凝石技術(shù)與循環(huán)經(jīng)濟

2005-08-22 00:00  留言

摘　要：隨著我國經(jīng)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(chǎn)等資源不足的矛盾愈加突出，并已成為阻礙循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的主要因素。凝石技術(shù)是依據(jù)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(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)體系。凝石技術(shù)為解決以上問題，促進循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展提供了一條有效途徑。

關(guān)鍵詞：凝石技術(shù)，循環(huán)經(jīng)濟，硅鋁基膠凝材料，固體排放物

一、凝石技術(shù)

1. 凝石的涵義

凝石技術(shù)是依據(jù)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(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計為核心，初步形成的硅鋁基膠凝材料的理論體系與技術(shù)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(jié)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(jīng)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(chǎn)，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(lǐng)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(jīng)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(shù)體系是凝石技術(shù)的基礎(chǔ)。硅鋁基膠凝體系源于自然界客觀規(guī)律的啟示。按照地質(zhì)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(gòu)成的（見圖1-1）?？梢姡X硅質(zhì)礦物約占地殼總量的3/4，資源“遍地都有”，并且經(jīng)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(zhì)具有穩(wěn)定的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

    火山灰常溫常壓下成巖變化在熱力學上成立。地質(zhì)學認為[2-3]，地殼上的巖石通過地質(zhì)作用在不停轉(zhuǎn)化之中，天然火山碎屑等物質(zhì)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(zhì)過程，可轉(zhuǎn)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(chǎn)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(guān)：其一，與火山灰自身的化學組成和物相有關(guān)；其二，與火山灰成巖所遇的成巖介質(zhì)條件（化學質(zhì)、水質(zhì)等）和環(huán)境條件（溫度、壓力等）有關(guān)。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(shè)計原則和硅鋁基膠凝材料二元清潔制備模式在技術(shù)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(jīng)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(jié)構(gòu)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(shè)計

圖4 高溫固體排放物凝石化過程示意圖

3、凝石技術(shù)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(nèi)容。強化凝石固結(jié)過程的動力學條件是仿地成巖的凝石技術(shù)研究關(guān)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(zhì)構(gòu)成是仿照天然巖石的化學構(gòu)成設(shè)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(jié)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(jù)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(shè)計（如圖3、圖4）使膠凝材料濕制備的清潔生產(chǎn)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(zhì)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(jié)構(gòu)明顯不同于水泥（如圖6），凝石水化后的結(jié)構(gòu)呈微晶體狀，很難分清楚產(chǎn)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(jié)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(jié)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(guān)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(lǐng)域的開展了工程應用基礎(chǔ)研究。凝石初級產(chǎn)品在加拿大最大的鎳礦公司（INCO）進行井下充填試驗，已經(jīng)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(jié)構(gòu)工程，自2004年7月開始建設(shè)，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(chǎn)品修建的廠房結(jié)構(gòu)、設(shè)備基礎(chǔ)和道路建設(shè)混凝土的監(jiān)測表明，28天強度達到設(shè)計等級，90天強度為設(shè)計等級的1.5倍，目前強度仍在增長。

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

30萬噸凝石中試線 50萬噸凝石生產(chǎn)線主體建筑

圖11 凝石中試線

二、凝石技術(shù)促進循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展

隨著世界經(jīng)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(jīng)濟已成為各國經(jīng)濟發(fā)展的必然選擇。在我國，隨著經(jīng)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(jīng)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(chǎn)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(shù)為解決這一問題提供了有效途徑。

表2 2003年我國幾大基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況^[4]

行業(yè)名稱	2003年產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(jù)了解，我國2004年水泥總產(chǎn)量約10億噸，位居世界第一。10億噸水泥的生產(chǎn)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(chǎn)量在產(chǎn)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(chǎn)具有接近于零的污染物排放。因此凝石生產(chǎn)技術(shù)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(chǎn)凝石的主體原材料。因此凝石技術(shù)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(shù)可大幅度降低成本和提高質(zhì)量，因此可使充填采礦技術(shù)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(jié)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(shù)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(jù)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(chǎn)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(shè)是不可想象的。因此必須在科學技術(shù)上取得重大突破，才能減輕經(jīng)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(jīng)濟發(fā)展得以順利進行。凝石技術(shù)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(shù)低成本快速推廣。低成本充填采礦技術(shù)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(chǎn)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(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

3、產(chǎn)業(yè)意義

凝石技術(shù)的應用將提升改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，促進資源-能源-環(huán)境-材料的領(lǐng)域的良性循環(huán)。遵循循環(huán)經(jīng)濟理念，利用凝石技術(shù)，將電力、煤炭、冶金等行業(yè)的全部固體排放物用于生產(chǎn)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(shù)要求上游產(chǎn)業(yè)的固體排放物排放過程也是凝石原材料的生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)的“獨立”生產(chǎn)調(diào)整為各產(chǎn)業(yè)間具有有機聯(lián)系的生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈，將上一個產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)的排放物用于下一個產(chǎn)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(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)間實現(xiàn)良性循環(huán)。

4. 經(jīng)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(chǎn)量（10億噸/年）幾乎相等，以全國年產(chǎn)10億噸凝石計算，由于生產(chǎn)凝石可比生產(chǎn)水泥節(jié)能30％以上，生產(chǎn)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(jīng)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(shù)的推廣應用將取得數(shù)倍于直接經(jīng)濟效益的間接經(jīng)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(shè)，由于大幅度降低了維修和重建的頻率，可給城市的建設(shè)和發(fā)展帶來極大間接效益。

綜上所述，發(fā)展凝石技術(shù)，推行清潔生產(chǎn)，可將膠凝材料生產(chǎn)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(jīng)濟的可持續(xù)增長，從根本上解決經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護之間的矛盾，促進循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展。

結(jié)語：凝石技術(shù)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(jīng)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(jīng)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(shù)發(fā)展做出貢獻。

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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。

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