循环经济呼唤千年混凝土

建筑材料工业技术情报研究所 崔源声  孙星寿

简  历
  
    崔源声   教授级高工。 男， 1955年7月出生， 黑龙江省绥化市人。1982 年毕业于哈尔滨工业大学土木系, 获工学学士学位。2002年在中国科技信息研究所获管理学科情报学专业硕士学位。现任建筑材料工业技术情报研究所副所长、总工程师、科教委主任、中级职称评审与高级职称考核委员会主任。

    近年来，通过以张人为先生为代表的专家们的研究和探索，建材行业发展循环经济已经取得了一系列的理论研究成果[1]，可以为水泥和混凝土工业的科学发展和技术进步指明前进方向。最近，唐明述院士提出，在建设节约型社会方面，提高工程质量和寿命是最大的节约[2]。徐德龙院士也认为，原创性的科技成果必然来自基础理论或技术基础理论的突破[3]。由此，以混凝土为终端产品，以混凝土耐久性为目标函数，对水泥品种、结构组成和生产工艺进行全方位的逆向研究正在展开，这种全新的视觉和换向思维的方法，无疑对水泥行业的认识水平的提高和科技进步有巨大的推动作用。

    大道理管着小道理，大物质决定小物质的空间，这是马赫的相对大物质理论所阐明的道理[4]。建材行业从传统的线性经济，向发展循环经济转变，从质能经济走向知识经济，从高消耗高污染型产业走向绿色生态产业，水泥和混凝土工业不管是否自觉跟进，都不可避免地要卷入这场革命性的进程。

    循环经济呼唤千年混凝土[5]，既是宏观经济学基础理论研究对材料科学发展方向提出的新要求，也是水泥和混凝土技术领域适应经济建设，保持自身发展内在活力的生存需求和现实选择。

    一、千年混凝土
    近年来，建筑工程发生质量问题屡见不鲜，这些虽然不能都归结为材料本身的问题，还与施工、管理等因素有关。但是，材料是基础。在别的问题都相同的情况下，材料就是建筑物或构筑物服务寿命的关键因素了。
我国的建筑物寿命或服务年限是50年到70年，据说这是根据投资回收年限制定的标准，但从可持续发展及循环经济对建筑物质量提出的要求看，这似乎是太短了。从古今中外的历史演进中，我们所看到的知名建筑物寿命都是以千年来计算的。只有几十年或上百年的建筑物及材料寿命，可以说是一个退化，并不能代表现代建筑及材料科学的发展方向。从理论上说，建筑物经久不坏是最理想的，这虽然很难实现，不过把建筑物的寿命在100年的基础上提高10倍或20倍，则是完全可以达到的目标。
    千年混凝土的理论和实践，目前国内外已经是早有所闻并已付诸行动。最典型的例子是美国巴帕斯（BAPS）神殿的建设。设计寿命为1000年，由TXI公司提供千年混凝土（Millennium Mix）。神殿的基础板面积约为929m2，由内含质量高达50%粉煤灰的244根墩子支撑，总共使用3822.78 m3的混凝土，鉴于钢筋混凝土使用寿命较短，该项目采用了非加筋板。此外，由于聚合物增强的专业历程较短，因此，巴帕司神殿选择了高掺量粉煤灰和低含量水泥混凝土作为它的基础。在国内，我们所知的著名三峡大坝工程，设计寿命也是300到500年。
    如果在百年寿命的基础上，把建材及其建筑物寿命提高到10倍或20倍，不用别的方法，10倍因子或20倍因子的理论就可变为现实。因此，大力发展循环经济，循环经济呼唤千年混凝土或千年建筑材料，既有理论上的可能性，也是现实的需求。

    二、循环经济为水泥和混凝土科技发展指明研究方向
    为发展千年混凝土或千年建材，实现循环经济的可持续发展模式，全行业要以节能、节省资源和保护环境为中心，以产品的耐久性为目标，提高产品质量和功能为重点，开发可再生能源、资源为方向。使不可再生能源、资源的消耗率小于其发现率或替代产品的开发率，使可再生能源和资源的消耗率小于其再生率，确保人口、资源和环境的生态平衡，并向良性发展，最终实现资源和材料的反复利用和社会的可持续发展。
    1  节能，尽可能少用不可再生的天然能源，提高能源利用效率
根据循环经济的减量化（Reduce）原则, 减少能源的使用，节省能源，是发展循环经济的首选策略。水泥和混凝土工业是个能量消耗大户，总量消耗较大，单位能耗又远远高于国际先进标准要求，因此必须把节能技术开发放在水泥和混凝土工业实施循环经济的首位。
    通过节能，可以减少现有不可再生能量的消耗，延长使用年限，提高行业可持续发展能力。通过对国内外能量消耗指标对比，水泥和混凝土工业的节能潜力较大。在整个价值链的实现或创造过程中，创造每单位的价值，我国与日本最高能耗差距达11.5倍，这说明在水泥生产制造领域至少降低一倍能耗是可以达到的。
节能的效果，根据物质平衡原理，不但使现有的能量延长使用年限，还可以在提高能量利用效率的同时减少对环境的排放。效率的提高，意味着浪费的降低。排放的减少，将使生态得到改善。抑制废弃物的产生，将从源头上避免恶化环境的机制形成。发达国家一直把避免废弃物的产生作为优先战略选择，从技术层面上强调生态设计，其道理也莫过于此。
    从政策层面上，国家倡导和扶持节能技术体系的建立，不但可促进企业的节能和提高社会的总体可持续发展能力，还可以大大推进国家工业的节能技术和装备的国际竞争力。根据发达国家的经验，投资于节能技术的开发和应用，不但没有提高产品的成本费用，反而在降低成本的同时极大地推进了节能技术和装备的发展。
能量问题，是循环经济的核心问题。循环经济的物质闭路循环，是在能量的驱动下不断改变物质形态的过程。是否能够使循环经济永远持续下去，最终还是要取决于能源问题。近年来，水泥企业的能源成本不断攀升，煤电涨价，水泥企业因拉闸限电而停产的新闻不时见诸报端。节省能源，关注可持续发展，已不仅仅是企业长期生存发展的战略措施，现在已成为水泥企业立足当前、火烧眉毛的当务之急。
    2  节省资源，尽可能少用不可再生的资源，提高资源利用效率；利用劣质资源、废弃物等
节省资源和节能类似，还属于循环经济减量化阶段，尚没脱离线性经济的范畴。但是，与节能的效果类似，节省资源所产生的效果，至少从延续资源的可持续发展时间以及保护生态平衡两个方面可以对可持续发展做出贡献。
    由循环经济的数学模型可知，节能（E）和节省资源（M）都是降低物质（M+E）的配置力度，为了保持价值的稳定或增值，只有加大知识含量或技术含量的投入量。建材行业实现此目标的实践操作例证如大力“禁实”，推广使用空心转。既减少黏土资源的消耗，又降低生产和建筑物使用过程的能耗。水泥和混凝土企业节省资源措施通常包括减少原材料消耗，降低单位产成品的物耗和料耗，加工过程中的清洁生产，防止对环境的过量排放，等等。鉴于不可再生的矿产资源的有限性，实施资源保护性开采，提高利用劣质资源的技术水平，都是循环经济的应有议题。
    一个值得特别强调的问题是，不管是实施循环经济还是线性经济，在全过程节能和节省资源都是经济、环境和社会效益协调发展的基础，不能说实行循环经济就没必要再在线性经济阶段搞节能和节省资源了。线性经济仍然是循环经济的基础和现有经济的主体形态。循环经济是在现有线性经济基础之上的不断完善。因此，搞好线性经济的节能和节省资源，搞好清洁生产，仍是水泥及建材企业发展循环经济的第一步。
    3  保护环境，降低CO2, SO2, NOx 等气体的排放
根据物质平衡的原理，在节能和节省资源的同时，随着资源利用效率的提高，废弃物的排放已经相应减少。如少用一吨燃料，就减少一部分CO2和相关气体的排放。少用一吨原料，如石灰石，也同样减少CO2的排放。在水泥厂采用低NOX喷咀可以降低氮氧化物的排放。限制使用含铬的耐火材料，可减少重金属的污染风险等。循环经济的减量化原理对保护环境已经起到积极的促进作用。
    减量化原理是一种从源头治理污染的环保思想。如果能够利用排放的CO2来生产其它化工产品，也是循环经济的一项实践。据报道，蒙西水泥厂在这方面已取得积极的成果。
    循环经济要求水泥和混凝土企业对环境逐渐做到零排放。目前水泥企业有的连粉尘都不达标，就更谈不到有害气体的治理问题了。甚至有些水泥企业，对粉尘和烟气排放已经是熟视无睹。这些企业的领导者，连职工和自身的健康和工作环境都不顾，与其谈生态环境保护、公众利益或可持续发展似乎还是一个遥远的话题。但是从先进地区和世界建材百强企业的实践看，建设环境优美的花园式水泥企业，不但不会减少企业的经济效益或降低企业的竞争力，反而会增强这些企业的公信力和经济收益。注重企业环保和科技投入，不但使企业长期收益，也会使企业在现时受益。
    加强对环境的投入，同样可以大大促进环保技术和装备的进步，由此促进生态效率的提高。生态效率的不断改善，加大了环境的容量和社会可持续发展的空间。在人口稳定的前提下，经济、环境和社会的良性互动，则意味着人们的生存环境质量和水平的不断提高，社会将具备不断走向稳定、和谐和文明的前提条件，实现可持续发展。
    政府在未来的循环经济构筑中将起着关键性作用。不但要牵头制订和实行更严格的保护环境政策，更要改变以往的“以罚代管”的放任自流的陈旧管理方式。对于重大的环境事件，政府的环保部门负责人都应实行问责制和引疚辞职制度。否则，就如同放纵污染排放一样，没有惩治措施，投毒者也会心安理得、我行我素。
走严格的环保之路，无论是从理论和实践上，还是从历史和现实看都已反复证明是一条必由之路，也是发展循环经济对水泥和混凝土建材企业的基本要求。
    4  提高产品质量，包括功能和耐久性，寿命逐步提高到2倍、4倍或10倍以上
循环经济的“再使用”（Reuse）原则，要求不断提高产品的使用寿命或服务年限。包括功能和耐久性，都是循环经济对水泥和混凝土建材产品提出的要求。从减量化开始，循环经济的原理已经对能源、资源的使用年限的延长做出了很大贡献。同时对环境保护也产生了重大影响。但是，仅是做到减量化还是远远不够的。利用“再使用”原理，可对资源的枯竭起到更大的延缓作用。
    “再使用”原理的具体应用就是强调建材产品的质量和功能的提高。产品质量和功能的提高是个无限的过程。因此，“再使用”原则对提高资源的利用效率有非常大的潜力。所谓的4倍因子理论或10倍因子理论，利用“再使用”原则来落实将具有现实操作的意义。
    通过加大知识和技术的投入力度，把产品的质量提高若干倍，服务寿命提高若干倍，对水泥和混凝土建材产品来说都是比较现实的技术途径。比如说，把水泥混凝土建筑物的寿命从100年提高到500年或1000年，其结果对节省能源、资源和保护环境的意义就十分巨大了。其他各种建材产品都有这样的问题，也需要和施工部门配合，还有全社会其它工业产品的配合，不是一种产品单独提高质量就能凑效的。
    提高产品的功能，是提高质量和性能的内容之一。功能的增多或强化，相当于替代或延长产品的使用范围与服务年限，对节省能源、资源和保护环境起到相同的作用。这些措施都是厉行循环经济所倡导的有效技术途径。
    强化“再使用”原则，确实是一个在全行业或全社会统一协调推进的问题。企业也有一个掌握好产品质量提高、社会可接受的程度及经济效益和社会效益平衡的问题。如果一个企业的产品质量太好，超出社会的承受能力，或服务年限过长，虽然对社会长远的发展和可持续能力构建有利，但对具体一个企业现实生存或近期可持续发展也许会形成不利的局面。比如，若是一种建材产品永远不坏，那么生产这个产品的企业，明天是否有生存的必要就很难说了。
    不管怎么说，不断提高建材产品的质量和功能，发展千年混凝土或千年建材，是发展循环经济对水泥及混凝土建材企业提出的必然要求。建材产品提高质量既是企业管理的永恒主题，也是建材企业推进循环经济发展和提高可持续发展能力的优先选择的技术路线。

    5 加快新能源和新资源的研究与开发，特别是可再生的能源和资源的研究和开发
不管是如何节省能源、资源或是强化产品的质量和使用年限，只能是大大延长其使用年限，减轻环境的负荷。然而，现有的不可再生的能源和资源总有一天还是要枯竭的，还需要不断发展和发现新能源和新资源，以接续枯竭的老能源和资源。可持续发展要求对新能源的发现和消耗速度要等于对现有能源或资源的消耗和使用速度，这样才可以维持生态的平衡和社会的稳定。在人口稳定的前提下，发展可再生能源和资源是最佳的技术路线。
    建材产品目前使用的主要能源还是煤、石油和天然气，都是传统的不可再生的能源。1973年世界石油危机后，水泥工业从烧油转为烧煤。煤炭的储量在近期还没有大的问题，但从远景看，也是不容乐观。
物质的不断循环利用是需要能量来驱动的。循环经济的发展，在建材领域的最终问题也是要解决可再生能源的问题。建材科技界如何解决未来的可持续能源问题，仍然是一个大的课题。水泥和混凝土工业，特别是建材科技界，要主动探讨本行业的后续能源和资源的问题，包括烧城市垃圾等。材料科学面对循环经济的到来，既是挑战，也是机遇。抓住机遇，迎接挑战，或许会创造奇迹，推动材料科学的革命，为建材科学开辟新的领域，构建新的材料体系和新的材料时代。
    6  信息化与提高劳动生产率
    谈到信息化和提高劳动生产率的问题，似乎表面上看与循环经济没直接的联系。但是，我们把循环经济作为一个系统来研究，系统的每一部分都是以线性经济为基础的，因此要提高循环经济的整体效率，对线性经济有贡献的经济要素仍是循环经济的组成部分。
    这可以从循环经济的数学模型得到解释。信息化和提高劳动生产率的问题，基本是属于智力和精神类资源的配置部分，也说明循环经济是以知识经济为基础的。科研和技术投入的加大，相当于信息化程度和技术含量的提高，不但减少物质的消耗，同时还可以大大提高劳动生产率。
比如，以日本新型水泥窑外分解窑全员年劳动生产率15000吨/人•年，普通立窑150吨/人•年的劳动生产率为例。根据循环经济的数学模型，设线性经济的总的劳动生产率为e，则有： e1/1=15000/150=100
 
    上式说明，采用不同的技术和工艺，也就是说技术含量不同，同样的人员投入，劳动生产率可以相差100倍，即创造的价值或赢利程度也相差100倍。这也是一般发达国家和发展中国家的技术差距和贫富程度差距的主要技术因素。
提高劳动生产率的技术途径，根据创造价值的资源配置模型可知，只有在精神类资源的配置上找出路，即创造每单位经济价值的产品或效益所消耗的信息及其中的知识含量，或者可以称作创造每单位价值的智慧耗量，该数值越大，物耗越小。知识资源配置包括科学技术、管理科学和体制等软因素。   
对于循环经济而言，信息化是加速物质流和资金流增益的催化剂。水泥和混凝土建材企业要把循环经济的建设和信息化建设结合起来，利用信息化促进新型工业化，借助信息化提升劳动生产率水平，加速线性经济向循环经济转化的速度。
    7  研究和开发再生技术，促进建材及建筑相关循环产业的形成
开发和利用再生技术，把传统的建材或建筑废弃物重新变成资源，这可以说是循环经济有别于传统的线性经济资源利用方式或者说是在原有的线性经济基础上又进一步完善资源利用模式的最突出特点了。在原有线性经济的基础上，把物质资源的流动形成闭路，与环境形成相对独立状态，保持系统的平衡和稳定，构成了循环经济的基本运行模式。水泥和混凝土工业的产品，最终构成建筑物，废弃的建筑物再形成建材的新原料，如此跨行业循环，已经属于中循环的范围。
    过去的建材和建筑废弃物，一般都被倾倒或填埋处理。走的是典型的资源、产品和废弃的线性道路。如今要把这些废弃物重新变成资源，构成水泥和混凝土工业的循环经济之路。关于各种建材产品的循环利用问题，都需要有专门的再生技术进行研究和开发，配套的装备也需要协调跟进。研究和开发废弃水泥混凝土建筑的再生技术，是水泥混凝土工业发展循环经济的关键一环。

    三、结论
    不管是为了发展循环经济，研究什么样的技术，推广什么成果，运用那种管理方式，都是要减少对自然资源和能源的耗用，降低对环境的排放，千方百计地提高建材产品的质量，最终达到延长建筑物的使用寿命，实现人类社会的可持续发展。而发展循环经济，呼唤千年混凝土或千年建材，是时代赋予水泥和混凝土科技工作者一项不可推卸的历史责任，也是落实科学发展观，建设节约型社会的一条正确的科学道路。