凝石材料：原理與意義

    在資源匱乏、能源短缺、環(huán)境問題日益嚴(yán)重的現(xiàn)代社會(huì)，人類對(duì)于可持續(xù)發(fā)展的需求日趨迫切，也對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)提出了更高的要求。傳統(tǒng)基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)（水泥、鋼鐵、電力等）在為人類文明做出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)，也引起了資源、能源以及環(huán)境等一系列問題，嚴(yán)重制約21世紀(jì)我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。而以架狀結(jié)構(gòu)鋁硅酸鹽礦物為主體（體積的70% 以上）的地殼，已擁有約46 億年“年齡”，從地質(zhì)學(xué)角度來看，以億年為單位存在的地殼是廣義上的“鋁硅酸鹽體系”，是地球上性能最為穩(wěn)定，資源最為豐富的物質(zhì)系統(tǒng)。鋁硅酸鹽體系地殼的組成和大量工、礦業(yè)固體排放物給在人類文明的歷史長河中扮演著重要角色的膠凝材料，尤其是高鈣體系水泥所面臨的資源短缺、能源短缺以及壽命問題以啟示——仿地成巖建立硅鋁基膠凝體系。

硅鋁基膠凝體系的內(nèi)容

    500年前Leonardo da Vinci預(yù)言“也許人類永遠(yuǎn)不可能超過自然界的設(shè)計(jì)”。Thompson 認(rèn)為在21 世紀(jì)前夕，人們正在一步步地趨近于研制出像自然界那樣具備更為新奇特征的材料。師昌緒院士曾提出開發(fā)基于地球豐富資源的材料體系。我國資深院士吳中偉提出：水泥工業(yè)的發(fā)展必須考慮環(huán)境，尤其是溫室氣體關(guān)系到全人類的生存環(huán)境。必須限制水泥產(chǎn)量，降低消耗，以提高產(chǎn)品質(zhì)量以及應(yīng)用功效來滿足需求。甚至對(duì)問世180 年的波特蘭水泥加以根本性的變革。建立硅鋁基膠凝體系正是這些思想的一個(gè)嘗試。硅鋁基膠凝體系是基于地殼豐富資源，以仿地成巖理論為指導(dǎo)、以硅鋁基膠凝體系的內(nèi)容。

    2003年我國幾大基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況材料仿地設(shè)計(jì)為手段所建立的膠凝材料體系。硅鋁基膠凝體系通過對(duì)固體排放物的優(yōu)化配置來解決傳統(tǒng)基礎(chǔ)行業(yè)的資源危機(jī)、能源短缺以及環(huán)境污染問題。鋁硅基膠凝體系的建立歷經(jīng)了高水速凝充填材料（國家發(fā)明專利，1995年北京市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)）、高濃度膠結(jié)充填材料（國家發(fā)明專利，1997年獲國家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。）及其全砂土固結(jié)材料（國家發(fā)明專利）三個(gè)階段。又經(jīng)過多年的努力已取得了令人振奮的進(jìn)展，實(shí)驗(yàn)室研制出硅鋁基膠凝體系的典型代表—凝石A，其性能優(yōu)于現(xiàn)有的52.5普通水泥，并具有普通水泥所不具有的固土、固砂特性和耐久性。凝石的形成是火山成巖過程的仿真。根據(jù)火山灰成巖原理，以循環(huán)經(jīng)濟(jì)思想為指導(dǎo)，運(yùn)用地球化學(xué)、巖石礦物學(xué)理論、分子設(shè)計(jì)理論以及材料仿地設(shè)計(jì)原則等手段，對(duì)工業(yè)固體排放物（如煤矸石、尾砂、粉煤灰以及冶金渣等）進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，所獲得的能夠在常溫常壓下聚合成類天然巖石的生態(tài)膠凝材料稱為凝石。

科學(xué)依據(jù)

    大自然的“完美性、規(guī)律性、簡單性”給人以很大的啟發(fā)，人類已經(jīng)開始模仿自然。仿生學(xué)的出現(xiàn)為人類做出巨大的貢獻(xiàn)。但仿地成巖思想在國內(nèi)外尚未有人提出，其原因可能是在人們的意識(shí)中認(rèn)為大地成巖的過程極其漫長，仿地為人類所不可企及的。巖石形成溫度和壓力條件消除了人們對(duì)常溫常壓下成巖的顧慮，為建立仿地成巖硅鋁基膠凝體系提供了科學(xué)理論依據(jù)，同時(shí)表明了常溫常壓下生成沸石礦物的可行性。

    天然沸石是地殼巖石圈上部廣泛分布、并穩(wěn)定存在的架狀鋁硅酸鹽巖體礦物，它的來源主要是由火山灰類物質(zhì)在低溫、低壓條件下通過沉積變質(zhì)作用而成?；鹕交倚纬煞惺倪^程經(jīng)歷了“火山灰化”（從地層中經(jīng)火山噴出帶有主要成分為粘土質(zhì)成分的物質(zhì)，在噴出時(shí)這些物質(zhì)被充分加熱而完全脫水并引起化學(xué)變化）和“巖石化”（火山作用形成的各種火山碎屑物，堆積后經(jīng)多種成巖方式固結(jié)而成的巖石）兩個(gè)過程。而高溫固體排放物（粉煤灰、水淬渣等）正是“火山灰化”的過程模擬，說明人類已經(jīng)自覺不自覺地模擬了火山成巖過程，即模擬了“火山灰化”過程。依據(jù)地質(zhì)礦物學(xué)理論，火山灰成巖過程、成巖時(shí)間及所成巖石巖性是一個(gè)既與火山灰自身化學(xué)組成和物相有關(guān)、又與所遇成巖反應(yīng)環(huán)境和介質(zhì)條件（水、氣候、化學(xué)物質(zhì)等）有關(guān)的漫長過程。例如，玻璃質(zhì)火山灰在弱堿（pH=7.5-8.1）的條件下，百萬年內(nèi)不發(fā)生變化，而在偏堿性（pH=9.1-9.9）條件下，則幾萬年就發(fā)生變化。由此分析可得出以下結(jié)論：

（1）鋁硅酸鹽體系的礦物是地球上最豐富的資源，架狀結(jié)構(gòu)是地殼中最主要的具有長期穩(wěn)定性的巖石礦物結(jié)構(gòu)。

（2）天然火山灰在低溫、低壓條件下可轉(zhuǎn)變成各種長期穩(wěn)定存在的鋁硅酸鹽架狀結(jié)構(gòu)的礦物－沸石。這一客觀事實(shí)證明火山灰成巖變化在熱力學(xué)上是成立的。

（3）火山灰成巖的過程通常是有條件的、漫長的。膠凝材料的起源可以追溯到公元前2000-3000 古羅馬和古希臘使用的石灰—砂漿，整個(gè)膠凝材料的發(fā)展歷程及其經(jīng)典建筑物代表，古羅馬著名的萬神殿、競技場等古建筑已經(jīng)過了2000 多年的雨淋日曬仍保持整體完好，其耐久性令人震驚！在對(duì)埃及的赫奧浦斯、赫斯林、切其和斯聶福金字塔的研究發(fā)現(xiàn)，古代水泥混凝土中膠凝物質(zhì)中除了含有和現(xiàn)代水泥相似的C-S-H 凝膠，還含有40％（按重量）左右的方沸石。研究結(jié)論為：在相同條件下含有不確定數(shù)量C-S-H 凝膠的古代建筑的長期耐久性，是因?yàn)楣沤ㄖ镏刑赜械膲A金屬鋁硅酸鹽—沸石相賦予古代水泥混凝土的千年耐久性。

    地殼物質(zhì)的循環(huán)運(yùn)動(dòng)是自然界最重要的物質(zhì)循環(huán)之一。地殼物質(zhì)在其自身不斷循環(huán)和轉(zhuǎn)化的同時(shí)， 與地球內(nèi)部和地球外部也在不斷進(jìn)行物質(zhì)交換與能量轉(zhuǎn)化。陳忠等人曾對(duì)粘土礦物堿耗效應(yīng)進(jìn)行研究。研究表明，三類粘土礦物都有一定程度的絕對(duì)堿耗量，其中蒙脫石堿耗量最大。堿耗機(jī)理以離子交換和二價(jià)離子生產(chǎn)沉淀反應(yīng)為主，造成堿耗量增大。粘土礦物堿耗效應(yīng)研究給我們啟示：傳統(tǒng)高鈣體系水泥， 堿含量很高，尤其是Ca(OH)₂ 含量， 當(dāng)建筑物和土壤接觸后，不同類型的粘土就開始與建筑物發(fā)生反應(yīng)， 消耗水泥基結(jié)構(gòu)物內(nèi)部的Ca(OH)₂， 當(dāng)堿度低于維持水泥水化產(chǎn)物穩(wěn)定所需的堿度時(shí)，水泥水化產(chǎn)物開始分解來維持其堿度，隨著Ca(OH)2的不斷消耗，水泥基材料的水化產(chǎn)物開始變成無膠凝性能的物質(zhì)，建筑物的耐久性遭到破壞。

    火山灰、沸石、土壤和巖石圈中氧化物的含量基本相似，而水泥的氧化鈣含量則高達(dá)60% 以上，堿含量則低于0.6%。因此，古建筑高耐久性的原因在于高硅鋁和高堿，而不是象現(xiàn)代水泥所要求的高鈣和低堿，這與上述天然沸石的特性是完全吻合的。

    水泥水化產(chǎn)物開始硅鋁基膠凝體系的建立使鋁硅質(zhì)固體廢棄物變成資源，成為硅鋁基膠凝體系不可或缺的原料，拓展了可使用資源的范圍。鋁硅質(zhì)原料在硅鋁基膠凝體系整個(gè)物質(zhì)材料流形成閉路材料流，廢棄的建筑物成又變成硅鋁基膠凝體系的原料。因此，鋁硅質(zhì)固體排放物應(yīng)屬于可持續(xù)資源。

    硅鋁基膠凝體系的建立開辟了材料仿地設(shè)計(jì)新領(lǐng)域。材料仿地設(shè)計(jì)是在基本滿足地殼組成豐度和巖石礦物結(jié)構(gòu)組成的前提下，以循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念為指導(dǎo)，根據(jù)火山灰成巖原理、地球化學(xué)理論及巖石礦物學(xué)理論，遵循相容性原理以及配位規(guī)則，運(yùn)用分子設(shè)計(jì)理論和材料設(shè)計(jì)原則，對(duì)工業(yè)固體廢棄物進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，以獲得能夠在常溫常壓下聚合而成類天然巖石為目標(biāo)的材料設(shè)計(jì)方法。硅鋁基膠凝體系的建立拓展了材料設(shè)計(jì)的新領(lǐng)域——材料仿地設(shè)計(jì)。

    硅鋁基膠凝體系的建立是實(shí)現(xiàn)國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑， 主要體現(xiàn)在以下幾方面：

資源 資源的短缺應(yīng)該是原生資源的短缺，如礦產(chǎn)資源、土地資源等，因?yàn)檫@些資源的形成需要非常漫長的過程。根據(jù)物質(zhì)守恒定律，資源并沒有短缺，它只不過從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，存在形態(tài)發(fā)生改變，狀態(tài)不同而已。根據(jù)地殼中氧化物的豐度，地殼中豐度最大的是硅的氧化物和鋁的氧化物，占整個(gè)地殼的75% 左右。建立硅鋁基膠凝體系，將有更多的資源建立硅鋁基膠凝材料的意義可供選擇，可解決目前資源相對(duì)短缺問題。

環(huán)境 硅鋁基膠凝體系是以固體排放物為資源，對(duì)其進(jìn)行無害化、資源化、環(huán)境化以及高附加值的處理， 可在很大程度上解決固體排放物的環(huán)境問題，同時(shí)“解放”出大量的土地。  

    另外，硅鋁基膠凝體系解決了高鈣膠凝體系排放大量溫室氣體CO₂ 問題，硅鋁質(zhì)材料的分解放出H₂O而不會(huì)放出CO₂，這將為解決長期困擾傳統(tǒng)高鈣水泥清潔生產(chǎn)模式問題開辟先河。

能源 我國雖是煤炭大國，但是世界7大煤炭大國中其余6國的儲(chǔ)采比都在210 年以上，只有中國的儲(chǔ)采比不足百年。原煤能源的短缺首先將影響到以煤為主要能源的水泥、鋼鐵、電解鋁等行業(yè)。而高溫工業(yè)固體廢棄物是已儲(chǔ)存了大量能量（潛能）的介穩(wěn)態(tài)“人造火山灰”。綜合利用這些固體廢棄物的過程也是使其“潛能”逐漸釋放和有效利用的過程。

耐久性 以能耗而言,要把熟料熱耗從700kcal/kg(約3000kJ/kg) 再往下降, 難度很大。改變礦物組成(如降低C₃S 含量,增加C₂S 含量)最多也只能減少15% 左右熱耗和CO₂ 排放量,而同時(shí)要設(shè)法補(bǔ)償C₃S 的早強(qiáng)特性,并非易事。相比之下若能延長混凝土建筑物的壽命,譬如提高1 倍,則相應(yīng)地資源、能源、資金和對(duì)環(huán)境污染的影響就減少一半。若能將壽命提高5-6倍,則獲益也將成倍增長。硅鋁基膠凝體系的建立將解決水泥基材料耐久性問題。

作者介紹：孫恒虎 清華大學(xué)國土礦產(chǎn)資源研究中心主任。 現(xiàn)任清華大學(xué)和中國礦業(yè)大學(xué)教授， 博士生導(dǎo)師，首屆“長江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”特聘教授。曾任國家教委第三屆科學(xué)技術(shù)委員會(huì)委員。1996～1998年兼任加拿大Sungeric InternationalInc.總工程師，1999～2000年兼任加拿大國際鎳業(yè)集團(tuán)（INCO）技術(shù)顧問，2001 年開始兼任加拿大Penguin ASI 公司總工程師。

△ 發(fā)明了高水速凝材料、全砂土固結(jié)材料、高強(qiáng)噴射混凝土等，形成了新型充填膠凝材料合成、水化、硬化、穩(wěn)定及分子熱能轉(zhuǎn)換的理論體系；建立了用非（微）晶材料為主體的充填膠凝理論體系。

△ 發(fā)明了“礦山全尾砂充填采礦新工藝”，創(chuàng)立了高水固結(jié)充填理論與工藝模式。

△ 建立了層狀巖層載荷新的分割理論及力學(xué)模型，導(dǎo)出了力學(xué)計(jì)算公式，使支護(hù)參數(shù)確定由過去的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ阶優(yōu)槔碚摶?、定量化?jì)算。

△ 建立了似膏體充填理論及工藝技術(shù)體系，構(gòu)建了似膏體充填料漿的流變模型， 揭示了料漿流變特性和管輸相變機(jī)理，形成了似膏體充填過程“四目標(biāo)、五參數(shù)、六因素”的充填優(yōu)化理論體系。提出了膏體充填料漿管輸“射流汽蝕”破壞理論體系。

△ 發(fā)明了硅鋁基膠凝材料—“凝石”。國家級(jí)、?。ú浚┘?jí)科技成果獎(jiǎng)7項(xiàng)，國家發(fā)明專利3 項(xiàng)，PCT國際專利2 項(xiàng)，曾榮獲“杰出青年科學(xué)基金”、“跨世紀(jì)優(yōu)秀人才基金”、“中國青年科技獎(jiǎng)”、“茅以升青年科技獎(jiǎng)”、國家“中青年有突出貢獻(xiàn)專家”等。