節能減排應重視提高基建工程壽命

摘  要 ：當前中國的經濟建設以前所未有的高速度迅猛發展，導致能耗和氣體排放在世界上占有日益顯著的地位。中國的節能減排不僅是國內經濟可持續發展的需要，也是對改善世界環境的一大貢獻。這不能只注意工廠內部生產過程的節能減排和住宅建筑的節能。必須從更深的層面上進行思考。中國今天的基建工程以波瀾壯闊的態勢向前發展，在國民經濟中占有極大的比例。為此本文從各方面分析提高基建工程壽命與節能減排的關系。特別是從材料的角度提出延長工程壽命的措施。最后提出讓全社會重視質量、重視耐久性、重視提高壽命的建議。

 

關鍵詞：節能，減排，基建工程，使用壽命

 

 

 

Keywords: Saving energy, reducing emission, infrastructure, service-life

 

　　當前節能減排已成為國家和公民探討的重大課題. 同時由于我國經濟的快速增長，在全球所占比重顯著增加，我國的能耗和氣體排放量也引起世界各國的關注。論者認為我國2006年煤產量（23.8億噸）為世界總量（64.3億噸）的37%，鋼產量（4.2億噸）占世界（12億噸）的35%，水泥產量（12.4億噸）占世界（26.4億噸）的47%。消耗如此大的資源、能源但GDP（2.51萬億美元）僅占世界（46.7萬億美元）的5%左右，投入與收益極不相稱。這種觀點可能不夠全面，因為水泥和鋼主要用于基本建設，其效益要長期才能表現出來，但我國經濟的全速發展，確為不爭的事實。再者最近全球氣候變化顯著，已成全球議論的熱點，溫室氣體排放，特別是CO₂的排放量就成為注意的焦點。最新資料表明2006年中國的CO₂排放量達62億噸，約為世界（~300億噸）的21%，并超過美國（58億噸）而居世界首位。節能減排不僅是中國本身的需要，也是對世界可持續發展的重要貢獻。為此我國提出了節能減排的十項重點工作和主要措施。1. 有效控制高能耗、高污染行業過快增長；2. 加快淘汰落后生產能力；3. 全面實施節能減排重點工程；4. 突出搞好重點企業節能減排；5. 推進節能減排科技進步；6. 大力發展循環經濟；7. 完善體制和政策體系；8. 加大節能減排的投入；9. 切實加強節能減排法制建設；10. 強化節能減排監督管理。這些措施的實施必將獲得重大效益。這里主要探討提高資源的使用效率對節能減排的重要意義. 基建工程使用大量的鋼材、水泥、木材、合成材料等，將基建工程壽命從10年提高到20年、100年以上，必將按比例節約資源、能源，減少排放。這種減少是成倍的，而不是通常的減少幾個或幾十個百分點。因此提高公路、橋梁、大壩、機場、隧道、港口碼頭、海上海下建筑、工業和民用建筑等基建工程的壽命應該是節能減排必須重視的重要環節，現從以下諸方面闡明其重要性。

 

　　在人類發展的歷史過程中，20世紀是最活躍的時期，人類80%的科學技術成就是在這100年內完成的，生產力也長足增長，能耗和氣體排放也以前所未有的速度增加。圖1所示為1990～2006年的CO₂的排放量，從圖中可以看出俄羅斯、日本、歐盟、美國基本上保持穩定，增長最多所占比例日益增大的是中國，以至2006年中國的CO₂排放量居世界第一位。圖2所示為1800～2000年的CO2排放量，從圖中可以顯著看出增加最快的是上世紀的后50年。

　　上世紀后50年中國經濟的快速增長也可以從水泥產量的變化（表1）看出來。特別是1978年改革開放以來，從80年代初開始水泥產量已連續22年居世界首位，表2示出2005、2006年世界水泥產量居前10位的國家，從中可以看出2006年中國水泥占世界產量的47%。約為其他9國產量總和的2倍，即使以省計，水泥產量之巨也是出人意料的，2006年山東省為1.66億噸（占全球首位），江蘇省1.09億噸（超過美國），廣東省8851萬噸，河南省7404萬噸。同時2006年我國鋼產量4.2億噸，占全球（12億噸）的35%。水泥和鋼材主要用于建筑業，由此可見我國基建工程的規模有可能為世界的30～40%。據稱我國大壩和橋梁的建設達世界的50%以上，但我國GDP為2.51萬億美元，占世界（46.7萬億美元）5%，人口也僅為世界的1/5。這些對比數據充分說明我國的基建工程規模在整個國民經濟中占有極大比例，僅建筑工人就達4000萬之多。另據報道，美國的全部財富有70%是基建工程，世界的建筑業用去全球40%的資源和能源。根據這些數字，我們有充分理由相信在考慮節能減排時必須考慮基建工程壽命，一個機場使用壽命為10年與使用壽命是50年相比，能源、資源消耗就要多達5倍，并有相應的節能減排數據。

 

表2    2005、2006年全球水泥產量（10⁸噸）前10名的國家

 

　　僅就基建工程的主要材料水泥而言，能耗和氣體排放量就占有相當分量，以CO₂排放量計，2006年全球水泥排放約20億噸，約占全球的7%，中國就有可能為8億噸，占中國總排放量的13%。2005年水泥工業SO₂的排放量為104萬噸，占全國2168萬噸的4.81%。2006年水泥能耗為1.28億噸標準煤，約占全國的5%。對水泥產業的節能減排除了做好工業本身的降低能耗和減少排放而外，最重要的就是提高水泥的利用效率，機場壽命從10年提高到100年，水泥的利用效率就提高了10倍，這比水泥工業本身的節能減排以百分數計，效益要高出數十倍。

 

　　美國的資料表明：“建筑物及其他建筑設施，占有美國總財富的70%，因此國家總財富中混凝土占有相當大的部分 （It has been estimated that buildings & other constructed facilities in the United States represent about 70% of the national wealth; so a significant fraction of the national’s wealth consists of concrete）”。因此，提高基建工程（大壩、橋梁、機場、公路、隧道、港口碼頭、海上海下建筑、地下建筑、工業及民用建筑等）的壽命就一直引起極大關注，早在上世紀80年代美國科學家就再三呼吁必須重視混凝土工程的耐久性，Klieger提到：“當前由于耐久性不好，對現有6萬億美金的混凝土基建工程的重建和維修費保守估計也要幾千億美金，若無大量投資用于重建或維修，則我們所擁有的1萬億美金的公路系統就將很快破壞。另一個驚人的費用是：有25萬座橋梁現已露出破壞，至少部分原因是由于混凝土耐久性不良。估計重建和維修費需4500億美金（Today, replacement and repair requirements for the existing $ 6 trillion concrete infrastructure, due in large part to durability problems, are conservatively estimated at several hundred billion dollars. Without a massive infusion of funds for rehabilitation and maintenance, our $ 1 trillion highway system will rapidly deteriorate. Another example of the staggering costs: Some 250,000 concrete bridges currently show damage, at least in part attributable to concrete durability, and are in need of repair or replacement at on estimated cost about $ 450 billion）。”

 

圖1 全球CO₂排放（1990-2006年）

 

　　美國十分重視基建工程的耐久性，定期調查全國的情況，在“2005年美國工程調查報告”^[9]中指出，基建工程的質量有所下降從1998年的C級降到2005年的D級。59萬座橋梁中有27.1%有缺陷或喪失功能，船閘50%失效，不安全的大壩數達33 %（3500個）。在公路方面因路況不好，每年維修費用高達540億美元，這種全面系統的調查研究對決策是十分重要的。

　　Mirza在基建工程的耐久性和可持續發展一文中也提出了一些深刻的見解：“當前基建工程實施僅考慮直接的價值，沒有深入思考使用過程中的維修和損傷”。“雇主通常未認識到耐久性問題及其對使用壽命的長期影響，因此不愿為增加耐久性付出更多的代價，同時整個工業是分離的，有許多業主和雇主，許多設計師、承包商、次承包商以及大小企業的供應商，他們的操作模式最恰當的描述是：“分離與競爭”，而不是“統一和促進”。這些經驗的總結實在值得我們深入思考。根據他的經驗，一般耐久性的問題總是出現在建成10～15年之內，而且60 %出現在3年之內。為此建議應對設計者規定法定的責任期，將耐久性的評估放在5～10年之后。這種負有經濟責任的法律規定可能是保證耐久性的最重要的制度保障。

　　至于我國基建工程的耐久性，最缺乏的是具體數據，基建工程的總價值、使用年限、每年的修補費用以及耗材等等，均缺乏具體的詳細數據資料，現根據近年來的報刊資料舉數例如下：

1. 深圳至汕頭280 km公路，1996年建成，2000年至2005年因路況不好（圖3），造成1443人死亡，7290人受傷。

2. 京珠高速公路，湖南省湘潭至宜章段共300 km，2001年建成，耗資63.8億元，每6 km有一維修處，湖南省境內的長潭、蓮易、長久高速公路也在通車后3～5年內進行全面或部分大修。

3. 青海省西寧曹家堡機場，1996年建成，因損壞嚴重，進行蓋被，復又損壞。

4. 陜西陽平關至安康的鐵路線上，65個大型預應力鋼筋混凝土橋梁，因堿集料反應嚴重損壞。

5. 京廣線石家莊154甲號橋103孔，70年建成，2002年開裂、破壞、換梁，京通、京秦、膠濟、京滬、新兗、隴海等線有大量預應力鋼筋混凝土橋梁因堿集料反應而損壞。

6. 貴州省織金縣城300萬元的15層大樓未蓋成就要炸毀。

7. 北京中國體育博物館因地基不均勻下沉，使用不到15年。

8. 北京三元橋建于1984年，因堿集料反應、冰凍、鹽腐蝕、鋼筋銹蝕而破壞（見圖4、5），現已部分拆除重建。

9. 京通線上874孔圬工梁，僅使用20多年， 就有249孔計498片梁相繼出現了堿集料反應病害，給行車安全和提速帶來了很大困難試設想公路、橋梁、機場、大樓均在不到設計年限，甚至只有設計年限的1/3就損壞而需要大修或重建，如何不影響節能減排呢？在節能減排的規劃中，提高基建工程壽命應占有極重要的地位。

　　總結起來，我國基建工程耐久性不夠好的原因有：1.設計規劃不當，建好（甚至還沒有建好）就拆，或者在尚能使用的情況下就提前報廢；2. 選材不當。現在材料品種繁多，魚龍混雜，以次充好；3. 層層承包，偷工減料等等。但最重要的原因是耐久性的好壞與承包商沒有經濟關系，承包商沒有積極性為耐久性付出代價。

　　我國在基建工程中使用水泥比國外更普遍，這也是水泥用量大的原因之一。有人建議是否可用鋼材代替水泥。但資料表明就相同功能而言鋼筋混凝土梁與鋼梁相比，前者能耗要小得多，CO₂排放量相差無幾（見表3）。

 

圖3 深汕公路陸豐站路面的破壞情況

 

　　歷史資料證明，混凝土和鋼筋混凝土工程是可以長壽命的。古羅馬的競技場有2000年的歷史。美國華盛頓州的Longley空軍基地是美國最老的機場^[20]，建于1917年，至今還在使用。二戰時期上世紀40～50年代的機場仍可使用。因此著者提出可以把機場考慮成永久建筑，其壽命可達50～100年。位于佛羅里達州的Pronce de leoa旅館和Tampa Bay旅館^[21]是美國19世紀內戰時的建筑物，至今完好，仍為Flagler學院和 Tampa大學的主要建筑物。為此被稱為混凝土里程碑（Concrete landmarks）式的建筑。實際上在我國也有古老的混凝土建筑物和機場跑道，因此提高基建工程壽命是完全有可能的。

 

 

　　要提高基建工程壽命是不能僅依靠科學技術，還必須考慮招投標以及法律責任等問題。Rollings在討論機場道面的耐久性問題時就指出，要達到長壽命的目的，主要應認識到承包方必須與道面的質量和性能有經濟厲害關系，有積極性去承擔用優質材料獲得最佳質量而付出的代價。因此提高基建工程壽命應該是一個綜合科學技術、經濟、法律等的系統工程，根據我們現狀特提出以下措施：

 

1. 對重大工程規定不大修或不小修的年限
　

　　當前我國有些重大工程也提出保證百年壽命，但如何界定工程的壽命難度太大，故特提出不小修和不大修的年限（見表4），并與個人和公司的經濟收入相結合，有獎有罰，這樣才有可能真正重視工程的壽命。

 

 

2. 標準

　　我國的工程標準，多沿襲前蘇聯的гOCT或美國的ASTM，存在的問題較多，著者也曾多次論述過標準中存在的問題，現僅談及2007年修訂的水泥新標準的問題。

　　首先建議將“硅酸鹽水泥”改為“波特蘭水泥”。現在全世界只有我國用“硅酸鹽水泥”一詞。經濟要全球化，在無重大理由的情況下盡可能與國際接軌，對國內外均有好處。我國對外交流的文獻中從未出現過“Silicate Cement”，一般全翻譯為“Portland Cement”。因為前者國外無法理解。特別是我國的“普通硅酸鹽水泥”與國外的“Ordinary Portland Cement”有很大差別，按我國的舊標準前者可摻入15%以內的混合材料，按新標準可摻入量可達20%，后者是不允許的。這就給國內外交流造成很大困難。我國研究生的論文常把CaO含量為58%～60%的普通硅酸鹽水泥翻譯為“Ordinary Portland Cement”，這常使國外的讀者造成混亂. 就是在國內有較多研究生常把普通硅酸鹽水泥當成純水泥，幾年艱辛的研究結果因基準有問題，很難得出科學準確的結論。在2007年實施的砂、石堿活性檢驗標準中[24]提到：“水泥應采用符合現行國家標準GB 175要求的普通硅酸鹽水泥”。用混合材摻量達15%（新標準為20%）的水泥來檢驗砂、石材料的堿活性，這在世界上任何國家過去和現在都是沒有的。造成這樣的后果也很可能與名稱的混淆有關的。

　　對比國外的標準就比我們嚴謹得多，表5所示為德國的水泥分類和標準。德國標準的最大特點是詳細，給使用者（混凝土工作者）以盡可能詳細的知情權。煤灰是低鈣的還是高鈣的，石灰石是含碳量低的，還是含碳量高的，均能根據所標注的符號一目了然。反觀我國的最新水泥標準，把普通硅酸鹽水泥的混合材料摻量由舊標準的15%放寬到20%，同時根本不說明摻入的是什么混合材，有的大型工程迫不得已到水泥廠了解，還答稱是保密的。現在的商品混凝土不僅要求強度合格，流變特性、需水量、彈性模量等以及與減水劑的適配性等均非水泥廠所必須提供的資料，但這些與摻入20%的混合材料的品種是密切相關的，并將影響工程的耐久性。摻粉煤灰和沸石的水泥和摻礦渣的水泥需水量就可能不一樣。特別是我國當前商品混凝土大發展，在攪拌站加摻和料是常有的事，大家都知道礦渣和粉煤灰雙摻是有利的，其前提條件是必須知道原來水泥中20%究竟摻的是什么？為此建議標準制訂者重新修訂標準，為混凝土工作者提供充分的知情權。

　　在我國水泥廠中混合材料摻量嚴重超標也是一個大問題。據稱：“建材院2004年從383家水泥廠企業抽樣調查表明，在P.O42.5水泥中，混合材平均摻量為20%，最高達26%。在P.O 32.5水泥中，混合材平均摻量為28%，最大達48%。”在這種情況下，若商品混凝土站再加入大量摻和料而不采取措施，后果將不堪設想。

3. 盡可能采用水泥混凝土領域的最新科技成就

　　美國提出將水泥混凝土道面壽命延長至40、50至60年以上時，曾舉出兩個實例：

例1：明尼蘇達州交通部設計的城區素混凝土有接縫的道面壽命定為60年，其措施包括3.8 cm的不銹鋼連接棒、含氣量高達7.5%，耐久性好的集料（限制石灰石量），摻35%高爐礦渣，水膠比（W/cm）＜0.45，混凝土板厚35.6cm。

　　例2：伊立諾利州交通部，其目標是設計壽命為40年的連續配筋混凝土路面，其目的是在最初40年的大部分時間里道面為零維修。設計的混凝土板厚35.6cm，在31～91 cm集料基礎上鋪一層152 cm瀝青處理的基礎層，采用最耐久的無活性集料、低堿水泥和粉煤灰，連接鋼棒采用樹脂涂層，養護7d以減少滲透性。

　　歸納起來就是精心設計、精心施工，材料優選和混凝土優配。值得注意的在機場建設中美國特別強調要預防堿集料反應，因為已發現有19個空軍基地遭受堿集料反應的破壞，不堪重負。

　　我國機場道面壽命也值得充分注意。有使用壽命在10～15年以內的，甚至有的建成后就出現問題，根據近年來對機場建設中問題的了解特別提出如下建議：由粗放型向集約型轉變，1）采用最先進的滑模攤鋪施工，目前僅國內公司承包澳門及塔吉克斯坦的機場建設時采用過；2）對材料優選優配，現在材料變化很多，水泥品種繁多，集料供應不規范，值得特別注意是西部地區，鹽及硫酸鹽腐蝕嚴重，有的地區晝夜溫差大，氣候條件嚴酷。優選減水劑、引氣劑，降低水膠比達0.4以下，加引氣劑使抗凍性提高是非常必要的；3）精心養護，混凝土質量與養護條件關系十分密切；4）試用連續配筋的混凝土跑道，這在我國公路中已有應用，對重要的西部機場應進行嘗試。這里僅指機場而言，其他基建工程，橋梁、隧道等也可根據情況提出措施，第一步是使壽命達到目前規定的年限，進一步依靠科技再將壽命提高一倍。

4. 前瞻性

　　基建工程的設計、規劃必需要有前瞻性，我們常聽到工程損壞的原因是承載能力和使用頻率超過設計預期，這樣的理由似乎破壞是不得已的、必然的。當前我們最需要考慮的是在設計時必須考慮今后的發展，提高相應的承載能力。例如德國正在考慮提高全國公路網系統的承載能力以適應汽車載重能力的增加。這種思考必須是全國性的，有發展趨勢的準確資料，才能做到恰當應對。

5. 調查研究

　　現在我國缺乏的是全國系統的資料。我們應該照美國一樣詳細調查各省基建工程現狀，當前的使用壽命？每年的維修費用？維修所耗水泥、鋼材？因交通設施維修對運輸的影響等等。只有做到心中有數，才能痛下決心。

四、建議

1. 建議在國家文件中提出“提高基建工程壽命”

　　在2005年十六屆五中全會中提到的：“加強基礎產業基礎設施建設，推進產業結構優化升級”，著者曾建議改成“加強基礎產業建設，推進產業結構優化升級，著重提高基礎設施建設質量，力爭重大工程使用壽命達百年以上”。其理由是基礎產業與基礎設施是兩個概念，產業結構優化升級與基礎設施建設沒有多大關系。總之提高基建工程的耐久性、延長壽命，必須得到全社會的認可和國家的重視，才能如應對“氣候變化”和“節能減排”一樣得到輿論和資金的支持。基建工程可持續發展必將獲得重大的社會和經濟效益。

2. 爭取國家列題

　　爭取將“基建工程百年壽命戰略規劃（STRATEGIC PROGRAM OF EXTENDING THE SERVICE-LIFE OF INFRASTRUCTURE TO MORE THAN 100 YEARS）”列為國家課題. 計劃分兩步走，第一步達到現有的設計年限，第二步依靠科學技術把設計壽命提高一倍。同時建立相應的國家研究中心和重點實驗室。更重要的是必須培養一大批人材隊伍。建議以此為題召開香山會議，請自然科學工作者、工程師和社會科學專家以及企業家、政府部門共同商議。

　　當前節能減排是國內外關注的重大課題，由于我國經濟在世界的地位日益重要，我國的節能減排不僅受到國內的重視，也引起了世界各國的關注。問題是節能減排不應只在建筑節能和重點企業過程中下功夫，提高基建工程的壽命將對節能減排做出重要的貢獻。