[摘要] 介绍了凝石及地聚合物材料的一般特点， 根据对凝石混凝土的初步实验结果， 认为凝石混凝土的良好性能和低廉造价尤其适用于水工混凝土， 在水利工程中有广阔的应用前景。
[关键词] 凝石； 混凝土； 实验； 应用
凝石是一种硅～铝系的无机胶凝材料， 也是地聚合物技术的一个重要分支。初步结果表明：以凝石为胶凝材料的凝石混凝土， 其抗压、抗折等物理力学性能与硅～钙系的水泥混凝土相比基本相当， 而抗冻融强度、抗渗强度、水化热、抗AAR 能力等指标优于水泥混凝土。凝石系采用废钢渣等硅～铝系材料经研磨并添加若干激活材料制成， 与较采用两烧一磨方法制成的硅～钙系水泥相比， 具有造价低、污染小等优点。对要求有较高的耐久性、较低工程造价的水利工程而言尤为适合。
1 地聚合物材料技术概述
地聚合物胶凝材料主要是根据大地成岩的基本原理， 以烧粘土(偏高岭土) 、激活剂为主要原料得到的一种具有与陶瓷性能相似的合成岩石。众所周知， 地球上最稳定的无机物为硅～铝系材料， 而地聚合物的最终产物便是一种复杂的多晶、多相的聚集体， 其化学组成为化学性质稳定的铝硅酸盐。由于地聚合物材料具有类似有机聚合的链状结构， 因而具有无机化合物和有机化合物的共同特点：
(1) 强度高， 主要力学性能指标优于玻璃与水泥， 可与陶瓷、铝、钢等金属材料相媲美。
(2) 较强的耐腐蚀性与较好的耐久性， 优于传统水泥。
(3) 较好的快硬固化性。
(4) 材料耐高温， 隔热效果好。
(5) 原料价格低廉， 储量丰富。
(6) 免煅烧， 生产能耗低。
(7) 增韧、增强外添加剂选择范围广， 由于反应在较低温度下进行， 避免了高温可能导致的添加物变质， 添加物与基体的热失配与化学不相容， 从而可采用多种外添加剂进行增强、增韧，提高材料性能。
(8) 结构致密， 渗透系数低。
2 凝石的基本原理
2.1 模仿大地成岩的基本原理
凝石混凝土主要是根据大地成岩的基本原理制成合成岩石。清华大学、北京科技大学的有关研究指出： 砂砾岩的结构与混凝土具有非常相近的结构， 然而将砾及砂粒胶结在一起的胶凝材料却有着本质区别。在天然砾岩中起胶凝作用的是微细的硅酸盐矿物颗粒， 这些矿物颗粒有着次生加大、溶蚀～再结晶等矿物结构， 其成岩过程是在成岩流体作用下通过矿物本身溶解～再生长而把大的颗粒胶结在一起， 并填满沉积物中的所有微孔隙， 从而把松散的沉积物转变成坚硬的天然岩石。因此天然砂砾岩的形成并没有真正意义上的“胶凝”过程， 而是靠成岩流体将硅酸盐矿物颗粒溶蚀～再生长， 类似工程建设中的钢材的“焊接”过程。自然界的这种溶蚀～再生长不仅表现在细小的硅酸盐矿物颗粒上， 也表现在直径较大的砂砾上。其微观结构是大小的砾石、砂砾与细粒硅酸盐矿物牢固的“焊接”在一起， 其间依靠Si - O 共价键和晶界化学键结合， 其作用力主要是各种化学键力。而水泥混凝土是由C -S - H 凝胶包裹砂子、石子后， 靠C - S - H 凝胶“粘结”在一起， 其作用力主要是范德华力。
清华大学、北京科技大学的研究还指出， 成岩流体中各种化学成分的协同效应， 是成岩的主要原因。这种协同效应能使成岩流体对硅酸盐矿物颗粒的侵蚀作用能力提高数万倍至数百万倍。
所谓协同效应在化学反应与化工应用中是一种常见的现象， 譬如金元素本来既不溶于硝酸， 也不溶于盐酸， 但却能溶于将硝酸和盐酸按一定比例配成的王水， 这就是盐酸中的Cl - 离子的络合作用与硝酸对金的氧化作用产生协同效应的结果。
凝石技术就是利用了这种协同效应开发出各种成岩剂， 从而实现把各种硅酸盐类固体废弃物转变成生产凝石的主要原料。
2.2 凝石与传统水泥的比较
从严格的意义上， 凝石胶凝材料与水泥的定义“凡磨细成粉末状， 加入适量的水以后成为塑性浆体， 既能在空气中硬化， 又能在水中硬化，并能将砂、石等散粒或纤维材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料”相符合， 因此也可以认为凝石是一种新型水泥。除养护方式与传统水泥混凝土略有不同外， 其使用方法与水泥大致相同见
表1 。
表1 凝石与传统水泥的比较
3 对凝石混凝土的初步实验结果
3.1 物理、力学性能
清华大学、北京科技大学等单位对凝石混凝土的物理、力学性能进行的部分实验结果见表2 、3 、4 。
表2 凝石混凝土的物理性能
表3 凝石混凝土的力学性能
表4 凝石混凝土的抗冻融循环能力
清华大学、北京科技大学等单位的实验还表明： 凝石混凝土的水化热大致仅相当于水泥混凝土的1/ 10 ， 抗渗透能力较强， 当抗渗透仪压力达到最大时， 渗透高度读数仍较低。
吉林省水利科学研究院对凝石混凝土的力学性能进行了探索性实验， 其中3d 的抗折、抗压强度见表5 ：
表5 凝石混凝土的力学性能
分析清华大学、北京科技大学及吉林省水利科学研究院的上述实验结果可看出：
①凝石混凝土初凝时间较水泥混凝土略长，而终凝时间较短；
②抗折强度略高于同标号水泥混凝土， 抗压强度基本相当；
③抗冻融循环能力较好， 在没有外加剂条件下， 冻融循环(慢冻) 达到386 次， 按东北勘测设计院的科研院经验公式， 大致相当于快冻170次左右。此时强度及质量损失率均低于25 % ，而相对动弹性模量下降率较高。表明凝石混凝土有一定的抗冻融能力， 但冻融破坏机理似有所不同。
3.2 抗AAR 破坏能力分析
混凝土产生碱———骨料反应须具备三个必要条件： 较高的可溶性碱(Na2O + K2O) 含量，具有碱活性的骨料， 混凝土暴露在水中或潮湿的环境中。这三个条件中缺少任何一个， 混凝土出现AAR 破坏的可能性就会大大减少。
清华大学、北京科技大学对凝石材料在水换洗浸泡条件下18d 的p H 值变化、凝石材料中的
主要氧化物析出情况等进行了实验， 结果见图1 。
图1 水洗条件下凝石材料p H 值变化情况
从图1 中看出： 凝石材料在换水浸泡条件下， 最初的p H 值略低于水泥(p H 值13.5) ，18d 后仍保持一定高的碱性水环境。在水浸泡条件下， 凝石中的主要氧化物析出情况见表6 ：
表6 凝石中的主要氧化物析出情况
上述实验表明： 凝石混凝土将保持较低的而又必要的可溶性碱水平， 因此出现AAR 破坏的可能性减少。但笔者认为： 和水泥一样， 当胶凝材料凝固后， 其化学组分将发生变化， 仅采用水合前的凝胶材料进行有关试验所得到的结论不甚充分， 宜采用终凝后的凝石人造石的研末进行实验研究。
3.3 盐碱性水环境分析
吉林省水利科学研究院采用终凝后的凝石人造石的研末进行了换洗水浸泡条件下的p H 值、电导率水平试验。
用PHS - 25C 微机酸度仪对凝石混凝土研末水浸泡液的p H 值进行检测， p H 值变化情况如图2 ：
图2 p H 值变化情况
实验结果表明： 凝石人造石研末水洗浸泡液的p H 值达到最高点的时间约180min ， 高于P.O 水泥的100min ， 曲线基本保持缓慢下降趋势。采用DDS - 11A 精密电导仪检测和比较凝石混凝土研末水浸泡液中的可溶性盐情况， 实验结果表明： 在各时段的凝石混凝土研末水浸泡液中， 其可溶性碱金属盐的含量低于各种常见水泥混凝土的含量见， 图3 。
图3 凝石混凝土与各种水泥混凝土电导率比较
为便于观察， 将各种水泥混凝土及凝石混凝土研末的22d 水浸泡液电导率的平均值进行比较(见图4) 。
图4 各种水泥混凝土与凝石混凝土电导率平均值比较
实验结果也表明： 凝石混凝土研末水浸泡液中的可溶性碱金属盐的平均含量明显低于各种水泥混凝土。
4 凝石混凝土技术在水利工程上的应用展望
凝石系采用废钢渣、火山灰、粉煤灰等作为原材料磨制而成， 不产生CO2 污染， 节省能源，符合可持续发展的基本要求。同时， 由于凝石材料已经表现出的良好性能， 无疑将在土木工程领域特别是水利工程中得到广泛的应用。
4.1 水工性能良好， 适合堤坝混凝土工程
用于水库大坝、防洪堤、渠系建筑物等水工建筑物的混凝土， 由于其施工应用、工作环境的特殊性， 往往要求有较高的耐久性、较少的水化热。而目前的初步实验结果， 已经显示出凝石混凝土具有较好的物理、力学性能， 抗冻融循环能力较好， 水化热较低， 渗透系数较小、产生AAR 破坏及硫酸盐破坏的可能性小等良好的水工性能， 有利于增加混凝土的耐久性， 适合于堤坝混凝土等水利工程。
4.2 降低工程造价， 尤其适合农田水利工程
在水利工程特别是农田水利工程中， 一般要求混凝土工程造价较低。由于凝石的生产工艺较传统水泥简单， 生产成本低， 据测算， 凝石混凝土的造价比传统水泥混凝土约减少10 %。
4.3 盐碱析出量低， 适合于绿化混凝土等生态
友好型混凝土根据对凝石混凝土研末水浸泡液中析出的可溶性盐碱进行检测的结果， 凝石混凝土空隙内水环境中的盐碱含量非常低， 用于制作绿化混凝土时， 对植物根系损害的可能性大大减少。但值得注意的是， 空隙内水环境中可转化利用的碱金属含量也不足， 在配制空隙填充料时应注意补充。
5 存在问题
目前对凝石混凝土应用技术缺乏系统性的研究结果， 很多应用特性尚有待在实验和实际工程中认识和把握。为此吉林省水利科学研究院已经计划同清华大学、通化蓝资科技有限公司等单位合作， 进一步开展凝石混凝土技术在水利工程中的各项应用技术研究， 为凝石混凝土技术在水利工程中的推广和应用提供可靠的科学依据。
The Glued Stone Concrete Technique and Its appl ication in the Hydraul ic Engineering in the future
DON GJ ian - wei ， WAN G- Hui
Abstract ： The paper int roduces the feat ure of t he glued stone concrete ， and consider s it has extensive applied prospect in water conservancy project ， specially hydraulic engineering concrete ， based on t he preliminary experiment result s.
Key words ： glued stone ； concrete ； experiment ； application
