凝石材料：原理与意义

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在资源匮乏、能源短缺、环境问题日益严重的现代社会，人类对于可持续发展的需求日趋迫切，也对传统工业生产提出了更高的要求。传统基础产业在为人类文明做出巨大贡献的同时，也引起了资源、能源以及环境等一系列问题，严重制约21世纪我国经济可持续发展。而以架状结构铝硅酸盐矿物为主体的地壳，已拥有约46 亿年“年龄”，从地质学角度来看，以亿年为单位存在的地壳是广义上的“铝硅酸盐体系”，是地球上性能最为稳定，资源最为丰富的物质系统。铝硅酸盐体系地壳的组成和大量工、矿业固体排放物给在人类文明的历史长河中扮演着重要角色的胶凝材料，尤其是高钙体系水泥所面临的资源短缺、能源短缺以及寿命问题以启示——仿地成岩建立硅铝基胶凝体系。

硅铝基胶凝体系的内容

500年前Leonardo da Vinci预言“也许人类永远不可能超过自然界的设计”。Thompson 认为在21 世纪前夕，人们正在一步步地趋近于研制出像自然界那样具备更为新奇特征的材料。师昌绪院士曾提出开发基于地球丰富资源的材料体系。我国资深院士吴中伟提出：水泥工业的发展必须考虑环境，尤其是温室气体关系到全人类的生存环境。必须限制水泥产量，降低消耗，以提高产品质量以及应用功效来满足需求。甚至对问世180 年的波特兰水泥加以根本性的变革。建立硅铝基胶凝体系正是这些思想的一个尝试。硅铝基胶凝体系是基于地壳丰富资源，以仿地成岩理论为指导、以硅铝基胶凝体系的内容。

2003年我国几大基础产业发展情况材料仿地设计为手段所建立的胶凝材料体系。硅铝基胶凝体系通过对固体排放物的优化配置来解决传统基础行业的资源危机、能源短缺以及环境污染问题。铝硅基胶凝体系的建立历经了高水速凝充填材料、高浓度胶结充填材料及其全砂土固结材料三个阶段。又经过多年的努力已取得了令人振奋的进展，实验室研制出硅铝基胶凝体系的典型代表—凝石A，其性能优于现有的52.5普通水泥，并具有普通水泥所不具有的固土、固砂特性和耐久性。凝石的形成是火山成岩过程的仿真。根据火山灰成岩原理，以循环经济思想为指导，运用地球化学、岩石矿物学理论、分子设计理论以及材料仿地设计原则等手段，对工业固体排放物进行匹配设计，所获得的能够在常温常压下聚合成类天然岩石的生态胶凝材料称为凝石。

科学依据

大自然的“完美性、规律性、简单性”给人以很大的启发，人类已经开始模仿自然。仿生学的出现为人类做出巨大的贡献。但仿地成岩思想在国内外尚未有人提出，其原因可能是在人们的意识中认为大地成岩的过程极其漫长，仿地为人类所不可企及的。岩石形成温度和压力条件消除了人们对常温常压下成岩的顾虑，为建立仿地成岩硅铝基胶凝体系提供了科学理论依据，同时表明了常温常压下生成沸石矿物的可行性。

天然沸石是地壳岩石圈上部广泛分布、并稳定存在的架状铝硅酸盐岩体矿物，它的来源主要是由火山灰类物质在低温、低压条件下通过沉积变质作用而成。火山灰形成沸石的过程经历了“火山灰化”和“岩石化”两个过程。而高温固体排放物正是“火山灰化”的过程模拟，说明人类已经自觉不自觉地模拟了火山成岩过程，即模拟了“火山灰化”过程。依据地质矿物学理论，火山灰成岩过程、成岩时间及所成岩石岩性是一个既与火山灰自身化学组成和物相有关、又与所遇成岩反应环境和介质条件有关的漫长过程。例如，玻璃质火山灰在弱碱的条件下，百万年内不发生变化，而在偏碱性条件下，则几万年就发生变化。由此分析可得出以下结论：

铝硅酸盐体系的矿物是地球上最丰富的资源，架状结构是地壳中最主要的具有长期稳定性的岩石矿物结构。

天然火山灰在低温、低压条件下可转变成各种长期稳定存在的铝硅酸盐架状结构的矿物－沸石。这一客观事实证明火山灰成岩变化在热力学上是成立的。

火山灰成岩的过程通常是有条件的、漫长的。胶凝材料的起源可以追溯到公元前2000-3000 古罗马和古希腊使用的石灰—砂浆，整个胶凝材料的发展历程及其经典建筑物代表，古罗马著名的万神殿、竞技场等古建筑已经过了2000 多年的雨淋日晒仍保持整体完好，其耐久性令人震惊！在对埃及的赫奥浦斯、赫斯林、切其和斯聂福金字塔的研究发现，古代水泥混凝土中胶凝物质中除了含有和现代水泥相似的C-S-H 凝胶，还含有40％左右的方沸石。研究结论为：在相同条件下含有不确定数量C-S-H 凝胶的古代建筑的长期耐久性，是因为古建筑物中特有的碱金属铝硅酸盐—沸石相赋予古代水泥混凝土的千年耐久性。

地壳物质的循环运动是自然界最重要的物质循环之一。地壳物质在其自身不断循环和转化的同时， 与地球内部和地球外部也在不断进行物质交换与能量转化。陈忠等人曾对粘土矿物碱耗效应进行研究。研究表明，三类粘土矿物都有一定程度的绝对碱耗量，其中蒙脱石碱耗量最大。碱耗机理以离子交换和二价离子生产沉淀反应为主，造成碱耗量增大。粘土矿物碱耗效应研究给我们启示：传统高钙体系水泥， 碱含量很高，尤其是Ca(OH)2 含量， 当建筑物和土壤接触后，不同类型的粘土就开始与建筑物发生反应， 消耗水泥基结构物内部的Ca(OH)2， 当碱度低于维持水泥水化产物稳定所需的碱度时，水泥水化产物开始分解来维持其碱度，随着Ca(OH)2的不断消耗，水泥基材料的水化产物开始变成无胶凝性能的物质，建筑物的耐久性遭到破坏。

火山灰、沸石、土壤和岩石圈中氧化物的含量基本相似，而水泥的氧化钙含量则高达60% 以上，碱含量则低于0.6%。因此，古建筑高耐久性的原因在于高硅铝和高碱，而不是象现代水泥所要求的高钙和低碱，这与上述天然沸石的特性是完全吻合的。

水泥水化产物开始硅铝基胶凝体系的建立使铝硅质固体废弃物变成资源，成为硅铝基胶凝体系不可或缺的原料，拓展了可使用资源的范围。铝硅质原料在硅铝基胶凝体系整个物质材料流形成闭路材料流，废弃的建筑物成又变成硅铝基胶凝体系的原料。因此，铝硅质固体排放物应属于可持续资源。

硅铝基胶凝体系的建立开辟了材料仿地设计新领域。材料仿地设计是在基本满足地壳组成丰度和岩石矿物结构组成的前提下，以循环经济理念为指导，根据火山灰成岩原理、地球化学理论及岩石矿物学理论，遵循相容性原理以及配位规则，运用分子设计理论和材料设计原则，对工业固体废弃物进行匹配设计，以获得能够在常温常压下聚合而成类天然岩石为目标的材料设计方法。硅铝基胶凝体系的建立拓展了材料设计的新领域——材料仿地设计。

硅铝基胶凝体系的建立是实现国民经济可持续发展的有效途径， 主要体现在以下几方面：

资源 资源的短缺应该是原生资源的短缺，如矿产资源、土地资源等，因为这些资源的形成需要非常漫长的过程。根据物质守恒定律，资源并没有短缺，它只不过从一种形式转化为另一种形式，存在形态发生改变，状态不同而已。根据地壳中氧化物的丰度，地壳中丰度最大的是硅的氧化物和铝的氧化物，占整个地壳的75% 左右。建立硅铝基胶凝体系，将有更多的资源建立硅铝基胶凝材料的意义可供选择，可解决目前资源相对短缺问题。

环境 硅铝基胶凝体系是以固体排放物为资源，对其进行无害化、资源化、环境化以及高附加值的处理， 可在很大程度上解决固体排放物的环境问题，同时“解放”出大量的土地。

另外，硅铝基胶凝体系解决了高钙胶凝体系排放大量温室气体CO2 问题，硅铝质材料的分解放出H2O而不会放出CO2，这将为解决长期困扰传统高钙水泥清洁生产模式问题开辟先河。

能源 我国虽是煤炭大国，但是世界7大煤炭大国中其余6国的储采比都在210 年以上，只有中国的储采比不足百年。原煤能源的短缺首先将影响到以煤为主要能源的水泥、钢铁、电解铝等行业。而高温工业固体废弃物是已储存了大量能量的介稳态“人造火山灰”。综合利用这些固体废弃物的过程也是使其“潜能”逐渐释放和有效利用的过程。

耐久性 以能耗而言,要把熟料热耗从700kcal/kg(约3000kJ/kg) 再往下降, 难度很大。改变矿物组成(如降低C3S 含量,增加C2S 含量)最多也只能减少15% 左右热耗和CO2 排放量,而同时要设法补偿C3S 的早强特性,并非易事。相比之下若能延长混凝土建筑物的寿命,譬如提高1 倍,则相应地资源、能源、资金和对环境污染的影响就减少一半。若能将寿命提高5-6倍,则获益也将成倍增长。硅铝基胶凝体系的建立将解决水泥基材料耐久性问题。

作者介绍：孙恒虎 清华大学国土矿产资源研究中心主任。 现任清华大学和中国矿业大学教授， 博士生导师，首届“长江学者奖励计划”特聘教授。曾任国家教委第三届科学技术委员会委员。1996～1998年兼任加拿大Sungeric InternationalInc.总工程师，1999～2000年兼任加拿大国际镍业集团技术顾问，2001 年开始兼任加拿大Penguin ASI 公司总工程师。

△ 发明了高水速凝材料、全砂土固结材料、高强喷射混凝土等，形成了新型充填胶凝材料合成、水化、硬化、稳定及分子热能转换的理论体系；建立了用非晶材料为主体的充填胶凝理论体系。

△ 发明了“矿山全尾砂充填采矿新工艺”，创立了高水固结充填理论与工艺模式。

△ 建立了层状岩层载荷新的分割理论及力学模型，导出了力学计算公式，使支护参数确定由过去的经验模式变为理论化、定量化计算。

△ 建立了似膏体充填理论及工艺技术体系，构建了似膏体充填料浆的流变模型， 揭示了料浆流变特性和管输相变机理，形成了似膏体充填过程“四目标、五参数、六因素”的充填优化理论体系。提出了膏体充填料浆管输“射流汽蚀”破坏理论体系。

△ 发明了硅铝基胶凝材料—“凝石”。国家级、省级科技成果奖7项，国家发明专利3 项，PCT国际专利2 项，曾荣获“杰出青年科学基金”、“跨世纪优秀人才基金”、“中国青年科技奖”、“茅以升青年科技奖”、国家“中青年有突出贡献专家”等。