地方砂石开采政策对水泥混凝土路面工程能耗排放的综合影响分析

谌偲翔，黄晓明

（东南大学 交通学院，江苏 南京 210096）

地方砂石开采政策对水泥混凝土路面工程能耗排放的综合影响分析

谌偲翔，黄晓明

（东南大学 交通学院，江苏 南京 210096）

为分析水泥混凝土路面建设工程中地方政策有关砂石资源开采规定对能耗排放产生的影响，通过对水泥混凝土从生产加工到投入使用全过程中各个环节所需材料以及能源量进行统计整合，得到相应的气体排放总量，经汇总后以清单表格的形式列出，并对具体环节中原材料的能耗排放占比进行了综合分析。以江苏省为例，因限制开采的明令要求将直接导致原材料运输距离增大，对应的气体排放量占比也随之发生改变：当运距小于20km时，砂石运输环节产生的气体排放量在总排放量中占比较小，低于10%；当运距增大至35km时，占比增大至20%；当进一步考虑跨省运输时，砂石运输产生的气体排放占比将高达57%。结果显示：地方政策的实施需要考虑对全社会综合效益的影响；远距离运输应结合地理环境和交通设施，采取船运或铁路运输等形式以减少气体排放量的增加；合理确定道路工程所需要的拌和站位置，尽量减少水泥混凝土的运输距离，也可在很大程度上减少能耗排放总量。

水泥混凝土；砂石原料；能耗排放；综合效益；运距

0 引言

伴随着国家交通运输转型升级发展战略的细化落实，现代公路建设目标也由最初的满足出行运输服务进一步发展为修建环境协调可持续、长期稳态全方位的综合性工程，为此有关绿色公路的理念探索与工程实践也逐渐开展起来。不过回归到实际的公路建设，在环保元素注入的同时，关键的作业流程与工艺技术仍未发生本质性改变，在使用材料的选择上也仍以常见的沥青混凝土和水泥混凝土为主。故而围绕节能减排的环保主题，对于路面工程中能源使用和气体排放的计算，通常以材料需求为数据基础，对各项施工流程和环节进行逐个分析考量。

目前，国内外已有大量关于水泥混凝土路面工程能耗排放的研究。道路建设者在设计之初，即需要在环境协调性和路用功能性之间寻求良好的契合点，以期建设环境友好型工程[1]。南非学者Theodosiou[2]对水泥混凝土配合比设计过程中所需各类原材料的温室气体排放情况进行了分类列举，并根据排放差异对排放源进行了总结；韩国学者Park[3]结合本国政府总结制定的能源平衡表，使用经济的投入产出模型，利用生命周期评价法对道路工程的一个完整寿命周期内能源生产使用情况和气体排放总量进行了评估；瑞典学者Stripple[4]针对本国水泥和沥青两大类路面工程，利用模型评价法对二者生命周期里各环节涉及到的材料使用量、能源消耗量和气体排放量进行了对照分析。总体而言，国外研究在排放源确定的基础上，着眼于从产品的原料开采、加工生产、投入使用、维护保养到最终循环利用或报废清除的整个生命周期内气体排放量的综合考虑。

国内相关研究大多是在借鉴国外成熟的生命周期评价与分析理论的基础上，结合我国道路实际进行具体分析。邴雪[5]认为交通建设领域二氧化碳高排放区的排放源中，公路建设首当其冲；潘美萍[6]根据当下我国道路网优化和公路建设的发展趋势，结合国家可持续发展的长期规划，提出未来高速公路建设中遇到的主要问题将由传统的技术攻坚转至节能减排；郑艳华[7]以公路工程修建的整个生命周期作为研究对象，根据工程的具体流程安排，将项目系统地划归为以下四个主要进程：以石料为代表的原料开采获取和以水泥混凝土为代表的后续生产加工、现场实地作业修建、开放使用与综合监督管理、旧路在设计使用期末的报废处理。整体而言，国内研究的侧重点主要集中在评价模型的建立方面，而就具体建设环节的影响因素分析尚有不足。

本文将以常见的普通水泥混凝土路面工程为例，采用生命周期评价分析法对原材料开采加工、水泥混凝土制备投产、现场施工使用等环节的能源消耗及对应气体排放情况进行重点分析，并就运距增加带来的相关影响展开讨论，以提升社会综合效益为目的，对地方开采政策力求进行合理分析与评价。

1 我国砂石资源开发现状与区域地方政策

我国地域辽阔、山脉众多，砂石资源储备量庞大。然而自建国以来，开采行业对于砂石资源的获取方式相对粗放，在片面追求产量的基础上，一直忽视利用率的提高和对环境的综合保护。单纯追求经济利益直接导致资源的严重浪费，同时无序开采给周边生态带来巨大的破坏。为响应我国资源可持续发展的要求，如何做到合理有序、高效环保地利用砂石资源，如何在社会综合效益提升的前提下促进各区域的协调发展，值得深思。

根据统计数据[8]，2012年全国各省市的砂石单矿山实际平均生产规模以及平均运输半径如图1、图2所示。

图1 全国各省市及地区砂石资源生产规模[8]

图2 全国各省市及地区砂石资源平均运输半径[8]

由图1、图2可见，全国范围内所有省市及地区当年砂石资源实际生产总量接近40亿t，其中浙江、广东、北京、江苏等地区的生产规模较大，这与地区的经济发展程度密切相关。经济的高速发展在促进设施建设与工程修建数量增加的同时，对砂石资源的需求量和开采量也在增加。而在运输半径方面，不同省市及地区之间的差异较大，比如北京和黑龙江两地的平均运输半径分别高达90km和80km，显然二者的交通运输成本和能耗排放量极大；江苏省的平均运输半径虽然相对较小，但仍然接近25km。可见，若要精确衡量道路施工中的能耗排放，就不能忽视因原材料运输带来的各项能源消耗和气体排放量。

截至目前，我国有些省份已制定了有关砂石资源开采的法规条例。以江苏省为例，于2001年制定了《关于限制开山采石的决定》（以下简称《决定》），开始对省内砂石资源开采加大限制力度，并落实到各个地级市要求认真执行和监督。结合苏南、苏北的经济状况和未来发展预估，该条例对全省内已有的砂石开采区域重新进行了层次划分，明确了可采区域和禁采区域，其中禁采区域占地面积达9 838km2，相当于江苏省地域面积的1/10左右，由此可见江苏省对砂石资源开采限制的决心之大。该条例强制要求相关部门将待建公司的开发报批手续一律驳回，同时勒令禁采区域内已有的开采公司在近年内完成搬迁。同时，通过对可开采区已有料场的作业设备、机械使用、开采规模、加工能力进行综合评估，对不符合要求的料场采取了方案整改、罚款警告、责任追查、停产封闭等多项严格措施。《决定》以“五年”作为验收审查和深化拓展的时间段。自2006年起，江苏省在保持原有禁采强度和力度的基础上，制订了又一轮限采禁止计划并付诸实施。禁采面积在原有基础上约增大了1/6，总占地面积增至11 303km2，占江苏省地域面积的11.01%。经济的快速发展必然导致资源需求量的增大。江苏省作为全国经济发达地区，无论是高速公路修建还是道路网规划都走在全国前列（江苏省高速公路路网如图3所示），故对道路建设原材料数量及质量一直处于高需求的状态。在本省限制开山采石决定的严格实施下，全省势必对外省（尤其是邻省，如安徽、浙江等）砂石等原材料的需求量增大，从而导致砂石平均运输距离增大。换言之，《决定》在确保江苏境内资源和环境保护的同时加大了其他省份的砂石资源耗损，同时着眼于本省的气体排放量固然大大减少，但若从全社会综合效益的角度考虑则其实施效果有待商榷。

图3 江苏省高速公路路网[9]

2 水泥混凝土路面工程能耗排放综合效益影响因素分析

2.1 能耗排放量计算方法的确定

2.1.1 研究对象的界定

水泥混凝土路面修建三个阶段中的主要任务及本文研究重点如下。

（1）原材料加工生产阶段：主要获取制备水泥混凝土所需要的各类原材料，其中由于对集料和水泥的需求量较大，本文重点研究这两大类原材料的能源消耗和气体排放（具体以温室气体作为研究对象，且以占比较大的二氧化碳、氮氧化物和甲烷三种气体为主）。

（2）水泥混凝土拌和制备阶段：包括原材料运输、水泥混凝土加工制备及配套运输等，本文重点考察各类器械的使用情况。

（3）现场施工阶段：包括水泥混凝土路面的摊铺、养生，水泥板的分块切缝等，本文同样将考察各类器械的使用情况。

2.1.2 气体排放源的确定

水泥混凝土路面修建的各个阶段往往采用不同的生产加工工艺和技术，包括原材料的料场开采、水泥的干法生产、水泥混凝土的制备加工以及路面施工的机械作业等，每个环节因能源使用的不同将产生不同种类和不同数量的气体排放。鉴于此，在数据计算之前，首先需要对每个关键环节的气体排放源加以明确，例如对机械、车辆、照明等不同种类进行归类划分。

2.1.3 气体排放量的计算

基于排放源的种类划分，可得出各环节所需材料量和能耗量，最终得到气体排放总量，经汇总后以清单表格的形式列出，以便于之后的参量讨论和具体环节能耗排放占比的比较。由于不同的排放源其气体排放状况有所不同，故针对不同排放源应分别采用不同的排放量计算方法：一是针对材料本身的气体排放，先根据化学反应式计算，再通过质量守恒定律加以换算；二是针对能源（煤、燃油）的排放，具体可根据能源排放因子[10-11]的已有实验统计数据或者计算公式得出。

2.2 砂石运距对能耗排放总量的影响

水泥运输和砂碎石运输都属于原材料运输，其中砂石运输主要指将砂石从料场运至拌和站的过程。在江苏省采取封山禁采令之后，砂石作为非加工料的纯天然材料，其运输距离伴随料场位置的改变而大大增长。根据图2所示统计数据可以预估：在未来江苏省路面工程建设中，砂石运输平均半径将在25km的基础上增加。施工中，水泥加工站的选取可充分使用省内已有资源，而拌和站位置的确定则需要结合施工路段的具体情况，因而暂不考虑，现只对砂石的运输距离进行假设。

以国内常见的双幅水泥混凝土路面设计参数为依据[12]，若摊铺1km混凝土路面，总宽度为22.5m，单幅路面宽度为11.25m(3.75m×3)，厚度为0.25m，则需要水泥混凝土的立方数为：

在此施工过程中，气体排放统计结果[13]如表1所示。

表1 1km水泥混凝土路面施工过程中的气体排放统计结果[13]

参考相关文献[12-13]对运输距离的选定方案，本文根据所需原料种类的不同对其运输距离进行假设，如分别取水泥运距、砂石运距和混凝土运距为20km、20km、15km。据此可计算出1m3水泥混凝土在运输过程中的能耗排放量，具体如表2所示。

表2 单位能耗排放统计结果

假设水泥运距和混凝土运距不变，仍为20km和15km，首先对不考虑砂石运输的全过程能耗排放进行统计，结果见表3；再对砂石运距分别为15km、20km、25km、30km、35km时的情况进行统计，结果见表4。

表3 不考虑砂石运输的全过程能耗排放统计结果

表4 不同运输距离下砂石运输过程的能耗排放统计

分析表3、表4所示数据，可得不同砂石运距下运输时的气体排放量与总排放量的对比关系及其占比情况（如图4、图5所示）。

图4 不同砂石运距下运输时的气体排放量与总排放量对比关系图

图5 不同砂石运距下运输时的气体排放量占比情况

从图4、图5可以看出，伴随省内禁采令的颁布与执行，砂石运距的增大直接导致了其运输中气体排放量及占比的增大：当运距为15km时，砂石运输环节产生的气体排放量占比为9.20%，而当运距增大到35km时，其占比则增大至19.12%，几乎为前者的2倍，增幅之大值得关注。

2.3 砂石开采政策的综合影响分析

江苏省源于保护环境初衷的限采令固然可以在很大程度上对省内山区环境进行保护，但就国家节能减排的目标而言，并不能仅限于某一地方或区域的能耗排放降低，而忽视全国范围内的总量变化，否则会导致整体气体排放总量有增无减。因此，有关部门需要对全国范围内各省市各地区砂石资源的合理开采进行有效协调与统筹。倘若因单一地着眼于某地域的环境保护而较大规模减少该特定区域的资源利用，则将造成全国不均衡发展状况，不利于社会综合效益的提升。

当然，由于砂石资源的种类分布往往受到地域限制，在此考虑常用的石灰岩和玄武岩等岩石的分布情况，其在各个省内的有无、位置以及储量都不一而同。省内原料运输半径的确定是基于所有已建（或在建）工程的平均统计数据，对于具体公路工程而言，若其路用材料无法就近获取却仍要保证不变的话，则原料采购距离将大大增大。假设运输距离达到200km，同样计算运输全过程的气体排放和各个环节中的气体排放及其占比情况，结果如图6和图7所示。

图6 砂石运距为200km时全过程气体排放

由前文可知，随着砂石运距的增大，气体排放总量及其占比都随之增大。由图7可知，当运距增大到200km时，仅砂、碎石运输中产生的气体排放占比就高达57%。由此可见，在传统的道路运输方式下，利用车辆进行运输，产生的气体排放量会十分巨大，不利于节能减排目标的实现。此时，若充分结合工程所在地的地理环境或交通设施，换作其他大吨位运输方式，如靠近河流的工程采用船运方式，靠近火车站的工程采用“客货联运”的火车进行辅助的材料运输，都将大大减少气体排放量，同时提高能源的利用率。

图7 砂石运距为200km条件下各阶段气体排放量占比

2.4 其他因素在不同运距下的能耗影响分析

前文分析是基于水泥、混凝土拌和、材料机械装载、混凝土运输等因素均保持不变的情况，而得到不同砂石运输距离下能耗排放量及其占比规律：砂石运输能耗量及其占比随运输距离的增大而增大。而在全过程统计计算中，以砂石运距为15km条件下的情况为例，有关水泥运输和混凝土运输各自的能耗排放量统计结果如表5所示。

表5 砂石运距为15km条件下全过程能耗排放量

水泥、混凝土在不同运距下能耗排放占比情况如图8和图9所示。可见，随着水泥和混凝土运距的缩短，特别是混凝土运距的减少，全过程能耗排放总量减少程度明显（当运距从15km减少到7km时，能耗排放占比下降约15%）。由此可见，合理确定拌和站位置，尽量减少水泥混凝土的运输距离将很大程度地减少能耗排放总量。

图8 水泥不同运距下能耗排放占比情况

图9 混凝土不同运距下能耗排放占比情况

鉴于整个水泥混凝土路面修建过程中，施工地点的确定源自既定项目方案设计要求，考虑到投资方的建设目标以及各单位的部署协调，不易变更，故在整个施工流程所涉及的机械运营场地中，只有水泥混凝土拌和站位置和原材料料场位置具有可选性。有关拌和站的修建位置，可以根据道路网的设置和县市的经济发展状况做出相应的调整，以便在保证工程正常开工的前提下使资源利用取得最佳效果。值得注意的是，拌和站作为原材料生产加工的重要场所，生产的水泥混凝土将直接通过运输车辆运至相应施工段，其选址涉及众多因素。单纯的选址抽象理论研究涉及运筹学、统计学以及生产实践等，因此从方法的选择上，尤其是在近年来的公路工程项目拌和站选址实践中，需要从位置选取的优势、劣势及适用范围等方面进行全面系统的综合评估。

3 结论

本文基于国内砂石资源开发利用现状和江苏省“限采令”的有关规定，通过具体的数据计算，就原材料获取过程中对能耗排放影响较大的运输距离因素（砂石运距、水泥运距、混凝土运距）进行了分析，并得到如下结论。

（1）对于江苏省地方砂石限采令，其达到减少本省砂石开采量和省内环境保护目的的同时势必导致砂石远距离的跨省调运，由此产生更多的能耗排放，不符合国家节能减排的要求，因而从全局角度着眼，类似这种局部地区政策的落实与实施效果值得商榷。

（2）由于资源分布的特殊性，同时鉴于传统道路运输会产生大量的能耗排放，未来路面工程建设涉及材料远距离运输时，建议调度者充分结合当地的地理环境条件和交通设施，尽量采取船运或铁路等大吨位的运输方式以减少气体排放量。

（3）倘若砂石原料的料场无法轻易改变，则合理确定道路工程拌和站的位置，尽量减少水泥混凝土的运输距离，也可在很大程度上减少能耗排放量。

总之，本文着眼于水泥混凝土路面工程建设阶段原料运输涉及的各个运距因素对能耗排放的影响进行了探讨，对区域砂石开采政策带来的能源消耗和气体排放影响进行了分析，但限于数据收集和政策信息获取等条件，本文对不同省市及地区之间的对比研究没有涉及。在接下来的研究中，笔者将重点开展地域间的横向比较，针对各省市及地区砂石开采的相关情况，就共同点及差异性展开研究，以期为国内因地制宜、统筹协调地开采现有砂石资源提供建设性意见，争取降低气体排放总量，促进资源使用率的提高。

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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

国家自然科学基金项目（51378121）

谌偲翔（1992—），男，江西高安人，硕士研究生，研究方向为道路与铁道工程。E-mail：1812703357@qq.com。