諶偲翔，黃曉明

（東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210096）

地方砂石開采政策對水泥混凝土路面工程能耗排放的綜合影響分析

諶偲翔，黃曉明

（東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 210096）

為分析水泥混凝土路面建設(shè)工程中地方政策有關(guān)砂石資源開采規(guī)定對能耗排放產(chǎn)生的影響，通過對水泥混凝土從生產(chǎn)加工到投入使用全過程中各個環(huán)節(jié)所需材料以及能源量進(jìn)行統(tǒng)計整合，得到相應(yīng)的氣體排放總量，經(jīng)匯總后以清單表格的形式列出，并對具體環(huán)節(jié)中原材料的能耗排放占比進(jìn)行了綜合分析。以江蘇省為例，因限制開采的明令要求將直接導(dǎo)致原材料運輸距離增大，對應(yīng)的氣體排放量占比也隨之發(fā)生改變：當(dāng)運距小于20km時，砂石運輸環(huán)節(jié)產(chǎn)生的氣體排放量在總排放量中占比較小，低于10%；當(dāng)運距增大至35km時，占比增大至20%；當(dāng)進(jìn)一步考慮跨省運輸時，砂石運輸產(chǎn)生的氣體排放占比將高達(dá)57%。結(jié)果顯示：地方政策的實施需要考慮對全社會綜合效益的影響；遠(yuǎn)距離運輸應(yīng)結(jié)合地理環(huán)境和交通設(shè)施，采取船運或鐵路運輸?shù)刃问揭詼p少氣體排放量的增加；合理確定道路工程所需要的拌和站位置，盡量減少水泥混凝土的運輸距離，也可在很大程度上減少能耗排放總量。

水泥混凝土；砂石原料；能耗排放；綜合效益；運距

0 引言

伴隨著國家交通運輸轉(zhuǎn)型升級發(fā)展戰(zhàn)略的細(xì)化落實，現(xiàn)代公路建設(shè)目標(biāo)也由最初的滿足出行運輸服務(wù)進(jìn)一步發(fā)展為修建環(huán)境協(xié)調(diào)可持續(xù)、長期穩(wěn)態(tài)全方位的綜合性工程，為此有關(guān)綠色公路的理念探索與工程實踐也逐漸開展起來。不過回歸到實際的公路建設(shè)，在環(huán)保元素注入的同時，關(guān)鍵的作業(yè)流程與工藝技術(shù)仍未發(fā)生本質(zhì)性改變，在使用材料的選擇上也仍以常見的瀝青混凝土和水泥混凝土為主。故而圍繞節(jié)能減排的環(huán)保主題，對于路面工程中能源使用和氣體排放的計算，通常以材料需求為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對各項施工流程和環(huán)節(jié)進(jìn)行逐個分析考量。

目前，國內(nèi)外已有大量關(guān)于水泥混凝土路面工程能耗排放的研究。道路建設(shè)者在設(shè)計之初，即需要在環(huán)境協(xié)調(diào)性和路用功能性之間尋求良好的契合點，以期建設(shè)環(huán)境友好型工程[1]。南非學(xué)者Theodosiou[2]對水泥混凝土配合比設(shè)計過程中所需各類原材料的溫室氣體排放情況進(jìn)行了分類列舉，并根據(jù)排放差異對排放源進(jìn)行了總結(jié)；韓國學(xué)者Park[3]結(jié)合本國政府總結(jié)制定的能源平衡表，使用經(jīng)濟(jì)的投入產(chǎn)出模型，利用生命周期評價法對道路工程的一個完整壽命周期內(nèi)能源生產(chǎn)使用情況和氣體排放總量進(jìn)行了評估；瑞典學(xué)者Stripple[4]針對本國水泥和瀝青兩大類路面工程，利用模型評價法對二者生命周期里各環(huán)節(jié)涉及到的材料使用量、能源消耗量和氣體排放量進(jìn)行了對照分析。總體而言，國外研究在排放源確定的基礎(chǔ)上，著眼于從產(chǎn)品的原料開采、加工生產(chǎn)、投入使用、維護(hù)保養(yǎng)到最終循環(huán)利用或報廢清除的整個生命周期內(nèi)氣體排放量的綜合考慮。

國內(nèi)相關(guān)研究大多是在借鑒國外成熟的生命周期評價與分析理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國道路實際進(jìn)行具體分析。邴雪[5]認(rèn)為交通建設(shè)領(lǐng)域二氧化碳高排放區(qū)的排放源中，公路建設(shè)首當(dāng)其沖；潘美萍[6]根據(jù)當(dāng)下我國道路網(wǎng)優(yōu)化和公路建設(shè)的發(fā)展趨勢，結(jié)合國家可持續(xù)發(fā)展的長期規(guī)劃，提出未來高速公路建設(shè)中遇到的主要問題將由傳統(tǒng)的技術(shù)攻堅轉(zhuǎn)至節(jié)能減排；鄭艷華[7]以公路工程修建的整個生命周期作為研究對象，根據(jù)工程的具體流程安排，將項目系統(tǒng)地劃歸為以下四個主要進(jìn)程：以石料為代表的原料開采獲取和以水泥混凝土為代表的后續(xù)生產(chǎn)加工、現(xiàn)場實地作業(yè)修建、開放使用與綜合監(jiān)督管理、舊路在設(shè)計使用期末的報廢處理。整體而言，國內(nèi)研究的側(cè)重點主要集中在評價模型的建立方面，而就具體建設(shè)環(huán)節(jié)的影響因素分析尚有不足。

本文將以常見的普通水泥混凝土路面工程為例，采用生命周期評價分析法對原材料開采加工、水泥混凝土制備投產(chǎn)、現(xiàn)場施工使用等環(huán)節(jié)的能源消耗及對應(yīng)氣體排放情況進(jìn)行重點分析，并就運距增加帶來的相關(guān)影響展開討論，以提升社會綜合效益為目的，對地方開采政策力求進(jìn)行合理分析與評價。

1 我國砂石資源開發(fā)現(xiàn)狀與區(qū)域地方政策

我國地域遼闊、山脈眾多，砂石資源儲備量龐大。然而自建國以來，開采行業(yè)對于砂石資源的獲取方式相對粗放，在片面追求產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，一直忽視利用率的提高和對環(huán)境的綜合保護(hù)。單純追求經(jīng)濟(jì)利益直接導(dǎo)致資源的嚴(yán)重浪費，同時無序開采給周邊生態(tài)帶來巨大的破壞。為響應(yīng)我國資源可持續(xù)發(fā)展的要求，如何做到合理有序、高效環(huán)保地利用砂石資源，如何在社會綜合效益提升的前提下促進(jìn)各區(qū)域的協(xié)調(diào)發(fā)展，值得深思。

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)[8]，2012年全國各省市的砂石單礦山實際平均生產(chǎn)規(guī)模以及平均運輸半徑如圖1、圖2所示。

圖1 全國各省市及地區(qū)砂石資源生產(chǎn)規(guī)模[8]

圖2 全國各省市及地區(qū)砂石資源平均運輸半徑[8]

由圖1、圖2可見，全國范圍內(nèi)所有省市及地區(qū)當(dāng)年砂石資源實際生產(chǎn)總量接近40億t，其中浙江、廣東、北京、江蘇等地區(qū)的生產(chǎn)規(guī)模較大，這與地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度密切相關(guān)。經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展在促進(jìn)設(shè)施建設(shè)與工程修建數(shù)量增加的同時，對砂石資源的需求量和開采量也在增加。而在運輸半徑方面，不同省市及地區(qū)之間的差異較大，比如北京和黑龍江兩地的平均運輸半徑分別高達(dá)90km和80km，顯然二者的交通運輸成本和能耗排放量極大；江蘇省的平均運輸半徑雖然相對較小，但仍然接近25km?？梢姡粢_衡量道路施工中的能耗排放，就不能忽視因原材料運輸帶來的各項能源消耗和氣體排放量。

截至目前，我國有些省份已制定了有關(guān)砂石資源開采的法規(guī)條例。以江蘇省為例，于2001年制定了《關(guān)于限制開山采石的決定》（以下簡稱《決定》），開始對省內(nèi)砂石資源開采加大限制力度，并落實到各個地級市要求認(rèn)真執(zhí)行和監(jiān)督。結(jié)合蘇南、蘇北的經(jīng)濟(jì)狀況和未來發(fā)展預(yù)估，該條例對全省內(nèi)已有的砂石開采區(qū)域重新進(jìn)行了層次劃分，明確了可采區(qū)域和禁采區(qū)域，其中禁采區(qū)域占地面積達(dá)9 838km2，相當(dāng)于江蘇省地域面積的1/10左右，由此可見江蘇省對砂石資源開采限制的決心之大。該條例強制要求相關(guān)部門將待建公司的開發(fā)報批手續(xù)一律駁回，同時勒令禁采區(qū)域內(nèi)已有的開采公司在近年內(nèi)完成搬遷。同時，通過對可開采區(qū)已有料場的作業(yè)設(shè)備、機械使用、開采規(guī)模、加工能力進(jìn)行綜合評估，對不符合要求的料場采取了方案整改、罰款警告、責(zé)任追查、停產(chǎn)封閉等多項嚴(yán)格措施?！稕Q定》以“五年”作為驗收審查和深化拓展的時間段。自2006年起，江蘇省在保持原有禁采強度和力度的基礎(chǔ)上，制訂了又一輪限采禁止計劃并付諸實施。禁采面積在原有基礎(chǔ)上約增大了1/6，總占地面積增至11 303km2，占江蘇省地域面積的11.01%。經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展必然導(dǎo)致資源需求量的增大。江蘇省作為全國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，無論是高速公路修建還是道路網(wǎng)規(guī)劃都走在全國前列（江蘇省高速公路路網(wǎng)如圖3所示），故對道路建設(shè)原材料數(shù)量及質(zhì)量一直處于高需求的狀態(tài)。在本省限制開山采石決定的嚴(yán)格實施下，全省勢必對外?。ㄓ绕涫青徥。绨不?、浙江等）砂石等原材料的需求量增大，從而導(dǎo)致砂石平均運輸距離增大。換言之，《決定》在確保江蘇境內(nèi)資源和環(huán)境保護(hù)的同時加大了其他省份的砂石資源耗損，同時著眼于本省的氣體排放量固然大大減少，但若從全社會綜合效益的角度考慮則其實施效果有待商榷。

圖3 江蘇省高速公路路網(wǎng)[9]

2 水泥混凝土路面工程能耗排放綜合效益影響因素分析

2.1 能耗排放量計算方法的確定

2.1.1 研究對象的界定

水泥混凝土路面修建三個階段中的主要任務(wù)及本文研究重點如下。

（1）原材料加工生產(chǎn)階段：主要獲取制備水泥混凝土所需要的各類原材料，其中由于對集料和水泥的需求量較大，本文重點研究這兩大類原材料的能源消耗和氣體排放（具體以溫室氣體作為研究對象，且以占比較大的二氧化碳、氮氧化物和甲烷三種氣體為主）。

（2）水泥混凝土拌和制備階段：包括原材料運輸、水泥混凝土加工制備及配套運輸?shù)?，本文重點考察各類器械的使用情況。

（3）現(xiàn)場施工階段：包括水泥混凝土路面的攤鋪、養(yǎng)生，水泥板的分塊切縫等，本文同樣將考察各類器械的使用情況。

2.1.2 氣體排放源的確定

水泥混凝土路面修建的各個階段往往采用不同的生產(chǎn)加工工藝和技術(shù)，包括原材料的料場開采、水泥的干法生產(chǎn)、水泥混凝土的制備加工以及路面施工的機械作業(yè)等，每個環(huán)節(jié)因能源使用的不同將產(chǎn)生不同種類和不同數(shù)量的氣體排放。鑒于此，在數(shù)據(jù)計算之前，首先需要對每個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的氣體排放源加以明確，例如對機械、車輛、照明等不同種類進(jìn)行歸類劃分。

2.1.3 氣體排放量的計算

基于排放源的種類劃分，可得出各環(huán)節(jié)所需材料量和能耗量，最終得到氣體排放總量，經(jīng)匯總后以清單表格的形式列出，以便于之后的參量討論和具體環(huán)節(jié)能耗排放占比的比較。由于不同的排放源其氣體排放狀況有所不同，故針對不同排放源應(yīng)分別采用不同的排放量計算方法：一是針對材料本身的氣體排放，先根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式計算，再通過質(zhì)量守恒定律加以換算；二是針對能源（煤、燃油）的排放，具體可根據(jù)能源排放因子[10-11]的已有實驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)或者計算公式得出。

2.2 砂石運距對能耗排放總量的影響

水泥運輸和砂碎石運輸都屬于原材料運輸，其中砂石運輸主要指將砂石從料場運至拌和站的過程。在江蘇省采取封山禁采令之后，砂石作為非加工料的純天然材料，其運輸距離伴隨料場位置的改變而大大增長。根據(jù)圖2所示統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以預(yù)估：在未來江蘇省路面工程建設(shè)中，砂石運輸平均半徑將在25km的基礎(chǔ)上增加。施工中，水泥加工站的選取可充分使用省內(nèi)已有資源，而拌和站位置的確定則需要結(jié)合施工路段的具體情況，因而暫不考慮，現(xiàn)只對砂石的運輸距離進(jìn)行假設(shè)。

以國內(nèi)常見的雙幅水泥混凝土路面設(shè)計參數(shù)為依據(jù)[12]，若攤鋪1km混凝土路面，總寬度為22.5m，單幅路面寬度為11.25m(3.75m×3)，厚度為0.25m，則需要水泥混凝土的立方數(shù)為：

在此施工過程中，氣體排放統(tǒng)計結(jié)果[13]如表1所示。

表1 1km水泥混凝土路面施工過程中的氣體排放統(tǒng)計結(jié)果[13]

參考相關(guān)文獻(xiàn)[12-13]對運輸距離的選定方案，本文根據(jù)所需原料種類的不同對其運輸距離進(jìn)行假設(shè)，如分別取水泥運距、砂石運距和混凝土運距為20km、20km、15km。據(jù)此可計算出1m3水泥混凝土在運輸過程中的能耗排放量，具體如表2所示。

表2 單位能耗排放統(tǒng)計結(jié)果

假設(shè)水泥運距和混凝土運距不變，仍為20km和15km，首先對不考慮砂石運輸?shù)娜^程能耗排放進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表3；再對砂石運距分別為15km、20km、25km、30km、35km時的情況進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表4。

表3 不考慮砂石運輸?shù)娜^程能耗排放統(tǒng)計結(jié)果

表4 不同運輸距離下砂石運輸過程的能耗排放統(tǒng)計

分析表3、表4所示數(shù)據(jù)，可得不同砂石運距下運輸時的氣體排放量與總排放量的對比關(guān)系及其占比情況（如圖4、圖5所示）。

圖4 不同砂石運距下運輸時的氣體排放量與總排放量對比關(guān)系圖

圖5 不同砂石運距下運輸時的氣體排放量占比情況

從圖4、圖5可以看出，伴隨省內(nèi)禁采令的頒布與執(zhí)行，砂石運距的增大直接導(dǎo)致了其運輸中氣體排放量及占比的增大：當(dāng)運距為15km時，砂石運輸環(huán)節(jié)產(chǎn)生的氣體排放量占比為9.20%，而當(dāng)運距增大到35km時，其占比則增大至19.12%，幾乎為前者的2倍，增幅之大值得關(guān)注。

2.3 砂石開采政策的綜合影響分析

江蘇省源于保護(hù)環(huán)境初衷的限采令固然可以在很大程度上對省內(nèi)山區(qū)環(huán)境進(jìn)行保護(hù)，但就國家節(jié)能減排的目標(biāo)而言，并不能僅限于某一地方或區(qū)域的能耗排放降低，而忽視全國范圍內(nèi)的總量變化，否則會導(dǎo)致整體氣體排放總量有增無減。因此，有關(guān)部門需要對全國范圍內(nèi)各省市各地區(qū)砂石資源的合理開采進(jìn)行有效協(xié)調(diào)與統(tǒng)籌。倘若因單一地著眼于某地域的環(huán)境保護(hù)而較大規(guī)模減少該特定區(qū)域的資源利用，則將造成全國不均衡發(fā)展?fàn)顩r，不利于社會綜合效益的提升。

當(dāng)然，由于砂石資源的種類分布往往受到地域限制，在此考慮常用的石灰?guī)r和玄武巖等巖石的分布情況，其在各個省內(nèi)的有無、位置以及儲量都不一而同。省內(nèi)原料運輸半徑的確定是基于所有已建（或在建）工程的平均統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對于具體公路工程而言，若其路用材料無法就近獲取卻仍要保證不變的話，則原料采購距離將大大增大。假設(shè)運輸距離達(dá)到200km，同樣計算運輸全過程的氣體排放和各個環(huán)節(jié)中的氣體排放及其占比情況，結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 砂石運距為200km時全過程氣體排放

由前文可知，隨著砂石運距的增大，氣體排放總量及其占比都隨之增大。由圖7可知，當(dāng)運距增大到200km時，僅砂、碎石運輸中產(chǎn)生的氣體排放占比就高達(dá)57%。由此可見，在傳統(tǒng)的道路運輸方式下，利用車輛進(jìn)行運輸，產(chǎn)生的氣體排放量會十分巨大，不利于節(jié)能減排目標(biāo)的實現(xiàn)。此時，若充分結(jié)合工程所在地的地理環(huán)境或交通設(shè)施，換作其他大噸位運輸方式，如靠近河流的工程采用船運方式，靠近火車站的工程采用“客貨聯(lián)運”的火車進(jìn)行輔助的材料運輸，都將大大減少氣體排放量，同時提高能源的利用率。

圖7 砂石運距為200km條件下各階段氣體排放量占比

2.4 其他因素在不同運距下的能耗影響分析

前文分析是基于水泥、混凝土拌和、材料機械裝載、混凝土運輸?shù)纫蛩鼐３植蛔兊那闆r，而得到不同砂石運輸距離下能耗排放量及其占比規(guī)律：砂石運輸能耗量及其占比隨運輸距離的增大而增大。而在全過程統(tǒng)計計算中，以砂石運距為15km條件下的情況為例，有關(guān)水泥運輸和混凝土運輸各自的能耗排放量統(tǒng)計結(jié)果如表5所示。

表5 砂石運距為15km條件下全過程能耗排放量

水泥、混凝土在不同運距下能耗排放占比情況如圖8和圖9所示?？梢姡S著水泥和混凝土運距的縮短，特別是混凝土運距的減少，全過程能耗排放總量減少程度明顯（當(dāng)運距從15km減少到7km時，能耗排放占比下降約15%）。由此可見，合理確定拌和站位置，盡量減少水泥混凝土的運輸距離將很大程度地減少能耗排放總量。

圖8 水泥不同運距下能耗排放占比情況

圖9 混凝土不同運距下能耗排放占比情況

鑒于整個水泥混凝土路面修建過程中，施工地點的確定源自既定項目方案設(shè)計要求，考慮到投資方的建設(shè)目標(biāo)以及各單位的部署協(xié)調(diào)，不易變更，故在整個施工流程所涉及的機械運營場地中，只有水泥混凝土拌和站位置和原材料料場位置具有可選性。有關(guān)拌和站的修建位置，可以根據(jù)道路網(wǎng)的設(shè)置和縣市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r做出相應(yīng)的調(diào)整，以便在保證工程正常開工的前提下使資源利用取得最佳效果。值得注意的是，拌和站作為原材料生產(chǎn)加工的重要場所，生產(chǎn)的水泥混凝土將直接通過運輸車輛運至相應(yīng)施工段，其選址涉及眾多因素。單純的選址抽象理論研究涉及運籌學(xué)、統(tǒng)計學(xué)以及生產(chǎn)實踐等，因此從方法的選擇上，尤其是在近年來的公路工程項目拌和站選址實踐中，需要從位置選取的優(yōu)勢、劣勢及適用范圍等方面進(jìn)行全面系統(tǒng)的綜合評估。

3 結(jié)論

本文基于國內(nèi)砂石資源開發(fā)利用現(xiàn)狀和江蘇省“限采令”的有關(guān)規(guī)定，通過具體的數(shù)據(jù)計算，就原材料獲取過程中對能耗排放影響較大的運輸距離因素（砂石運距、水泥運距、混凝土運距）進(jìn)行了分析，并得到如下結(jié)論。

（1）對于江蘇省地方砂石限采令，其達(dá)到減少本省砂石開采量和省內(nèi)環(huán)境保護(hù)目的的同時勢必導(dǎo)致砂石遠(yuǎn)距離的跨省調(diào)運，由此產(chǎn)生更多的能耗排放，不符合國家節(jié)能減排的要求，因而從全局角度著眼，類似這種局部地區(qū)政策的落實與實施效果值得商榷。

（2）由于資源分布的特殊性，同時鑒于傳統(tǒng)道路運輸會產(chǎn)生大量的能耗排放，未來路面工程建設(shè)涉及材料遠(yuǎn)距離運輸時，建議調(diào)度者充分結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境條件和交通設(shè)施，盡量采取船運或鐵路等大噸位的運輸方式以減少氣體排放量。

（3）倘若砂石原料的料場無法輕易改變，則合理確定道路工程拌和站的位置，盡量減少水泥混凝土的運輸距離，也可在很大程度上減少能耗排放量。

總之，本文著眼于水泥混凝土路面工程建設(shè)階段原料運輸涉及的各個運距因素對能耗排放的影響進(jìn)行了探討，對區(qū)域砂石開采政策帶來的能源消耗和氣體排放影響進(jìn)行了分析，但限于數(shù)據(jù)收集和政策信息獲取等條件，本文對不同省市及地區(qū)之間的對比研究沒有涉及。在接下來的研究中，筆者將重點開展地域間的橫向比較，針對各省市及地區(qū)砂石開采的相關(guān)情況，就共同點及差異性展開研究，以期為國內(nèi)因地制宜、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)地開采現(xiàn)有砂石資源提供建設(shè)性意見，爭取降低氣體排放總量，促進(jìn)資源使用率的提高。

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Comprehensive Effect of LocalAggregate Mining Policy on Energy Consumption and Emissions of Cement Concrete Pavement Engineering

CHEN Cai-xiang,HUANG Xiao-ming
(School of Transportation,Southeast University,Nanjing 210096,China)

In order to analyze the effect of local policy about aggregate mining on energy emissions in cement concrete pavement construction engineering,the raw material needed and energy consumption was integrated from the production to construction of cement concrete in the whole construction process, then the total amount of gas emission was calculated and presented in list forms by statistics,so as to comprehensively analyze and calculate the percentage of energy consumption and emissions in total transport of raw materials.Taking Jiangsu Province as an example,because of the limitations of local ag?gregate mining policy,the material transport distance was led to increase.When the transport distance is less than 20km,gas emissions of aggregate materials transport account for 10%of the total;when the transport distance increase to 35km,the proportion increases to 20%.Furthermore,considering interprovincial transportation,the gas emission of aggregate materials transport account for 57%of the total.The results show that the implementation of local policies need to consider the comprehensive effect of the whole social benefits of China.Long-distance transport should be combined with the geographical environment and transportation facilities,the mode of transport should appropriately take the form of shipping or rail to reduce the increase of gas emission.At the same time,reasonable mixing station loca?tion and reduced transport distance of cement concrete can also reduce the emission amount of total ener?gy consumption to a great extent.

cement concrete；aggregate materials;energy emissions;comprehensive benefits;trans?port distance

U-9

：A

：2095-9931（2015）05-0054-07

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.05.008

2015-08-01

國家自然科學(xué)基金項目（51378121）

諶偲翔（1992—），男，江西高安人，碩士研究生，研究方向為道路與鐵道工程。E-mail：1812703357@qq.com。