节能减排应重视提高基建工程寿命

摘  要 ：当前中国的经济建设以前所未有的高速度迅猛发展，导致能耗和气体排放在世界上占有日益显著的地位。中国的节能减排不仅是国内经济可持续发展的需要，也是对改善世界环境的一大贡献。这不能只注意工厂内部生产过程的节能减排和住宅建筑的节能。必须从更深的层面上进行思考。中国今天的基建工程以波澜壮阔的态势向前发展，在国民经济中占有极大的比例。为此本文从各方面分析提高基建工程寿命与节能减排的关系。特别是从材料的角度提出延长工程寿命的措施。最后提出让全社会重视质量、重视耐久性、重视提高寿命的建议。

 

关键词：节能，减排，基建工程，使用寿命

 

 

 

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

 

　　当前节能减排已成为国家和公民探讨的重大课题. 同时由于我国经济的快速增长，在全球所占比重显著增加，我国的能耗和气体排放量也引起世界各国的关注。论者认为我国2006年煤产量（23.8亿吨）为世界总量（64.3亿吨）的37%，钢产量（4.2亿吨）占世界（12亿吨）的35%，水泥产量（12.4亿吨）占世界（26.4亿吨）的47%。消耗如此大的资源、能源但GDP（2.51万亿美元）仅占世界（46.7万亿美元）的5%左右，投入与收益极不相称。这种观点可能不够全面，因为水泥和钢主要用于基本建设，其效益要长期才能表现出来，但我国经济的全速发展，确为不争的事实。再者最近全球气候变化显著，已成全球议论的热点，温室气体排放，特别是CO₂的排放量就成为注意的焦点。最新资料表明2006年中国的CO₂排放量达62亿吨，约为世界（~300亿吨）的21%，并超过美国（58亿吨）而居世界首位。节能减排不仅是中国本身的需要，也是对世界可持续发展的重要贡献。为此我国提出了节能减排的十项重点工作和主要措施。1. 有效控制高能耗、高污染行业过快增长；2. 加快淘汰落后生产能力；3. 全面实施节能减排重点工程；4. 突出搞好重点企业节能减排；5. 推进节能减排科技进步；6. 大力发展循环经济；7. 完善体制和政策体系；8. 加大节能减排的投入；9. 切实加强节能减排法制建设；10. 强化节能减排监督管理。这些措施的实施必将获得重大效益。这里主要探讨提高资源的使用效率对节能减排的重要意义. 基建工程使用大量的钢材、水泥、木材、合成材料等，将基建工程寿命从10年提高到20年、100年以上，必将按比例节约资源、能源，减少排放。这种减少是成倍的，而不是通常的减少几个或几十个百分点。因此提高公路、桥梁、大坝、机场、隧道、港口码头、海上海下建筑、工业和民用建筑等基建工程的寿命应该是节能减排必须重视的重要环节，现从以下诸方面阐明其重要性。

 

　　在人类发展的历史过程中，20世纪是最活跃的时期，人类80%的科学技术成就是在这100年内完成的，生产力也长足增长，能耗和气体排放也以前所未有的速度增加。图1所示为1990～2006年的CO₂的排放量，从图中可以看出俄罗斯、日本、欧盟、美国基本上保持稳定，增长最多所占比例日益增大的是中国，以至2006年中国的CO₂排放量居世界第一位。图2所示为1800～2000年的CO2排放量，从图中可以显著看出增加最快的是上世纪的后50年。

　　上世纪后50年中国经济的快速增长也可以从水泥产量的变化（表1）看出来。特别是1978年改革开放以来，从80年代初开始水泥产量已连续22年居世界首位，表2示出2005、2006年世界水泥产量居前10位的国家，从中可以看出2006年中国水泥占世界产量的47%。约为其他9国产量总和的2倍，即使以省计，水泥产量之巨也是出人意料的，2006年山东省为1.66亿吨（占全球首位），江苏省1.09亿吨（超过美国），广东省8851万吨，河南省7404万吨。同时2006年我国钢产量4.2亿吨，占全球（12亿吨）的35%。水泥和钢材主要用于建筑业，由此可见我国基建工程的规模有可能为世界的30～40%。据称我国大坝和桥梁的建设达世界的50%以上，但我国GDP为2.51万亿美元，占世界（46.7万亿美元）5%，人口也仅为世界的1/5。这些对比数据充分说明我国的基建工程规模在整个国民经济中占有极大比例，仅建筑工人就达4000万之多。另据报道，美国的全部财富有70%是基建工程，世界的建筑业用去全球40%的资源和能源。根据这些数字，我们有充分理由相信在考虑节能减排时必须考虑基建工程寿命，一个机场使用寿命为10年与使用寿命是50年相比，能源、资源消耗就要多达5倍，并有相应的节能减排数据。

 

表2    2005、2006年全球水泥产量（10⁸吨）前10名的国家

 

　　仅就基建工程的主要材料水泥而言，能耗和气体排放量就占有相当分量，以CO₂排放量计，2006年全球水泥排放约20亿吨，约占全球的7%，中国就有可能为8亿吨，占中国总排放量的13%。2005年水泥工业SO₂的排放量为104万吨，占全国2168万吨的4.81%。2006年水泥能耗为1.28亿吨标准煤，约占全国的5%。对水泥产业的节能减排除了做好工业本身的降低能耗和减少排放而外，最重要的就是提高水泥的利用效率，机场寿命从10年提高到100年，水泥的利用效率就提高了10倍，这比水泥工业本身的节能减排以百分数计，效益要高出数十倍。

 

　　美国的资料表明：“建筑物及其他建筑设施，占有美国总财富的70%，因此国家总财富中混凝土占有相当大的部分 （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（大坝、桥梁、机场、公路、隧道、港口码头、海上海下建筑、地下建筑、工业及民用建筑等）的寿命就一直引起极大关注，早在上世纪80年代美国科学家就再三呼吁必须重视混凝土工程的耐久性，Klieger提到：“当前由于耐久性不好，对现有6万亿美金的混凝土基建工程的重建和维修费保守估计也要几千亿美金，若无大量投资用于重建或维修，则我们所拥有的1万亿美金的公路系统就将很快破坏。另一个惊人的费用是：有25万座桥梁现已露出破坏，至少部分原因是由于混凝土耐久性不良。估计重建和维修费需4500亿美金（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）。”

 

图1 全球CO₂排放（1990-2006年）

 

　　美国十分重视基建工程的耐久性，定期调查全国的情况，在“2005年美国工程调查报告”^[9]中指出，基建工程的质量有所下降从1998年的C级降到2005年的D级。59万座桥梁中有27.1%有缺陷或丧失功能，船闸50%失效，不安全的大坝数达33 %（3500个）。在公路方面因路况不好，每年维修费用高达540亿美元，这种全面系统的调查研究对决策是十分重要的。

　　Mirza在基建工程的耐久性和可持续发展一文中也提出了一些深刻的见解：“当前基建工程实施仅考虑直接的价值，没有深入思考使用过程中的维修和损伤”。“雇主通常未认识到耐久性问题及其对使用寿命的长期影响，因此不愿为增加耐久性付出更多的代价，同时整个工业是分离的，有许多业主和雇主，许多设计师、承包商、次承包商以及大小企业的供应商，他们的操作模式最恰当的描述是：“分离与竞争”，而不是“统一和促进”。这些经验的总结实在值得我们深入思考。根据他的经验，一般耐久性的问题总是出现在建成10～15年之内，而且60 %出现在3年之内。为此建议应对设计者规定法定的责任期，将耐久性的评估放在5～10年之后。这种负有经济责任的法律规定可能是保证耐久性的最重要的制度保障。

　　至于我国基建工程的耐久性，最缺乏的是具体数据，基建工程的总价值、使用年限、每年的修补费用以及耗材等等，均缺乏具体的详细数据资料，现根据近年来的报刊资料举数例如下：

1. 深圳至汕头280 km公路，1996年建成，2000年至2005年因路况不好（图3），造成1443人死亡，7290人受伤。

2. 京珠高速公路，湖南省湘潭至宜章段共300 km，2001年建成，耗资63.8亿元，每6 km有一维修处，湖南省境内的长潭、莲易、长久高速公路也在通车后3～5年内进行全面或部分大修。

3. 青海省西宁曹家堡机场，1996年建成，因损坏严重，进行盖被，复又损坏。

4. 陕西阳平关至安康的铁路线上，65个大型预应力钢筋混凝土桥梁，因碱集料反应严重损坏。

5. 京广线石家庄154甲号桥103孔，70年建成，2002年开裂、破坏、换梁，京通、京秦、胶济、京沪、新兖、陇海等线有大量预应力钢筋混凝土桥梁因碱集料反应而损坏。

6. 贵州省织金县城300万元的15层大楼未盖成就要炸毁。

7. 北京中国体育博物馆因地基不均匀下沉，使用不到15年。

8. 北京三元桥建于1984年，因碱集料反应、冰冻、盐腐蚀、钢筋锈蚀而破坏（见图4、5），现已部分拆除重建。

9. 京通线上874孔圬工梁，仅使用20多年， 就有249孔计498片梁相继出现了碱集料反应病害，给行车安全和提速带来了很大困难试设想公路、桥梁、机场、大楼均在不到设计年限，甚至只有设计年限的1/3就损坏而需要大修或重建，如何不影响节能减排呢？在节能减排的规划中，提高基建工程寿命应占有极重要的地位。

　　总结起来，我国基建工程耐久性不够好的原因有：1.设计规划不当，建好（甚至还没有建好）就拆，或者在尚能使用的情况下就提前报废；2. 选材不当。现在材料品种繁多，鱼龙混杂，以次充好；3. 层层承包，偷工减料等等。但最重要的原因是耐久性的好坏与承包商没有经济关系，承包商没有积极性为耐久性付出代价。

　　我国在基建工程中使用水泥比国外更普遍，这也是水泥用量大的原因之一。有人建议是否可用钢材代替水泥。但资料表明就相同功能而言钢筋混凝土梁与钢梁相比，前者能耗要小得多，CO₂排放量相差无几（见表3）。

 

图3 深汕公路陆丰站路面的破坏情况

 

　　历史资料证明，混凝土和钢筋混凝土工程是可以长寿命的。古罗马的竞技场有2000年的历史。美国华盛顿州的Longley空军基地是美国最老的机场^[20]，建于1917年，至今还在使用。二战时期上世纪40～50年代的机场仍可使用。因此著者提出可以把机场考虑成永久建筑，其寿命可达50～100年。位于佛罗里达州的Pronce de leoa旅馆和Tampa Bay旅馆^[21]是美国19世纪内战时的建筑物，至今完好，仍为Flagler学院和 Tampa大学的主要建筑物。为此被称为混凝土里程碑（Concrete landmarks）式的建筑。实际上在我国也有古老的混凝土建筑物和机场跑道，因此提高基建工程寿命是完全有可能的。

 

 

　　要提高基建工程寿命是不能仅依靠科学技术，还必须考虑招投标以及法律责任等问题。Rollings在讨论机场道面的耐久性问题时就指出，要达到长寿命的目的，主要应认识到承包方必须与道面的质量和性能有经济厉害关系，有积极性去承担用优质材料获得最佳质量而付出的代价。因此提高基建工程寿命应该是一个综合科学技术、经济、法律等的系统工程，根据我们现状特提出以下措施：

 

1. 对重大工程规定不大修或不小修的年限
　

　　当前我国有些重大工程也提出保证百年寿命，但如何界定工程的寿命难度太大，故特提出不小修和不大修的年限（见表4），并与个人和公司的经济收入相结合，有奖有罚，这样才有可能真正重视工程的寿命。

 

 

2. 标准

　　我国的工程标准，多沿袭前苏联的гOCT或美国的ASTM，存在的问题较多，著者也曾多次论述过标准中存在的问题，现仅谈及2007年修订的水泥新标准的问题。

　　首先建议将“硅酸盐水泥”改为“波特兰水泥”。现在全世界只有我国用“硅酸盐水泥”一词。经济要全球化，在无重大理由的情况下尽可能与国际接轨，对国内外均有好处。我国对外交流的文献中从未出现过“Silicate Cement”，一般全翻译为“Portland Cement”。因为前者国外无法理解。特别是我国的“普通硅酸盐水泥”与国外的“Ordinary Portland Cement”有很大差别，按我国的旧标准前者可掺入15%以内的混合材料，按新标准可掺入量可达20%，后者是不允许的。这就给国内外交流造成很大困难。我国研究生的论文常把CaO含量为58%～60%的普通硅酸盐水泥翻译为“Ordinary Portland Cement”，这常使国外的读者造成混乱. 就是在国内有较多研究生常把普通硅酸盐水泥当成纯水泥，几年艰辛的研究结果因基准有问题，很难得出科学准确的结论。在2007年实施的砂、石碱活性检验标准中[24]提到：“水泥应采用符合现行国家标准GB 175要求的普通硅酸盐水泥”。用混合材掺量达15%（新标准为20%）的水泥来检验砂、石材料的碱活性，这在世界上任何国家过去和现在都是没有的。造成这样的后果也很可能与名称的混淆有关的。

　　对比国外的标准就比我们严谨得多，表5所示为德国的水泥分类和标准。德国标准的最大特点是详细，给使用者（混凝土工作者）以尽可能详细的知情权。煤灰是低钙的还是高钙的，石灰石是含碳量低的，还是含碳量高的，均能根据所标注的符号一目了然。反观我国的最新水泥标准，把普通硅酸盐水泥的混合材料掺量由旧标准的15%放宽到20%，同时根本不说明掺入的是什么混合材，有的大型工程迫不得已到水泥厂了解，还答称是保密的。现在的商品混凝土不仅要求强度合格，流变特性、需水量、弹性模量等以及与减水剂的适配性等均非水泥厂所必须提供的资料，但这些与掺入20%的混合材料的品种是密切相关的，并将影响工程的耐久性。掺粉煤灰和沸石的水泥和掺矿渣的水泥需水量就可能不一样。特别是我国当前商品混凝土大发展，在搅拌站加掺和料是常有的事，大家都知道矿渣和粉煤灰双掺是有利的，其前提条件是必须知道原来水泥中20%究竟掺的是什么？为此建议标准制订者重新修订标准，为混凝土工作者提供充分的知情权。

　　在我国水泥厂中混合材料掺量严重超标也是一个大问题。据称：“建材院2004年从383家水泥厂企业抽样调查表明，在P.O42.5水泥中，混合材平均掺量为20%，最高达26%。在P.O 32.5水泥中，混合材平均掺量为28%，最大达48%。”在这种情况下，若商品混凝土站再加入大量掺和料而不采取措施，后果将不堪设想。

3. 尽可能采用水泥混凝土领域的最新科技成就

　　美国提出将水泥混凝土道面寿命延长至40、50至60年以上时，曾举出两个实例：

例1：明尼苏达州交通部设计的城区素混凝土有接缝的道面寿命定为60年，其措施包括3.8 cm的不锈钢连接棒、含气量高达7.5%，耐久性好的集料（限制石灰石量），掺35%高炉矿渣，水胶比（W/cm）＜0.45，混凝土板厚35.6cm。

　　例2：伊立诺利州交通部，其目标是设计寿命为40年的连续配筋混凝土路面，其目的是在最初40年的大部分时间里道面为零维修。设计的混凝土板厚35.6cm，在31～91 cm集料基础上铺一层152 cm沥青处理的基础层，采用最耐久的无活性集料、低碱水泥和粉煤灰，连接钢棒采用树脂涂层，养护7d以减少渗透性。

　　归纳起来就是精心设计、精心施工，材料优选和混凝土优配。值得注意的在机场建设中美国特别强调要预防碱集料反应，因为已发现有19个空军基地遭受碱集料反应的破坏，不堪重负。

　　我国机场道面寿命也值得充分注意。有使用寿命在10～15年以内的，甚至有的建成后就出现问题，根据近年来对机场建设中问题的了解特别提出如下建议：由粗放型向集约型转变，1）采用最先进的滑模摊铺施工，目前仅国内公司承包澳门及塔吉克斯坦的机场建设时采用过；2）对材料优选优配，现在材料变化很多，水泥品种繁多，集料供应不规范，值得特别注意是西部地区，盐及硫酸盐腐蚀严重，有的地区昼夜温差大，气候条件严酷。优选减水剂、引气剂，降低水胶比达0.4以下，加引气剂使抗冻性提高是非常必要的；3）精心养护，混凝土质量与养护条件关系十分密切；4）试用连续配筋的混凝土跑道，这在我国公路中已有应用，对重要的西部机场应进行尝试。这里仅指机场而言，其他基建工程，桥梁、隧道等也可根据情况提出措施，第一步是使寿命达到目前规定的年限，进一步依靠科技再将寿命提高一倍。

4. 前瞻性

　　基建工程的设计、规划必需要有前瞻性，我们常听到工程损坏的原因是承载能力和使用频率超过设计预期，这样的理由似乎破坏是不得已的、必然的。当前我们最需要考虑的是在设计时必须考虑今后的发展，提高相应的承载能力。例如德国正在考虑提高全国公路网系统的承载能力以适应汽车载重能力的增加。这种思考必须是全国性的，有发展趋势的准确资料，才能做到恰当应对。

5. 调查研究

　　现在我国缺乏的是全国系统的资料。我们应该照美国一样详细调查各省基建工程现状，当前的使用寿命？每年的维修费用？维修所耗水泥、钢材？因交通设施维修对运输的影响等等。只有做到心中有数，才能痛下决心。

四、建议

1. 建议在国家文件中提出“提高基建工程寿命”

　　在2005年十六届五中全会中提到的：“加强基础产业基础设施建设，推进产业结构优化升级”，著者曾建议改成“加强基础产业建设，推进产业结构优化升级，着重提高基础设施建设质量，力争重大工程使用寿命达百年以上”。其理由是基础产业与基础设施是两个概念，产业结构优化升级与基础设施建设没有多大关系。总之提高基建工程的耐久性、延长寿命，必须得到全社会的认可和国家的重视，才能如应对“气候变化”和“节能减排”一样得到舆论和资金的支持。基建工程可持续发展必将获得重大的社会和经济效益。

2. 争取国家列题

　　争取将“基建工程百年寿命战略规划（STRATEGIC PROGRAM OF EXTENDING THE SERVICE-LIFE OF INFRASTRUCTURE TO MORE THAN 100 YEARS）”列为国家课题. 计划分两步走，第一步达到现有的设计年限，第二步依靠科学技术把设计寿命提高一倍。同时建立相应的国家研究中心和重点实验室。更重要的是必须培养一大批人材队伍。建议以此为题召开香山会议，请自然科学工作者、工程师和社会科学专家以及企业家、政府部门共同商议。

　　当前节能减排是国内外关注的重大课题，由于我国经济在世界的地位日益重要，我国的节能减排不仅受到国内的重视，也引起了世界各国的关注。问题是节能减排不应只在建筑节能和重点企业过程中下功夫，提高基建工程的寿命将对节能减排做出重要的贡献。