凝石技術是具有我國自主知識產權的原創(chuàng)性新技術

（清華大學凝石技術國家863項目課題組）

    最近，在中國建材報、中國水泥網(wǎng)、中國水泥雜志等媒體上有一些專家對于凝石技術進行了各種的評論和質疑，其中的一個焦點問題就是：凝石技術是不是一項新技術？凝石技術國家863項目課題組（以下簡稱本課題組）希望通過本文對凝石技術的一些關鍵問題所作的公開闡述來解答專家們的疑惑，從而希望凝石技術這一新生的幼苗能夠在專家和領導們的關心與呵護下健康成長。

一、凝石技術有原創(chuàng)性的科學思想作支持

　　支持凝石技術的科學思想就是“仿地成巖的凝石理論”。正如有些專家所說，“凝石”不能籠統(tǒng)地說是“仿地成巖”。凝石技術仿地成巖的關鍵：一是“復雜成巖流體的多組份協(xié)同效應”，二是“固體廢棄物的火山灰化改性”。復雜成巖流體的多組份協(xié)同效應可以使成巖流體對硅酸鹽礦物顆粒的溶蝕作用能力提高數(shù)萬倍至數(shù)百萬倍。協(xié)同效應在化學反應與化工應用中實際上是一種常見的現(xiàn)象。例如，在典型的中學化學實驗中用王水溶解金：金本來既不溶于硝酸也不溶于鹽酸，卻溶于硝酸與鹽酸按一定比例配成的王水。已有的理論認為是由于Cl-對金離子的絡合作用與硝酸對金的氧化作用協(xié)同作用的結果。在有機高分子以及生物合成領域甚至出現(xiàn)了“協(xié)同組合化學”的專門學科。凝石技術正是科學地利用了這種協(xié)同效應而開發(fā)出各種成巖劑，并與主體物料中的某些組份相配合，從而可利用各種經(jīng)過高溫過程的固體廢棄物中已聚集的內能，在成巖流體的作用下形成的非晶或者微晶態(tài)的硅酸鹽網(wǎng)絡聚合體，并將各種硅酸鹽顆粒“焊接”在一起形成類巖石結構。在仿地成巖的凝石理論中，除了上述兩個關鍵問題之外，還包括對自然界成巖的4個方面的宏觀規(guī)律的模仿。①組成仿地。把所制備的典型凝石樣品的化學成份與地殼的組成進行對比（圖1）可以發(fā)現(xiàn)其比例非常接近。因此，凝石的成份與大自然具有很好的相容性，但在實際生產和應用中允許實際產品和典型的凝石成份有一定的偏差。②過程仿地。即大自然中典型的砂礫巖的成巖過程是靠具有組份協(xié)同效應的成巖流體溶蝕了硅酸鹽顆粒然后，再以次生加大或充填生長的方式把松散的堆積物“焊接”在一起，這時顆粒與顆粒之間以及顆粒與膠結物之間（由更小的顆粒組成）具有化學鍵結合的特征（如晶界化學鍵）。凝石的硬化過程就是靠成巖流體的多組份協(xié)同效應對廢渣的微顆粒（以及砂子、石子）部分溶蝕后再“焊接”在一起。③結構仿地。在天然砂礫巖中，大的礫石與基質之間沒有軟弱界面（普通水泥混凝土存在富集Ca(OH)2和鈣礬石的軟弱界面），凝石混凝土中也沒有軟弱界面。應當進一步明確的是，現(xiàn)代高性能混凝土中的很多技術以及無熟料水泥技術、地質聚合物技術在長期的技術探索中也在某種程度上不自覺的實踐著仿地成巖的思想。但凝石技術是在仿地成巖思想的指導下主動地進行的技術升華與發(fā)明創(chuàng)造。④功能仿地。自然界的硅鋁基巖石（指堅硬的未風化巖石）一般都具有良好的耐久性、耐酸、堿、鹽侵蝕性和耐熱性。通過科學的材料設計所得到的凝石硬化體就具備上述特征。我們現(xiàn)在所進行的宏觀規(guī)律仿地是進一步提高凝石性能和降低成本的發(fā)展方向，但并不意味著現(xiàn)在的技術都去生搬大自然的一切細節(jié)。

凝石硬化體化學組成                             地殼元素分布圖

 圖1 凝石化學成份與地殼化學成份的比較

　　凝石技術的仿地成巖理論還初步提出了凝石材料設計的5項具體原則：①硅中心理論；②半破半立體系與準鍵規(guī)則；③復雜體系選擇原則；④凝石體系的能量最小原則；⑤凝石體系的成巖“焊接”理論。這5項原則的主體內容本課題組已在863成果鑒定會上向與會專家進行過詳細的報告，并得到了充分的認可。

二、 凝石技術在原創(chuàng)性科學思想的支持下具有獨特的技術路線與技術關鍵

　　有的專家說凝石技術的核心是成巖劑，其實并不那么簡單。凝石技術的關鍵是要掌握好成巖流體的多組份協(xié)同效應和主體物料的疊加效應。并不能簡單的認為成巖劑溶解于水后就變成了成巖流體。實際上成巖流體的主體部分并不僅是成巖劑的水溶液，而是溶解了主體物料的復雜流體。因此成巖劑與主體物料的配合才是關鍵。

　　有些專家認為在我國已有的無熟料水泥研究中主要有堿激發(fā)劑和硫酸鹽激發(fā)劑兩類，二者也可以聯(lián)合使用，從而推斷凝石技術也不會超出這兩類激發(fā)劑的范圍，并引用了不知從何而來的凝石“成巖劑”的化學分析和XRD分析結果來佐證這一推斷。在這里本課題組鄭重地宣布，在凝石的成巖劑中沒有使用任何堿，而是在模仿大自然成巖流體中鹽類物質的多組份協(xié)同效應上下功夫。雖然在現(xiàn)有的無熟料水泥研究中，硫酸鹽激發(fā)曾有眾多報道，但是由于缺少仿地成巖思想的指導，一直沒有把多組份協(xié)同效應提到應有的高度給予重視。實際上我們在成巖劑中所使用的一些組份以及有意識地利用主體物料中的一些組份是以前無熟料水泥研究中所沒報道過的。要使多組份協(xié)同效應最大限度地發(fā)揮作用，組份之間的比例是更為重要的技術關鍵，即要符合比例匹配原則。在成巖劑選配和主體物料配合中活性的匹配也是至關重要的，某一種或幾種物料的活性并非越高越好。
即便是有人從一些渠道得到了某種成巖劑的樣品并對此進行化學成份分析和XRD分析，然后就依據(jù)此結果說該項技術不是新技術也未免有失科學的嚴謹性。熟悉XRD技術的科技工作者都知道，當樣品XRD譜線只顯示一種晶相時其定量誤差小于5％；當顯示兩種晶相時其定量誤差大于10％；當顯示三種晶相時定性分析都會有較大困難，定量分析幾乎是不可信的；當有四種以上晶相時定性分析困難極大，定量分析變得毫無意義。而非晶態(tài)物質在XRD譜線中是沒有顯示的。在一些專家所擬文章中給出了據(jù)XRD分析所得到的四種物質（Ca(OH)2、CaSO4、Na2SO4和水玻璃），且不說這并不符合我們實際成巖劑的物相組成，即便是假定這四種物相我們成巖劑中都有，那么沒有物相的定量分析怎么能斷定成巖劑中再沒有其它物質呢？是否認識到上述分析所不能檢測到的物質組合也許正是組份協(xié)同效應的關鍵因素呢？

　　總之隨便拿一個不確定的分析結果（實際上這個分析結果與我們的成巖劑沒有任何關系）就去否定一項新技術，是不客觀的，不科學的。

三、  凝石技術是一個仿地成巖的系統(tǒng)技術體系

　　在凝石工業(yè)生產中，其生產工藝的關鍵是“二元化”，這是在模仿自然界的碎屑沉積巖（特別是部分火山沉積巖）和淺變質巖的形成過程中，總是先形成松散的顆粒堆積，然后再由成巖流體在多組份鹽的協(xié)同效應作用下將松散堆積物“焊接”成巖石。凝石技術采用的“二元化”工藝，是將主體物料和配體物料分別磨細后再進行混合。這種工藝可在以下幾個方面起到調節(jié)性能和降低成本的作用：⑴避免主體物料與配體物料在研磨過程中發(fā)生超前的化學反應（特別是原位鍵合反應）；⑵有利于合理控制級配，降低生產成本。由于凝石成巖過程具有“焊接”的特點（傳統(tǒng)水泥主要是由C-S-H凝膠將粗、細骨料包裹起來粘結到一起），因此需要顆粒級配盡可能趨向于最緊密堆積，從而可以避免在“焊接”過程中過多的出現(xiàn)“虛焊”。從節(jié)能的角度考慮，主體和配體物料的易磨性差異很大，采用“二元化”工藝可以避免“過粉磨”所導致的能源浪費和設備消耗。（3）有利于控制磨細過程中物料的“火山灰化”改性。凝石物料進行“火山灰化”改性是凝石技術的關鍵之一?！盎鹕交一备男宰裱鞍肫瓢肓Ⅲw系與準鍵規(guī)則”和“凝石體系的能量最小原理”，因此凝石物料的“火山灰化”改性不僅發(fā)生在研磨之前，研磨過程中機械化學力的作用也被認為是“火山灰化”改性的一部分。（4）有利于控制復雜體系選配的進程。（5）有利于控制凝石使用過程中的凝結時間、強度發(fā)展、熱力學進程和體積變化過程。（6）有利于凝石的長時間儲存。

　　仿地成巖的指導思想不但貫穿凝石的設計、生產的每一個環(huán)節(jié)，也是凝石應用技術的重要指導思想。如在凝石混凝土的養(yǎng)護過程中避免成巖流體的流失，在混凝土配合比設計中可以在一定范圍內放寬對土含量的限制（只要級配合理，成巖流體對大小顆粒都有同樣的“焊接”作用，少量極細粒粘土還可能促進原位鍵合反應）。把凝石用于固土、固沙、固尾礦，就是把巖石的破壞產物在多組份成巖流體的協(xié)同作用下再還原成巖石。利用凝石中成巖流體的“焊接”作用、滲流性和可異地成巖的特點研制高性能巖土工程材料等。
四、凝石技術在仿地成巖思想的指導下解決了“堿激發(fā)水泥”技術、“硫酸鹽激發(fā)水泥”技術和“地質聚合物”技術中阻礙推廣應用的一些難題。

　　正如一些專家指出，堿激發(fā)膠凝材料“強度比較高，比較脆，韌性差；施工性能不太好，凝結快，不好控制；體積穩(wěn)定性不太好，收縮比較大；還有性能穩(wěn)定性也不好，波動性很大，受原材料影響比較大，不像水泥可以嚴格控制”，石膏礦渣水泥“表面起砂嚴重，大氣穩(wěn)定性差”，“石灰礦渣水泥強度低”。而地質聚合物技術由于要使用強堿性物料，其成本遠遠高于普通硅酸鹽水泥。實際上目前國內外所報道的以強堿性物料作激發(fā)劑的水泥類膠凝材料都要受到成本制約而不能與普通硅酸鹽水泥同臺競爭。凝石技術既不是“堿激發(fā)水泥”技術也不是“地質聚合物”技術，因為凝石技術不使用高堿性的物料做為激發(fā)劑，這是技術特征上與前兩項技術的本質區(qū)別。凝石技術是在仿地成巖思想的指導下，以“復雜成巖流體的多組分協(xié)同效應”和“固體廢棄物的火山灰化改性”為核心的新技術。其本質是充分模仿了大自然成巖流體中鹽類物質的多組分協(xié)同效應，正是由于凝石技術的這一本質特征，不但使凝石產品的性能與前兩項技術相比具有明顯的不同，還使其生產成本大幅度下降，從而可以發(fā)展成為一項能夠大范圍推廣和應用的實用技術。

　　目前本課題組所開發(fā)的凝石產品具有如下特點：

（1）所有物理性能都能達到32.5、42.5和52.5普通硅酸鹽水泥的標準；（2）配制混凝土時，同樣水灰比的情況下其坍落度大于水泥混凝土；（3）坍落度經(jīng)時損失小于水泥混凝土；（4）硬化收縮、干燥收縮、干燥強度下降率均小于水泥混凝土。（5）兩年齡期強度跟蹤結果表明，其強度緩慢增長；（6）同樣抗壓強度時其抗折強度和劈裂抗拉強度比水泥混凝土高20－30%。

五、凝石技術的延伸有助于解決循環(huán)經(jīng)濟與可持續(xù)發(fā)展中的一些重大難題。

（1）為從根本上減輕采礦工程對生態(tài)環(huán)境的破壞，緩解我國部分礦產的資源危機奠定了基礎。

國內外的大量實踐都已證明，膠凝充填采礦法不但可以大幅度提高資源回采率，而且可完全避免地表塌陷，并且對維護地下水系統(tǒng)的生態(tài)平衡和避免重大安全事故均具有重要作用。但是，以水泥或其它傳統(tǒng)的膠凝材料作為尾礦、煤矸石或粉煤灰等固廢材料的膠凝劑，不但因成本太高而在大多數(shù)場合不具有經(jīng)濟性，而且由于不能早凝早強而影響采礦作業(yè)。而采用凝石作為膠凝材料用于全尾砂充填采礦不但可以取得同用量水泥時3－4倍的強度，并具有早強的特點。因此充填成本可以大幅度下降，并解決采礦作業(yè)中的難題。

（2）有可能解決我國大中城市建筑用砂極度緊缺問題。

采用凝石代替水泥，采用尾礦代替河砂制備混凝土，相同配比時凝石尾礦混凝土的強度是水泥尾礦混凝土的2倍左右（當水泥混凝土中的河砂全部被尾礦取代時，其強度要下降20－50%）。隨著數(shù)據(jù)的積累和凝石技術的發(fā)展，凝石尾礦混凝土有可能用于各種建筑工程，因此有可能解決我國大中城市建筑用砂極度緊缺問題（許多大中城市的郊區(qū)或鄰近市縣都有大量尾礦堆存）。

（3）將有助于解決禁用實心粘土磚問題。

采用凝石制備干硬性混凝土制品，取得同樣強度時凝石的用量僅有水泥的1/2，或同樣用量時，凝石制品是水泥制品強度的2－3倍。半年多的跟蹤檢測未發(fā)現(xiàn)任何強度倒縮或變形開裂現(xiàn)象。因此，以凝石為膠凝材料，以各種廢棄物（包括尾礦、粉煤灰）或任何傳統(tǒng)砂石為骨料所制備的建筑砌塊其生產成本可以大幅度下降，性能可以大幅度提高。隨著這種砌塊從非承重到承重的逐漸發(fā)展，將有助于解決禁用實心粘土磚問題。

六、凝石技術作為有可能形成具有我國自主知識產權的原創(chuàng)性技術體系應該受到保護與支持

　　科學技術發(fā)展到今天，任何一項技術都不可能完全脫離原有技術而憑空誕生，而是毫無例外地都要在吸取、改進、融合和提高若干相關技術的基礎上進行創(chuàng)新而形成。而自主知識產權則是指改進、融合和提高后的創(chuàng)新部分。對于任何“原創(chuàng)性”技術，要求其相關的所有細節(jié)都是“原創(chuàng)”是不現(xiàn)實的。一般判斷一項技術是否具有“原創(chuàng)性”，一是要看它是否有原創(chuàng)性思想作支撐，二要看它是否能夠解決相關領域的技術經(jīng)濟難題。只有同時具備這兩個特征才是真正的“原創(chuàng)性”技術。

　　凝石技術一方面有原創(chuàng)性的仿地成巖的科學思想作支持，一方面又能解決“堿激發(fā)水泥技術”、“硫酸鹽激發(fā)水泥技術”、“地質聚合物技術”等技術中所遇到的難以解決的關鍵問題，同時對循環(huán)經(jīng)濟與可持續(xù)發(fā)展又具有重要意義，因此，凝石技術是原創(chuàng)性的技術。

　　凝石技術的主體內容已取得了國家發(fā)明專利，并且已申報了國際專利，與主體技術緊密相關的專利還有6項，其中一項已獲授權，5項在申請過程中。本課題組相信，在各界專家和各級政府主管部門的支持下，凝石技術完全可以形成具有我國自主知識產權的原創(chuàng)性技術體系。