凝石技術(shù)是具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)性新技術(shù)

（清華大學(xué)凝石技術(shù)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(shù)進(jìn)行了各種的評論和質(zhì)疑，其中的一個焦點問題就是：凝石技術(shù)是不是一項新技術(shù)？凝石技術(shù)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(shù)的一些關(guān)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(shù)這一新生的幼苗能夠在專家和領(lǐng)導(dǎo)們的關(guān)心與呵護(hù)下健康成長。

一、凝石技術(shù)有原創(chuàng)性的科學(xué)思想作支持

　　支持凝石技術(shù)的科學(xué)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(shù)仿地成巖的關(guān)鍵：一是“復(fù)雜成巖流體的多組份協(xié)同效應(yīng)”，二是“固體廢棄物的火山灰化改性”。復(fù)雜成巖流體的多組份協(xié)同效應(yīng)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(yīng)在化學(xué)反應(yīng)與化工應(yīng)用中實際上是一種常見的現(xiàn)象。例如，在典型的中學(xué)化學(xué)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(rèn)為是由于Cl-對金離子的絡(luò)合作用與硝酸對金的氧化作用協(xié)同作用的結(jié)果。在有機(jī)高分子以及生物合成領(lǐng)域甚至出現(xiàn)了“協(xié)同組合化學(xué)”的專門學(xué)科。凝石技術(shù)正是科學(xué)地利用了這種協(xié)同效應(yīng)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(nèi)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(luò)聚合體，并將各種硅酸鹽顆?！昂附印痹谝黄鹦纬深悗r石結(jié)構(gòu)。在仿地成巖的凝石理論中，除了上述兩個關(guān)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(xué)成份與地殼的組成進(jìn)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(chǎn)和應(yīng)用中允許實際產(chǎn)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(yīng)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(jié)物之間（由更小的顆粒組成）具有化學(xué)鍵結(jié)合的特征（如晶界化學(xué)鍵）。凝石的硬化過程就是靠成巖流體的多組份協(xié)同效應(yīng)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(jié)構(gòu)仿地。在天然砂礫巖中，大的礫石與基質(zhì)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(yīng)當(dāng)進(jìn)一步明確的是，現(xiàn)代高性能混凝土中的很多技術(shù)以及無熟料水泥技術(shù)、地質(zhì)聚合物技術(shù)在長期的技術(shù)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(shù)是在仿地成巖思想的指導(dǎo)下主動地進(jìn)行的技術(shù)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(fēng)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(xué)的材料設(shè)計所得到的凝石硬化體就具備上述特征。我們現(xiàn)在所進(jìn)行的宏觀規(guī)律仿地是進(jìn)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(shù)都去生搬大自然的一切細(xì)節(jié)。

凝石硬化體化學(xué)組成                             地殼元素分布圖

 圖1 凝石化學(xué)成份與地殼化學(xué)成份的比較

　　凝石技術(shù)的仿地成巖理論還初步提出了凝石材料設(shè)計的5項具體原則：①硅中心理論；②半破半立體系與準(zhǔn)鍵規(guī)則；③復(fù)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(nèi)容本課題組已在863成果鑒定會上向與會專家進(jìn)行過詳細(xì)的報告，并得到了充分的認(rèn)可。

二、 凝石技術(shù)在原創(chuàng)性科學(xué)思想的支持下具有獨特的技術(shù)路線與技術(shù)關(guān)鍵

　　有的專家說凝石技術(shù)的核心是成巖劑，其實并不那么簡單。凝石技術(shù)的關(guān)鍵是要掌握好成巖流體的多組份協(xié)同效應(yīng)和主體物料的疊加效應(yīng)。并不能簡單的認(rèn)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(fù)雜流體。因此成巖劑與主體物料的配合才是關(guān)鍵。

　　有些專家認(rèn)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(shù)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(xué)分析和XRD分析結(jié)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(zhì)的多組份協(xié)同效應(yīng)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(dǎo)，一直沒有把多組份協(xié)同效應(yīng)提到應(yīng)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(yīng)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(shù)關(guān)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(guān)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(jìn)行化學(xué)成份分析和XRD分析，然后就依據(jù)此結(jié)果說該項技術(shù)不是新技術(shù)也未免有失科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性。熟悉XRD技術(shù)的科技工作者都知道，當(dāng)樣品XRD譜線只顯示一種晶相時其定量誤差小于5％；當(dāng)顯示兩種晶相時其定量誤差大于10％；當(dāng)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(dāng)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(zhì)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(zhì)（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(zhì)呢？是否認(rèn)識到上述分析所不能檢測到的物質(zhì)組合也許正是組份協(xié)同效應(yīng)的關(guān)鍵因素呢？

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

三、  凝石技術(shù)是一個仿地成巖的系統(tǒng)技術(shù)體系

　　在凝石工業(yè)生產(chǎn)中，其生產(chǎn)工藝的關(guān)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(zhì)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(yīng)作用下將松散堆積物“焊接”成巖石。凝石技術(shù)采用的“二元化”工藝，是將主體物料和配體物料分別磨細(xì)后再進(jìn)行混合。這種工藝可在以下幾個方面起到調(diào)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(xué)反應(yīng)（特別是原位鍵合反應(yīng)）；⑵有利于合理控制級配，降低生產(chǎn)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(xì)骨料包裹起來粘結(jié)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(dǎo)致的能源浪費(fèi)和設(shè)備消耗。（3）有利于控制磨細(xì)過程中物料的“火山灰化”改性。凝石物料進(jìn)行“火山灰化”改性是凝石技術(shù)的關(guān)鍵之一?！盎鹕交一备男宰裱鞍肫瓢肓Ⅲw系與準(zhǔn)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(jī)械化學(xué)力的作用也被認(rèn)為是“火山灰化”改性的一部分。（4）有利于控制復(fù)雜體系選配的進(jìn)程。（5）有利于控制凝石使用過程中的凝結(jié)時間、強(qiáng)度發(fā)展、熱力學(xué)進(jìn)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(dǎo)思想不但貫穿凝石的設(shè)計、生產(chǎn)的每一個環(huán)節(jié)，也是凝石應(yīng)用技術(shù)的重要指導(dǎo)思想。如在凝石混凝土的養(yǎng)護(hù)過程中避免成巖流體的流失，在混凝土配合比設(shè)計中可以在一定范圍內(nèi)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(xì)粒粘土還可能促進(jìn)原位鍵合反應(yīng)）。把凝石用于固土、固沙、固尾礦，就是把巖石的破壞產(chǎn)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(shù)在仿地成巖思想的指導(dǎo)下解決了“堿激發(fā)水泥”技術(shù)、“硫酸鹽激發(fā)水泥”技術(shù)和“地質(zhì)聚合物”技術(shù)中阻礙推廣應(yīng)用的一些難題。

　　正如一些專家指出，堿激發(fā)膠凝材料“強(qiáng)度比較高，比較脆，韌性差；施工性能不太好，凝結(jié)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(yán)格控制”，石膏礦渣水泥“表面起砂嚴(yán)重，大氣穩(wěn)定性差”，“石灰礦渣水泥強(qiáng)度低”。而地質(zhì)聚合物技術(shù)由于要使用強(qiáng)堿性物料，其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通硅酸鹽水泥。實際上目前國內(nèi)外所報道的以強(qiáng)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(shù)既不是“堿激發(fā)水泥”技術(shù)也不是“地質(zhì)聚合物”技術(shù)，因為凝石技術(shù)不使用高堿性的物料做為激發(fā)劑，這是技術(shù)特征上與前兩項技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別。凝石技術(shù)是在仿地成巖思想的指導(dǎo)下，以“復(fù)雜成巖流體的多組分協(xié)同效應(yīng)”和“固體廢棄物的火山灰化改性”為核心的新技術(shù)。其本質(zhì)是充分模仿了大自然成巖流體中鹽類物質(zhì)的多組分協(xié)同效應(yīng)，正是由于凝石技術(shù)的這一本質(zhì)特征，不但使凝石產(chǎn)品的性能與前兩項技術(shù)相比具有明顯的不同，還使其生產(chǎn)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(yīng)用的實用技術(shù)。

　　目前本課題組所開發(fā)的凝石產(chǎn)品具有如下特點：

（1）所有物理性能都能達(dá)到32.5、42.5和52.5普通硅酸鹽水泥的標(biāo)準(zhǔn)；（2）配制混凝土?xí)r，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(qiáng)度下降率均小于水泥混凝土。（5）兩年齡期強(qiáng)度跟蹤結(jié)果表明，其強(qiáng)度緩慢增長；（6）同樣抗壓強(qiáng)度時其抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度比水泥混凝土高20－30%。

五、凝石技術(shù)的延伸有助于解決循環(huán)經(jīng)濟(jì)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(chǎn)的資源危機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

國內(nèi)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(hù)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(jì)性，而且由于不能早凝早強(qiáng)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(qiáng)度，并具有早強(qiáng)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(qiáng)度是水泥尾礦混凝土的2倍左右（當(dāng)水泥混凝土中的河砂全部被尾礦取代時，其強(qiáng)度要下降20－50%）。隨著數(shù)據(jù)的積累和凝石技術(shù)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(qiáng)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(qiáng)度的2－3倍。半年多的跟蹤檢測未發(fā)現(xiàn)任何強(qiáng)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(chǎn)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(shù)作為有可能形成具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)性技術(shù)體系應(yīng)該受到保護(hù)與支持

　　科學(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，任何一項技術(shù)都不可能完全脫離原有技術(shù)而憑空誕生，而是毫無例外地都要在吸取、改進(jìn)、融合和提高若干相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新而形成。而自主知識產(chǎn)權(quán)則是指改進(jìn)、融合和提高后的創(chuàng)新部分。對于任何“原創(chuàng)性”技術(shù)，要求其相關(guān)的所有細(xì)節(jié)都是“原創(chuàng)”是不現(xiàn)實的。一般判斷一項技術(shù)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(guān)領(lǐng)域的技術(shù)經(jīng)濟(jì)難題。只有同時具備這兩個特征才是真正的“原創(chuàng)性”技術(shù)。

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

　　凝石技術(shù)的主體內(nèi)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(shù)緊密相關(guān)的專利還有6項，其中一項已獲授權(quán)，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(shù)完全可以形成具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)性技術(shù)體系。