摘　要：隨著我國經濟高速增長，固體廢棄物高排放及其帶來的高消耗、高污染等問題日益嚴峻，土地、能源、礦產等資源不足的矛盾愈加突出，并已成為阻礙循環(huán)經濟發(fā)展的主要因素。凝石技術是依據大地成巖理論和自然界相容原理，以主體和配體的二元組分設計和結構設計為核心，初步形成了新的硅鋁基膠凝材料的理論體系與技術體系。凝石技術為解決以上問題，促進循環(huán)經濟發(fā)展提供了一條有效途徑。

關鍵詞：凝石技術，循環(huán)經濟，硅鋁基膠凝材料，固體排放物

一、 凝石技術

1. 凝石的涵義

    凝石技術是依據大地成巖理論和自然界相容原理，以主體和配體的二元組分設計和結構設計為核心，初步形成的硅鋁基膠凝材料的理論體系與技術體系。凝石包括三個含義：凝石代表一套仿地成巖理論，凝石是凝結起來的石頭，具有與大自然相容的組分和堅硬、耐久的類巖石性能，是對大地成巖仿真的實踐；凝石又代表一種社會經濟的綠色循環(huán)，凝石可以全面利用固體排放物，可以清潔生產，可以制備凝石水泥，凝石節(jié)省資源、節(jié)約能源、保護生態(tài)，是資源-能源-環(huán)境-材料領域良性循環(huán)的載體；凝石還代表一代新的建筑膠凝材料文明，人類建筑文明經歷了千年的石灰“三合土”時代、百年的水泥“混凝土”時代，即將迎來可持續(xù)發(fā)展的第三代建筑膠凝材料文明。

2. 硅鋁基膠凝體系建立的意義
    鋁基膠凝材料的理論和技術體系是凝石技術的基礎。硅鋁基膠凝體系源于自然界客觀規(guī)律的啟示。按照地質礦物學理論，地殼本身就是由以鋁硅酸鹽體系為主的礦物構成的（見圖1-1）。可見，鋁硅質礦物約占地殼總量的3/4，資源“遍地都有”，并且經歷了數(shù)以億年計的耐久“考驗”[1]?？梢?，“鋁硅酸鹽體系”意味著豐富的天然資源，類巖石物質具有穩(wěn)定的物質結構。

    火山灰常溫常壓下成巖變化在熱力學上成立。地質學認為[2-3]，地殼上的巖石通過地質作用在不停轉化之中，天然火山碎屑等物質受到具有化學活性的成巖流體作用，在常溫、常壓條件下通過沉積、變質過程，可轉變成長期穩(wěn)定存在的鋁硅酸鹽巖石，如沸石巖、砂巖等。

    事實上，來自工業(yè)生產的大量高溫工業(yè)固體排放物（如粉煤灰、水淬渣等），正是人類在自覺不自覺地進行著火山成巖中“火山灰化”過程的物理模擬，制造了各種冠以“廢棄物”為名的人造“火山灰”！這些人造“火山灰”是已儲存了大量能量（潛能）的硅鋁基介穩(wěn)態(tài)物料，它們是研究發(fā)展硅鋁基膠凝體系的廉價主體原料。

圖1   凝石與地殼各元素對比

    火山灰所形成巖石的巖性和物相與兩部分因素直接相關：其一，與火山灰自身的化學組成和物相有關；其二，與火山灰成巖所遇的成巖介質條件（化學質、水質等）和環(huán)境條件（溫度、壓力等）有關。這一自然界規(guī)律為本研究所提出的“二元化”（主體和配體）匹配仿巖設計原則和硅鋁基膠凝材料二元清潔制備模式在技術思路上提供了啟示。

     因此，不同于傳統(tǒng)水泥的高鈣基膠凝體系（如圖2），以仿地成巖理論為指導建立硅鋁基膠凝體系，利用大量固體排放物作為凝石主體原料制備新型膠凝材料，對有效解決當今經濟可持續(xù)發(fā)展所面臨的資源短缺、生態(tài)危機、混凝土結構耐久性差等問題具有重要的科學意義。

 
圖2 各物料鈣與硅鋁之比〔CaO/(SiO2+Al2O3)〕

圖3 凝石二元匹配－仿地成巖設計

                               圖4 高溫固體排放物凝石化過程示意圖

3、凝石技術現(xiàn)狀

    凝石具有凝膠和巖石雙重特性，包括了“硅鋁基膠凝體系”和“仿地成巖”雙重內容。強化凝石固結過程的動力學條件是仿地成巖的凝石技術研究關鍵，目前工作主要從組分匹配原則、成巖過程系統(tǒng)功理論、緊密堆積規(guī)則和中性定則四方面進行研究。

    凝石的物質構成是仿照天然巖石的化學構成設計的。凝石是由主體及配體兩部分物料（二元）組成，要求兩者相配能在常溫條件下水化凝結成巖石。主體材料是選自具有高潛能非平衡態(tài)的非晶（微晶）化的物料（如粉煤灰、礦渣等）；配體材料的選用是根據巖石礦物化學組成，選擇能使主體物料潛能發(fā)揮并與之相容成巖的復合活化成巖流體，配體是對主體形成巖石所缺成分的補充。凝石二元化仿地設計（如圖3、圖4）使膠凝材料濕制備的清潔生產模式得以實現(xiàn)。

表1 凝石與水泥成分及水化硬化機理比較

項目	凝石	水泥
膠凝材料	主體：火山灰化物料９０％以上 配體：復合成巖流體５％以下	主體：水泥熟料６０％以上 摻合料：火山灰化物料４０％以下
水化膠凝機理	成巖流體與火山灰物料形成化學鍵	膠凝物水化形成ＣＳＨ凝膠
混凝土硬化機理	成巖物質與砂石形成界面化學鍵合－ “焊接”作用	膠凝物ＣＳＨ凝膠與砂石形成物理“包裹”－氫鍵及范德華力作用
養(yǎng)護條件	防止成巖流體流失	保持足夠水分水化

 

    凝石與水泥成分及水化硬化機理不同（如表1）。圖5是水泥混凝土與凝石混凝土斷裂面對比實物圖，可以看出水泥混凝土屬于“界面斷裂”，凝石混凝土屬于“穿筋斷裂”。凝石水化28天后的微觀結構明顯不同于水泥（如圖6），凝石水化后的結構呈微晶體狀，很難分清楚產物的形貌；而水泥水化體中有明顯的針狀鈣礬石、片狀氫氧化鈣等結晶水化物出現(xiàn)。

圖5 水泥混凝土與凝石混凝土對比

   

    2＃凝石水化28d                                                 水泥水化28d

                                        圖6 凝石與水泥電鏡分析對比

    凝石具有固砂固土，耐腐蝕，高強等特點。凝石Ｂ與水泥材料強度性能比較的試驗結果如圖7，可見凝石材料的抗折強度、抗壓強度遠高于52.5#普通水泥強度，凝石材料具有早強、高強及高的抗折強度等力學性能。凝石在酸、堿等侵蝕液中浸泡，隨著時間增加，凝石材料的強度反而出現(xiàn)不同程度的增長（如圖8）。凝石硬化體還具有良好的抗凍融性能（如圖9）。

  圖7  凝石Ｂ與水泥材料強度性能比較

圖8  凝石材料試件在侵蝕溶液中浸泡后強度與侵蝕時間的關系

           圖9  凝石Ｂ抗凍融試驗

    凝石材料先后在礦山、軍事工程和抗洪搶險等特殊領域的開展了工程應用基礎研究。凝石初級產品在加拿大最大的鎳礦公司（INCO）進行井下充填試驗，已經過6年的考驗，如圖10（b）。在首鋼建成重載試驗路段（10～50噸車通過頻率為3.5輛/分鐘），與同路段水泥混凝土對比，抗斷裂及抗磨情況優(yōu)于水泥混凝土，如圖10（c）。某鋼鐵集團公司5000米²儲水池頂蓋結構工程，自2004年7月開始建設，上面作為溜冰場已投入使用，各種指標良好，現(xiàn)正在觀測當中，如圖10（a）。對應用凝石產品修建的廠房結構、設備基礎和道路建設混凝土的監(jiān)測表明，28天強度達到設計等級，90天強度為設計等級的1.5倍，目前強度仍在增長。

    凝石技術已進入中試階段（如圖11）。藍博凝石材料有限公司年產30萬噸凝石生產線已建成試生產，并已試產出8000噸建筑凝石和道路凝石成品；50萬噸凝石生產線也正在緊張建設之中，年產5萬噸特種凝石生產線已完成建設，即將進入試生產階段。

    













      30萬噸凝石中試線                                     50萬噸凝石生產線主體建筑

                                 

                                                 圖11  凝石中試線

二、 凝石技術促進循環(huán)經濟的發(fā)展

    隨著世界經濟發(fā)展，人類越來越感到自然資源并不是取之不盡，用之不竭，生態(tài)環(huán)境的承載能力也并非無限。發(fā)展循環(huán)經濟已成為各國經濟發(fā)展的必然選擇。在我國，隨著經濟快速增長，固體廢棄物和天然資源短缺問題成為阻礙循環(huán)經濟發(fā)展的一個主要因素。固體廢棄物高排放及其帶來的高消耗、高污染等問題日益嚴峻，土地、能源、礦產等資源不足的矛盾愈加突出（如表2）。然而，仿地成巖的凝石技術為解決這一問題提供了有效途徑。

 

                      表2  2003年我國幾大基礎產業(yè)發(fā)展情況^[4]

行業(yè)名稱	2003年產量（億噸）	增長幅度（%）	所處世界地位	資源、環(huán)境問題
水泥	8.62	18.90	超過世界總產量的50％，絕對世界第一	年排放近7億噸CO2，消耗約7億噸天然石灰石資源，粉塵排放超過工業(yè)粉塵排放總量的60％
鋼鐵	2.22	21.92	鋼產量世界第一， 鐵礦石進口量世界第一	冶金渣年排放量約1.5億噸
原煤	16.67	15.00	煤炭消費量世界第一	煤矸石積存34億噸，占地20萬畝，排放量每年還以約2億噸[5]的速度增長，煤礦開采造成的地表塌陷已超過600萬畝，且每年以20萬畝的速度增長[6-7]
電力	1910 (億千瓦時)	15.52	發(fā)電總量世界第二	粉煤灰年排放量近2億噸，累計堆存量超過14億噸，占地60萬畝以上， 綜合處理費高達30 ~ 60億元 [8-10]

 

 

1. 環(huán)境生態(tài)意義  

    據了解，我國2004年水泥總  產量約10億噸，位居世界第一。10億噸水泥的生產要消耗11億噸的石灰石資源，排放約8億噸的CO₂，80萬噸的SO₃，160萬噸的Nox和800萬噸的粉塵。同時我國煤矸石有34億噸的堆存量，占地20萬畝；粉煤灰有14億噸堆存量，占地60萬畝；冶金廢渣及其它化工廢渣有12億噸的堆存量，占地30萬畝以上。上述這些固體排放物每年還以10億噸的產量在產出。此外金屬、非金屬礦山的尾礦的堆存量已超過40億噸，并且每年還以3億噸的速度在增長。另一方面煤礦開采所造成的地表塌陷已超過600萬畝，每年還以20萬畝的速度在增加。^[4-10]

    凝石的生產具有接近于零的污染物排放。因此凝石生產技術的推廣一方面可以使水泥工業(yè)的污染大幅度降低，直至全部消除。另一方面，上述粉煤灰、煤矸石、冶金渣、化工渣等固體排放物又是生產凝石的主體原材料。因此凝石技術的推廣對于減少水泥工業(yè)的污染排放，充分利用各類固體排放物具有劃時代的意義。

    此外，由于凝石類膠凝材料超強的固土（可達同標號水泥的3倍）固砂能力，是采礦工業(yè)中的地下充填的理想材料，由于比原有技術可大幅度降低成本和提高質量，因此可使充填采礦技術快速推廣，從而抑制和根除地面塌陷所帶來的生態(tài)環(huán)境問題。

    另一方面，凝石對各類尾礦具有超強的固結能力，當采用凝石為膠凝材料時，用尾礦代替河砂配置各類混凝土，強度和安定性不但不降低，反而有所提高。因此凝石技術的推廣可以帶動各類尾礦的大量利用，從而進一步促進環(huán)境生態(tài)的保護。

 

2. 資源意義  

    根據中國建材工業(yè)協(xié)會的報告，我國適宜燒制水泥的石灰石儲量為450億噸，其中可開采儲量為250億噸，按2003年的水泥產量計算，再過30年我國水泥的原材料資源就面臨枯竭^[11-12]。然而象我國這樣一個發(fā)展中國家再過30年就停止進行基本建設是不可想象的。因此必須在科學技術上取得重大突破，才能減輕經濟增長對資源供給的壓力，實現(xiàn)資源的高效利用和循環(huán)利用，使我國的國民經濟發(fā)展得以順利進行。凝石技術為完成一重大歷史使命開辟了一條新的道路。

    此外，由于凝石的超強固土、固砂能力可以使充填采礦技術低成本快速推廣。低成本充填采礦技術的推廣不但可以抑制地表塌陷，還能使許多“三下”（建筑物下、水體下、鐵路下）礦產資源的回采率提高50％以上，對我國的資源戰(zhàn)略的實施和國民經濟的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

 

3、產業(yè)意義

    凝石技術的應用將提升改造傳統(tǒng)產業(yè)，促進資源-能源-環(huán)境-材料的領域的良性循環(huán)。遵循循環(huán)經濟理念，利用凝石技術，將電力、煤炭、冶金等行業(yè)的全部固體排放物用于生產高性能凝石水泥，減少能源、資源消耗，保護生態(tài)、環(huán)境，實現(xiàn)材料的高附加值制備。

    凝石技術要求上游產業(yè)的固體排放物排放過程也是凝石原材料的生產過程，進行固體排放物形成過程改性，實現(xiàn)資源節(jié)約和能量的梯級利用。因此，凝石將傳統(tǒng)產業(yè)的“獨立”生產調整為各產業(yè)間具有有機聯(lián)系的生態(tài)產業(yè)鏈，將上一個產業(yè)環(huán)節(jié)的排放物用于下一個產業(yè)環(huán)節(jié)的原材料，徹底改變原有環(huán)境問題的末端治理方式，使各產業(yè)環(huán)節(jié)間實現(xiàn)良性循環(huán)。

 

4. 經濟意義  

    目前我國可直接作為凝石主體材料的廢渣與現(xiàn)有水泥的年產量（10億噸/年）幾乎相等，以全國年產10億噸凝石計算，由于生產凝石可比生產水泥節(jié)能30％以上，生產成本下降30％以上，因此僅以簡單替代水泥來考慮，每年也可以取得數(shù)以百億元計的直接經濟效益。

    此外凝石還有許多水泥所不具有的特殊性能，如耐酸、堿、鹽類侵蝕性，超長的耐久性、特有的固土能力、超高強和速凝快硬等特征，將有助于解決許多工程難題，或使工程成本大幅度下降。因此，凝石技術的推廣應用將取得數(shù)倍于直接經濟效益的間接經濟效益。

    如利用凝石耐腐蝕、不溶出、抗凍融性等特征可以制備出使用壽命比現(xiàn)在長幾倍的混凝土梁，用于超交通負荷的大城市立交橋的建設，由于大幅度降低了維修和重建的頻率，可給城市的建設和發(fā)展帶來極大間接效益。

 

    綜上所述，發(fā)展凝石技術，推行清潔生產，可將膠凝材料生產和工礦業(yè)固廢排放對自然資源的需求和生態(tài)環(huán)境的影響降低到最小程度，以最少的資源消耗、最小的環(huán)境代價實現(xiàn)經濟的可持續(xù)增長，從根本上解決經濟發(fā)展與環(huán)境保護之間的矛盾，促進循環(huán)經濟發(fā)展。

 

結語：凝石技術才剛剛起步，作者的工作也僅僅是萬里長征的第一步，傳統(tǒng)水泥歷經了近200年的發(fā)展，至今仍有許多問題沒有解決。凝石也必然要經歷一個比較長的研發(fā)階段才能完善，作者愿與各行各業(yè)的科學家、企業(yè)家聯(lián)合共同為凝石技術發(fā)展做出貢獻。

 

參考文獻：

[1] F.利鮑著,席耀忠譯.硅酸鹽結構化學.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1989.

[2] 劉作程 巖石學 北京:冶金工業(yè)出版社,1992

[3]H.布拉特 G.V. 米得頓 R.C.穆雷 沉積巖成因,沉積巖成因翻譯組譯 北京 科學出版社 1978

[4] 國家統(tǒng)計局.2003年國民經濟與社會發(fā)展統(tǒng)計公報.北京：中國統(tǒng)計出版社,2004,2.

[5] 馮良,周宏春.煤矸石擴大利用調研報告.國家經貿委資源司,2002,(5).

[6] 何芳,徐友寧,袁漢春,陳社斌,張江華. 煤礦地面塌陷區(qū)的防治對策.煤炭工程,2003,(7):10.

[7] 趙德深,范學理.礦區(qū)地面塌陷控制技術研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向.中國地質災害與防治學報,2001,12(2):86.

[8] 中國國家環(huán)保局.中國環(huán)境公報,2000.

[9] 劉雙雙,韓敏芳.我國粉煤灰利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.中國煤炭,2001,27(8):43.

[10] 江學榮,林介東等.粉煤灰綜合利用現(xiàn)狀及發(fā)展方向.電力環(huán)境保護,2002,18(3):55.

[11] 中國建筑材料發(fā)展現(xiàn)狀與進入21世紀對策(水泥部分).中國建筑材料科學研究院.1998.

[12] 陳全德.水泥工業(yè)與可持續(xù)發(fā)展.中國建材,2002,(1): 35-36.

 

 

作者介紹：孫恒虎，男，清華大學材料系教授，博導，清華大學國土資源中心主任。

通訊地址：清華大學逸夫技術科學樓2609#，100084

注意：以上論述并不代表中國混凝土網的觀點，只作轉載供大家鑒別討論！