凝石技术与循环经济_应用技术_技术

摘　要：随着我国经济高速增长，固体废弃物高排放及其带来的高消耗、高污染等问题日益严峻，土地、能源、矿产等资源不足的矛盾愈加突出，并已成为阻碍循环经济发展的主要因素。凝石技术是依据大地成岩理论和自然界相容原理，以主体和配体的二元组分设计和结构设计为核心，初步形成了新的硅铝基胶凝材料的理论体系与技术体系。凝石技术为解决以上问题，促进循环经济发展提供了一条有效途径。

关键词：凝石技术，循环经济，硅铝基胶凝材料，固体排放物

一、凝石技术

1. 凝石的涵义

凝石技术是依据大地成岩理论和自然界相容原理，以主体和配体的二元组分设计和结构设计为核心，初步形成的硅铝基胶凝材料的理论体系与技术体系。凝石包括三个含义：凝石代表一套仿地成岩理论，凝石是凝结起来的石头，具有与大自然相容的组分和坚硬、耐久的类岩石性能，是对大地成岩仿真的实践；凝石又代表一种社会经济的绿色循环，凝石可以全面利用固体排放物，可以清洁生产，可以制备凝石水泥，凝石节省资源、节约能源、保护生态，是资源-能源-环境-材料领域良性循环的载体；凝石还代表一代新的建筑胶凝材料文明，人类建筑文明经历了千年的石灰“三合土”时代、百年的水泥“混凝土”时代，即将迎来可持续发展的第三代建筑胶凝材料文明。

2. 硅铝基胶凝体系建立的意义
    铝基胶凝材料的理论和技术体系是凝石技术的基础。硅铝基胶凝体系源于自然界客观规律的启示。按照地质矿物学理论，地壳本身就是由以铝硅酸盐体系为主的矿物构成的（见图1-1）。可见，铝硅质矿物约占地壳总量的3/4，资源“遍地都有”，并且经历了数以亿年计的耐久“考验”[1]。可见，“铝硅酸盐体系”意味着丰富的天然资源，类岩石物质具有稳定的物质结构。

    火山灰常温常压下成岩变化在热力学上成立。地质学认为[2-3]，地壳上的岩石通过地质作用在不停转化之中，天然火山碎屑等物质受到具有化学活性的成岩流体作用，在常温、常压条件下通过沉积、变质过程，可转变成长期稳定存在的铝硅酸盐岩石，如沸石岩、砂岩等。

    事实上，来自工业生产的大量高温工业固体排放物（如粉煤灰、水淬渣等），正是人类在自觉不自觉地进行着火山成岩中“火山灰化”过程的物理模拟，制造了各种冠以“废弃物”为名的人造“火山灰”！这些人造“火山灰”是已储存了大量能量（潜能）的硅铝基介稳态物料，它们是研究发展硅铝基胶凝体系的廉价主体原料。

图1 凝石与地壳各元素对比

火山灰所形成岩石的岩性和物相与两部分因素直接相关：其一，与火山灰自身的化学组成和物相有关；其二，与火山灰成岩所遇的成岩介质条件（化学质、水质等）和环境条件（温度、压力等）有关。这一自然界规律为本研究所提出的“二元化”（主体和配体）匹配仿岩设计原则和硅铝基胶凝材料二元清洁制备模式在技术思路上提供了启示。

因此，不同于传统水泥的高钙基胶凝体系（如图2），以仿地成岩理论为指导建立硅铝基胶凝体系，利用大量固体排放物作为凝石主体原料制备新型胶凝材料，对有效解决当今经济可持续发展所面临的资源短缺、生态危机、混凝土结构耐久性差等问题具有重要的科学意义。

图2 各物料钙与硅铝之比〔CaO/(SiO2+Al2O3)〕

图3 凝石二元匹配－仿地成岩设计

图4 高温固体排放物凝石化过程示意图

3、凝石技术现状

凝石具有凝胶和岩石双重特性，包括了“硅铝基胶凝体系”和“仿地成岩”双重内容。强化凝石固结过程的动力学条件是仿地成岩的凝石技术研究关键，目前工作主要从组分匹配原则、成岩过程系统功理论、紧密堆积规则和中性定则四方面进行研究。

凝石的物质构成是仿照天然岩石的化学构成设计的。凝石是由主体及配体两部分物料（二元）组成，要求两者相配能在常温条件下水化凝结成岩石。主体材料是选自具有高潜能非平衡态的非晶（微晶）化的物料（如粉煤灰、矿渣等）；配体材料的选用是根据岩石矿物化学组成，选择能使主体物料潜能发挥并与之相容成岩的复合活化成岩流体，配体是对主体形成岩石所缺成分的补充。凝石二元化仿地设计（如图3、图4）使胶凝材料湿制备的清洁生产模式得以实现。

表1 凝石与水泥成分及水化硬化机理比较

项目	凝石	水泥
胶凝材料	主体：火山灰化物料９０％以上配体：复合成岩流体５％以下	主体：水泥熟料６０％以上掺合料：火山灰化物料４０％以下
水化胶凝机理	成岩流体与火山灰物料形成化学键	胶凝物水化形成ＣＳＨ凝胶
混凝土硬化机理	成岩物质与砂石形成界面化学键合－ “焊接”作用	胶凝物ＣＳＨ凝胶与砂石形成物理“包裹”－氢键及范德华力作用
养护条件	防止成岩流体流失	保持足够水分水化

凝石与水泥成分及水化硬化机理不同（如表1）。图5是水泥混凝土与凝石混凝土断裂面对比实物图，可以看出水泥混凝土属于“界面断裂”，凝石混凝土属于“穿筋断裂”。凝石水化28天后的微观结构明显不同于水泥（如图6），凝石水化后的结构呈微晶体状，很难分清楚产物的形貌；而水泥水化体中有明显的针状钙矾石、片状氢氧化钙等结晶水化物出现。

图5 水泥混凝土与凝石混凝土对比

2＃凝石水化28d 水泥水化28d

图6 凝石与水泥电镜分析对比

凝石具有固砂固土，耐腐蚀，高强等特点。凝石Ｂ与水泥材料强度性能比较的试验结果如图7，可见凝石材料的抗折强度、抗压强度远高于52.5#普通水泥强度，凝石材料具有早强、高强及高的抗折强度等力学性能。凝石在酸、碱等侵蚀液中浸泡，随着时间增加，凝石材料的强度反而出现不同程度的增长（如图8）。凝石硬化体还具有良好的抗冻融性能（如图9）。

图7 凝石Ｂ与水泥材料强度性能比较

图8 凝石材料试件在侵蚀溶液中浸泡后强度与侵蚀时间的关系

图9 凝石Ｂ抗冻融试验

凝石材料先后在矿山、军事工程和抗洪抢险等特殊领域的开展了工程应用基础研究。凝石初级产品在加拿大最大的镍矿公司（INCO）进行井下充填试验，已经过6年的考验，如图10（b）。在首钢建成重载试验路段（10～50吨车通过频率为3.5辆/分钟），与同路段水泥混凝土对比，抗断裂及抗磨情况优于水泥混凝土，如图10（c）。某钢铁集团公司5000米²储水池顶盖结构工程，自2004年7月开始建设，上面作为溜冰场已投入使用，各种指标良好，现正在观测当中，如图10（a）。对应用凝石产品修建的厂房结构、设备基础和道路建设混凝土的监测表明，28天强度达到设计等级，90天强度为设计等级的1.5倍，目前强度仍在增长。

凝石技术已进入中试阶段（如图11）。蓝博凝石材料有限公司年产30万吨凝石生产线已建成试生产，并已试产出8000吨建筑凝石和道路凝石成品；50万吨凝石生产线也正在紧张建设之中，年产5万吨特种凝石生产线已完成建设，即将进入试生产阶段。

30万吨凝石中试线 50万吨凝石生产线主体建筑

图11 凝石中试线

二、凝石技术促进循环经济的发展

随着世界经济发展，人类越来越感到自然资源并不是取之不尽，用之不竭，生态环境的承载能力也并非无限。发展循环经济已成为各国经济发展的必然选择。在我国，随着经济快速增长，固体废弃物和天然资源短缺问题成为阻碍循环经济发展的一个主要因素。固体废弃物高排放及其带来的高消耗、高污染等问题日益严峻，土地、能源、矿产等资源不足的矛盾愈加突出（如表2）。然而，仿地成岩的凝石技术为解决这一问题提供了有效途径。

表2 2003年我国几大基础产业发展情况^[4]

行业名称	2003年产量（亿吨）	增长幅度（%）	所处世界地位	资源、环境问题
水泥	8.62	18.90	超过世界总产量的50％，绝对世界第一	年排放近7亿吨CO2，消耗约7亿吨天然石灰石资源，粉尘排放超过工业粉尘排放总量的60％
钢铁	2.22	21.92	钢产量世界第一，铁矿石进口量世界第一	冶金渣年排放量约1.5亿吨
原煤	16.67	15.00	煤炭消费量世界第一	煤矸石积存34亿吨，占地20万亩，排放量每年还以约2亿吨^[5]的速度增长，煤矿开采造成的地表塌陷已超过600万亩，且每年以20万亩的速度增长^[6-7]
电力	1910 (亿千瓦时)	15.52	发电总量世界第二	粉煤灰年排放量近2亿吨，累计堆存量超过14亿吨，占地60万亩以上，综合处理费高达30 ~ 60亿元^[8-10]

1. 环境生态意义

据了解，我国2004年水泥总产量约10亿吨，位居世界第一。10亿吨水泥的生产要消耗11亿吨的石灰石资源，排放约8亿吨的CO₂，80万吨的SO₃，160万吨的Nox和800万吨的粉尘。同时我国煤矸石有34亿吨的堆存量，占地20万亩；粉煤灰有14亿吨堆存量，占地60万亩；冶金废渣及其它化工废渣有12亿吨的堆存量，占地30万亩以上。上述这些固体排放物每年还以10亿吨的产量在产出。此外金属、非金属矿山的尾矿的堆存量已超过40亿吨，并且每年还以3亿吨的速度在增长。另一方面煤矿开采所造成的地表塌陷已超过600万亩，每年还以20万亩的速度在增加。^[4-10]

凝石的生产具有接近于零的污染物排放。因此凝石生产技术的推广一方面可以使水泥工业的污染大幅度降低，直至全部消除。另一方面，上述粉煤灰、煤矸石、冶金渣、化工渣等固体排放物又是生产凝石的主体原材料。因此凝石技术的推广对于减少水泥工业的污染排放，充分利用各类固体排放物具有划时代的意义。

此外，由于凝石类胶凝材料超强的固土（可达同标号水泥的3倍）固砂能力，是采矿工业中的地下充填的理想材料，由于比原有技术可大幅度降低成本和提高质量，因此可使充填采矿技术快速推广，从而抑制和根除地面塌陷所带来的生态环境问题。

另一方面，凝石对各类尾矿具有超强的固结能力，当采用凝石为胶凝材料时，用尾矿代替河砂配置各类混凝土，强度和安定性不但不降低，反而有所提高。因此凝石技术的推广可以带动各类尾矿的大量利用，从而进一步促进环境生态的保护。

2. 资源意义

根据中国建材工业协会的报告，我国适宜烧制水泥的石灰石储量为450亿吨，其中可开采储量为250亿吨，按2003年的水泥产量计算，再过30年我国水泥的原材料资源就面临枯竭^[11-12]。然而象我国这样一个发展中国家再过30年就停止进行基本建设是不可想象的。因此必须在科学技术上取得重大突破，才能减轻经济增长对资源供给的压力，实现资源的高效利用和循环利用，使我国的国民经济发展得以顺利进行。凝石技术为完成一重大历史使命开辟了一条新的道路。

此外，由于凝石的超强固土、固砂能力可以使充填采矿技术低成本快速推广。低成本充填采矿技术的推广不但可以抑制地表塌陷，还能使许多“三下”（建筑物下、水体下、铁路下）矿产资源的回采率提高50％以上，对我国的资源战略的实施和国民经济的可持续发展具有重大意义。

3、产业意义

凝石技术的应用将提升改造传统产业，促进资源-能源-环境-材料的领域的良性循环。遵循循环经济理念，利用凝石技术，将电力、煤炭、冶金等行业的全部固体排放物用于生产高性能凝石水泥，减少能源、资源消耗，保护生态、环境，实现材料的高附加值制备。

凝石技术要求上游产业的固体排放物排放过程也是凝石原材料的生产过程，进行固体排放物形成过程改性，实现资源节约和能量的梯级利用。因此，凝石将传统产业的“独立”生产调整为各产业间具有有机联系的生态产业链，将上一个产业环节的排放物用于下一个产业环节的原材料，彻底改变原有环境问题的末端治理方式，使各产业环节间实现良性循环。

4. 经济意义

目前我国可直接作为凝石主体材料的废渣与现有水泥的年产量（10亿吨/年）几乎相等，以全国年产10亿吨凝石计算，由于生产凝石可比生产水泥节能30％以上，生产成本下降30％以上，因此仅以简单替代水泥来考虑，每年也可以取得数以百亿元计的直接经济效益。

此外凝石还有许多水泥所不具有的特殊性能，如耐酸、碱、盐类侵蚀性，超长的耐久性、特有的固土能力、超高强和速凝快硬等特征，将有助于解决许多工程难题，或使工程成本大幅度下降。因此，凝石技术的推广应用将取得数倍于直接经济效益的间接经济效益。

如利用凝石耐腐蚀、不溶出、抗冻融性等特征可以制备出使用寿命比现在长几倍的混凝土梁，用于超交通负荷的大城市立交桥的建设，由于大幅度降低了维修和重建的频率，可给城市的建设和发展带来极大间接效益。

综上所述，发展凝石技术，推行清洁生产，可将胶凝材料生产和工矿业固废排放对自然资源的需求和生态环境的影响降低到最小程度，以最少的资源消耗、最小的环境代价实现经济的可持续增长，从根本上解决经济发展与环境保护之间的矛盾，促进循环经济发展。

结语：凝石技术才刚刚起步，作者的工作也仅仅是万里长征的第一步，传统水泥历经了近200年的发展，至今仍有许多问题没有解决。凝石也必然要经历一个比较长的研发阶段才能完善，作者愿与各行各业的科学家、企业家联合共同为凝石技术发展做出贡献。

参考文献：

[1] F.利鲍著,席耀忠译.硅酸盐结构化学.北京:中国建筑工业出版社,1989.

[2] 刘作程岩石学北京:冶金工业出版社,1992

[3]H.布拉特 G.V. 米得顿 R.C.穆雷沉积岩成因,沉积岩成因翻译组译北京科学出版社 1978

[4] 国家统计局.2003年国民经济与社会发展统计公报.北京：中国统计出版社,2004,2.

[5] 冯良,周宏春.煤矸石扩大利用调研报告.国家经贸委资源司,2002,(5).

[6] 何芳,徐友宁,袁汉春,陈社斌,张江华. 煤矿地面塌陷区的防治对策.煤炭工程,2003,(7):10.

[7] 赵德深,范学理.矿区地面塌陷控制技术研究现状与发展方向.中国地质灾害与防治学报,2001,12(2):86.

[8] 中国国家环保局.中国环境公报,2000.

[9] 刘双双,韩敏芳.我国粉煤灰利用现状及发展趋势.中国煤炭,2001,27(8):43.

[10] 江学荣,林介东等.粉煤灰综合利用现状及发展方向.电力环境保护,2002,18(3):55.

[11] 中国建筑材料发展现状与进入21世纪对策(水泥部分).中国建筑材料科学研究院.1998.

[12] 陈全德.水泥工业与可持续发展.中国建材,2002,(1): 35-36.

作者介绍：孙恒虎，男，清华大学材料系教授，博导，清华大学国土资源中心主任。

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