凝石技術(shù)

1．凝石技術(shù) 
    1．1．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(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gè)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(jiān)硬、耐久的類巖石性能，是對(duì)大地成巖仿真的實(shí)踐；凝石又代表一種社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(hù)生態(tài)，是資源一能源一環(huán)境一材料領(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(shí)代、百年的水泥“混凝土"時(shí)代，即將迎來可持續(xù)發(fā)展的第三代建筑膠凝材料文明。
    1．2．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(xué)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(jì)的耐久“考驗(yàn)”【l】?？梢姡颁X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)。

圖1  凝石與地殼各元素對(duì)比

    火山灰常溫常壓下成巖變化在熱力學(xué)上成立。地質(zhì)學(xué)認(rèn)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(xué)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(shí)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(jìn)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(chǔ)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(jià)主體原料。
    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(xué)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(xué)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(jì)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(dǎo)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(duì)有效解決當(dāng)今經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展所面臨的資源短缺、生態(tài)危機(jī)、混凝土結(jié)構(gòu)耐久性等問題具有重要的科學(xué)意義。

圖2   各物料鈣與硅鋁之比[CaO/(SiO2+AL2O3)]   

1．3．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(qiáng)化凝石固結(jié)過程的動(dòng)力學(xué)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(jìn)行研究。
    凝石的物質(zhì)構(gòu)成是仿照天然巖石的化學(xué)構(gòu)成設(shè)計(jì)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(xué)組成，選擇能使主體物料潛能發(fā)揮并與之相容成巖的復(fù)合活化成巖流體，配體是對(duì)主體形成巖石所缺成分的補(bǔ)充。凝石二元化仿地設(shè)計(jì)(如圖3、圖4)使膠凝材料濕制備的清潔生產(chǎn)模式得以實(shí)現(xiàn)。

圖3  凝石二元匹配-仿地成巖設(shè)計(jì)

圖4  高溫固體排放物凝石化過程示意圖

    凝石與水泥成分及水化硬化機(jī)理不同(如表1)。圖5是水泥混凝土與凝石混凝土斷裂面對(duì)比實(shí)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(duì)比

圖6  凝石與水泥電鏡分析對(duì)比
    凝石具有固砂固土，耐腐蝕，高強(qiáng)等特點(diǎn)。凝石B與水泥材料強(qiáng)度性能比較的試驗(yàn)結(jié)果如圖7，可見凝石材料的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于52．5·普通水泥強(qiáng)度，凝石材料具有早強(qiáng)、高強(qiáng)及高的抗折強(qiáng)度等力學(xué)性能。凝石在酸、堿等侵蝕液中浸泡，隨著時(shí)間增加，凝石材料的強(qiáng)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(qiáng)度性能比較

圖8  凝石材料試件在侵蝕溶液中浸泡后強(qiáng)度與侵蝕時(shí)間的關(guān)系

圖9  凝石B抗凍融試驗(yàn)
    凝石材料先后在礦山、軍事工程和抗洪搶險(xiǎn)等特殊領(lǐng)域的開展了工程應(yīng)用基礎(chǔ)研究。凝石初級(jí)產(chǎn)品在加拿大最大的鎳礦公司(INCO)進(jìn)行井下充填試驗(yàn)，已經(jīng)過6年的考驗(yàn)，如圖lO(b)。在首鋼建成重載試驗(yàn)路段(1O一50噸車通過頻率為3．5輛／分鐘)，與同路段水泥混凝土對(duì)比，抗斷裂及抗磨情況優(yōu)于水泥混凝土，如圖lO(c)。某鋼鐵集團(tuán)公司5．000米2儲(chǔ)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(biāo)良好，現(xiàn)正在觀測當(dāng)中，如圖lO(a)。對(duì)應(yīng)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(凝石材料成巖劑為實(shí)驗(yàn)室配制，廢渣粉為委托加工)的監(jiān)測表明，28天強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)等級(jí)，90天強(qiáng)度為設(shè)計(jì)等級(jí)的1．5倍，目前強(qiáng)度仍在增長。

a)凝石5000M3溜冰場

b)充填試驗(yàn)

c)凝石B路面試驗(yàn)

圖10  凝石工程應(yīng)用基礎(chǔ)

    凝石技術(shù)已進(jìn)人中試階段(如圖11)。藍(lán)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(jìn)入試生產(chǎn)階段。

30萬噸凝石中試驗(yàn)

50萬噸凝石生產(chǎn)線主體建筑