院士、先進(jìn)無(wú)機(jī)材料科學(xué)與工程學(xué)科的奠基人，戰(zhàn)略科學(xué)家、教育家，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所名譽(yù)所長(zhǎng)，《中國(guó)材料進(jìn)展》編委會(huì)名譽(yù)主任嚴(yán)東生先生，于2016年9月18日5時(shí)56分因病在上海逝世，享年98歲。驚悉噩耗，萬(wàn)分悲痛！

嚴(yán)東生先生被國(guó)際無(wú)機(jī)材料科學(xué)界譽(yù)為最有影響的學(xué)術(shù)領(lǐng)導(dǎo)人之一。嚴(yán)先生始終心系國(guó)家發(fā)展與民族復(fù)興，為祖國(guó)的科研事業(yè)付出了畢生精力，在高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、陶瓷基復(fù)合材料、人工晶體、特種無(wú)機(jī)涂層等高性能無(wú)機(jī)材料的基礎(chǔ)研究及應(yīng)用研究方面成績(jī)斐然、造詣深厚。先生直接參與1956年中國(guó)第一個(gè)12年科學(xué)技術(shù)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃、1962年《1963-1972十年科技規(guī)劃》的起草，為我國(guó)材料科學(xué)的發(fā)展擬定了方向；在高溫陶瓷制備方法、陶瓷制備熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)、材料設(shè)計(jì)與微觀調(diào)控以及陶瓷基復(fù)合材料的研究等諸多方面做出了開創(chuàng)性的工作；組織研制的碳纖維補(bǔ)強(qiáng)石英復(fù)合材料成功地應(yīng)用于我國(guó)第一代戰(zhàn)略導(dǎo)彈關(guān)鍵部位，并推廣應(yīng)用于各類航天器，為國(guó)防建設(shè)做出了重大的貢獻(xiàn)；組織研制大尺寸閃爍晶體，為我國(guó)在國(guó)際高能物理和晶體研究領(lǐng)域贏得了崇高的聲譽(yù)；在科技體制改革方面，1984年向黨中央、國(guó)務(wù)院提出“關(guān)于中國(guó)科學(xué)院科技體制改革的匯報(bào)提綱”，使中國(guó)科學(xué)院的改革邁出了重要一步；造就和培育了大批材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的杰出人才。

2009年，嚴(yán)先生以91歲高齡積極參與《中國(guó)材料進(jìn)展》創(chuàng)刊，擔(dān)任我刊編委會(huì)名譽(yù)主任，為雜志在發(fā)展初期做出了卓越貢獻(xiàn)，為雜志的快速發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。我們將銘記他的悉心指導(dǎo)和殷切期望，追尋他心系國(guó)家、敢為人先、勇于拼搏的精神，加快打造國(guó)內(nèi)一流、國(guó)際知名材料領(lǐng)域綜合性學(xué)術(shù)期刊的步伐，為中國(guó)材料科技進(jìn)步和人才培養(yǎng)作出更大貢獻(xiàn)。

《中國(guó)材料進(jìn)展》雜志社全體成員沉痛悼念嚴(yán)東生先生！深切懷念嚴(yán)東生先生！

嚴(yán)東生先生千古！

Eco-Design and Practice of Road Building Materials

WANG Hongtao1，2,WANG Zhihong1,LIU Yu1,CHEN Wenjuan1

(1.College of Materials Science & Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)(2.China Quality Certification Center,Beijing 100070,China)

The Eco-design of road building materialis that the environmental load,performance and economic cost of the material will be considered into the material design process,with the idea of life cycle assessment as a guide,through the ecological reconstruction can make the materials in harmony with the environment. This study conducted an Eco-design of steel slag asphalt concrete road surface through the steps including the determination of product design objectives,needs analysis,design implement and evaluation with the natural stone asphalt concrete as a reference. The results show that the life cycle environment load of the steel slag asphalt concrete is about 14.17% lower than natural stone asphalt concrete and 31.87% higher than their using performance,the economic cost of 1km road construction is 8.37% lower than the steel slag asphalt concrete required,the Eco-design comprehensive evaluation result is greater than natural stone asphalt concrete,so the steel slag asphalt concrete are better than natural stone asphalt concrete in the environmental load,using performance,economic cost and overall performance，we can get a conclusion that the steel slag asphalt concrete pavement is more in line with the Eco-design requirements than natural stone asphalt concrete pavement,which provide the basis for the green design and selection of road building materials.

road building materials；eco-design；life cycle assessment；asphalt concrete

2015-12-28

北京市青年基金項(xiàng)目(2164056)；北京市基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2141001)；國(guó)家“863”計(jì)劃(2013AA031602)

王宏濤，男，1986年生，博士

王志宏，男，1959年生，教授，博士生導(dǎo)師， Email：wangzhihong@bjut.edu.cn

10.7502/j.issn.1674-3962.2016.10.03

TU528

A

1674-3962(2016)10-0776-07