凝石技術(shù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)
摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)，固體廢棄物高排放及其帶來(lái)的高消耗、高污染等問(wèn)題日益嚴(yán)峻，土地、能源、礦產(chǎn)等資源不足的矛盾愈加突出，并已成為阻礙循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素。凝石技術(shù)是依據(jù)大地成巖理論和自然界相容原理，以主體和配體的二元組分設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為核心，初步形成了新的硅鋁基膠凝材料的理論體系與技術(shù)體系。凝石技術(shù)為解決以上問(wèn)題，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了一條有效途徑。
關(guān)鍵詞：凝石技術(shù)，循環(huán)經(jīng)濟(jì)，硅鋁基膠凝材料，固體排放物
一、 凝石技術(shù)
1. 凝石的涵義
凝石技術(shù)是依據(jù)大地成巖理論和自然界相容原理，以主體和配體的二元組分設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為核心，初步形成的硅鋁基膠凝材料的理論體系與技術(shù)體系。凝石包括三個(gè)含義：凝石代表一套仿地成巖理論，凝石是凝結(jié)起來(lái)的石頭，具有與大自然相容的組分和堅(jiān)硬、耐久的類巖石性能，是對(duì)大地成巖仿真的實(shí)踐；凝石又代表一種社會(huì)經(jīng)濟(jì)的綠色循環(huán)，凝石可以全面利用固體排放物，可以清潔生產(chǎn)，可以制備凝石水泥，凝石節(jié)省資源、節(jié)約能源、保護(hù)生態(tài)，是資源-能源-環(huán)境-材料領(lǐng)域良性循環(huán)的載體；凝石還代表一代新的建筑膠凝材料文明，人類建筑文明經(jīng)歷了千年的石灰“三合土”時(shí)代、百年的水泥“混凝土”時(shí)代，即將迎來(lái)可持續(xù)發(fā)展的第三代建筑膠凝材料文明。
2. 硅鋁基膠凝體系建立的意義
鋁基膠凝材料的理論和技術(shù)體系是凝石技術(shù)的基礎(chǔ)。硅鋁基膠凝體系源于自然界客觀規(guī)律的啟示。按照地質(zhì)礦物學(xué)理論，地殼本身就是由以鋁硅酸鹽體系為主的礦物構(gòu)成的（見圖1-1）?？梢姡X硅質(zhì)礦物約占地殼總量的3/4，資源“遍地都有”，并且經(jīng)歷了數(shù)以億年計(jì)的耐久“考驗(yàn)”[1]?？梢?，“鋁硅酸鹽體系”意味著豐富的天然資源，類巖石物質(zhì)具有穩(wěn)定的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。
火山灰常溫常壓下成巖變化在熱力學(xué)上成立。地質(zhì)學(xué)認(rèn)為[2-3]，地殼上的巖石通過(guò)地質(zhì)作用在不停轉(zhuǎn)化之中，天然火山碎屑等物質(zhì)受到具有化學(xué)活性的成巖流體作用，在常溫、常壓條件下通過(guò)沉積、變質(zhì)過(guò)程，可轉(zhuǎn)變成長(zhǎng)期穩(wěn)定存在的鋁硅酸鹽巖石，如沸石巖、砂巖等。
事實(shí)上，來(lái)自工業(yè)生產(chǎn)的大量高溫工業(yè)固體排放物（如粉煤灰、水淬渣等），正是人類在自覺不自覺地進(jìn)行著火山成巖中“火山灰化”過(guò)程的物理模擬，制造了各種冠以“廢棄物”為名的人造“火山灰”！這些人造“火山灰”是已儲(chǔ)存了大量能量（潛能）的硅鋁基介穩(wěn)態(tài)物料，它們是研究發(fā)展硅鋁基膠凝體系的廉價(jià)主體原料。
圖1 凝石與地殼各元素對(duì)比
火山灰所形成巖石的巖性和物相與兩部分因素直接相關(guān)：其一，與火山灰自身的化學(xué)組成和物相有關(guān)；其二，與火山灰成巖所遇的成巖介質(zhì)條件（化學(xué)質(zhì)、水質(zhì)等）和環(huán)境條件（溫度、壓力等）有關(guān)。這一自然界規(guī)律為本研究所提出的“二元化”（主體和配體）匹配仿巖設(shè)計(jì)原則和硅鋁基膠凝材料二元清潔制備模式在技術(shù)思路上提供了啟示。
圖2 各物料鈣與硅鋁之比〔CaO/(SiO2+Al2O3)〕
圖3 凝石二元匹配－仿地成巖設(shè)計(jì)
圖4 高溫固體排放物凝石化過(guò)程示意圖
3、凝石技術(shù)現(xiàn)狀
凝石的物質(zhì)構(gòu)成是仿照天然巖石的化學(xué)構(gòu)成設(shè)計(jì)的。凝石是由主體及配體兩部分物料（二元）組成，要求兩者相配能在常溫條件下水化凝結(jié)成巖石。主體材料是選自具有高潛能非平衡態(tài)的非晶（微晶）化的物料（如粉煤灰、礦渣等）；配體材料的選用是根據(jù)巖石礦物化學(xué)組成，選擇能使主體物料潛能發(fā)揮并與之相容成巖的復(fù)合活化成巖流體，配體是對(duì)主體形成巖石所缺成分的補(bǔ)充。凝石二元化仿地設(shè)計(jì)（如圖3、圖4）使膠凝材料濕制備的清潔生產(chǎn)模式得以實(shí)現(xiàn)。
表1 凝石與水泥成分及水化硬化機(jī)理比較
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項(xiàng)目 |
凝石 |
水泥 |
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膠凝材料 |
主體：火山灰化物料９０％以上
配體：復(fù)合成巖流體５％以下 |
主體：水泥熟料６０％以上
摻合料：火山灰化物料４０％以下 |
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水化膠凝機(jī)理 |
成巖流體與火山灰物料形成化學(xué)鍵 |
膠凝物水化形成ＣＳＨ凝膠 |
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混凝土硬化機(jī)理 |
成巖物質(zhì)與砂石形成界面化學(xué)鍵合－ “焊接”作用 |
膠凝物ＣＳＨ凝膠與砂石形成物理“包裹”－氫鍵及范德華力作用 |
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養(yǎng)護(hù)條件 |
防止成巖流體流失 |
保持足夠水分水化 |
凝石具有固砂固土，耐腐蝕，高強(qiáng)等特點(diǎn)。凝石Ｂ與水泥材料強(qiáng)度性能比較的試驗(yàn)結(jié)果如圖7，可見凝石材料的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于52.5#普通水泥強(qiáng)度，凝石材料具有早強(qiáng)、高強(qiáng)及高的抗折強(qiáng)度等力學(xué)性能。凝石在酸、堿等侵蝕液中浸泡，隨著時(shí)間增加，凝石材料的強(qiáng)度反而出現(xiàn)不同程度的增長(zhǎng)（如圖8）。凝石硬化體還具有良好的抗凍融性能（如圖9）。
圖7 凝石Ｂ與水泥材料強(qiáng)度性能比較
圖8 凝石材料試件在侵蝕溶液中浸泡后強(qiáng)度與侵蝕時(shí)間的關(guān)系
圖9 凝石Ｂ抗凍融試驗(yàn)
凝石材料先后在礦山、軍事工程和抗洪搶險(xiǎn)等特殊領(lǐng)域的開展了工程應(yīng)用基礎(chǔ)研究。凝石初級(jí)產(chǎn)品在加拿大最大的鎳礦公司（INCO）進(jìn)行井下充填試驗(yàn)，已經(jīng)過(guò)6年的考驗(yàn)，如圖10（b）。在首鋼建成重載試驗(yàn)路段（10～50噸車通過(guò)頻率為3.5輛/分鐘），與同路段水泥混凝土對(duì)比，抗斷裂及抗磨情況優(yōu)于水泥混凝土，如圖10（c）。某鋼鐵集團(tuán)公司5000米2儲(chǔ)水池頂蓋結(jié)構(gòu)工程，自2004年7月開始建設(shè)，上面作為溜冰場(chǎng)已投入使用，各種指標(biāo)良好，現(xiàn)正在觀測(cè)當(dāng)中，如圖10（a）。對(duì)應(yīng)用凝石產(chǎn)品修建的廠房結(jié)構(gòu)、設(shè)備基礎(chǔ)和道路建設(shè)混凝土的監(jiān)測(cè)表明，28天強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)等級(jí)，90天強(qiáng)度為設(shè)計(jì)等級(jí)的1.5倍，目前強(qiáng)度仍在增長(zhǎng)。
凝石技術(shù)已進(jìn)入中試階段（如圖11）。藍(lán)博凝石材料有限公司年產(chǎn)30萬(wàn)噸凝石生產(chǎn)線已建成試生產(chǎn)，并已試產(chǎn)出8000噸建筑凝石和道路凝石成品；50萬(wàn)噸凝石生產(chǎn)線也正在緊張建設(shè)之中，年產(chǎn)5萬(wàn)噸特種凝石生產(chǎn)線已完成建設(shè)，即將進(jìn)入試生產(chǎn)階段。
30萬(wàn)噸凝石中試線 50萬(wàn)噸凝石生產(chǎn)線主體建筑
二、 凝石技術(shù)促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展
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行業(yè)名稱 |
2003年產(chǎn)量（億噸） |
增長(zhǎng)幅度（%） |
所處世界地位 |
資源、環(huán)境問(wèn)題 |
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水泥 |
8.62 |
18.90 |
超過(guò)世界總產(chǎn)量的50％，絕對(duì)世界第一 |
年排放近7億噸CO2，消耗約7億噸天然石灰石資源，粉塵排放超過(guò)工業(yè)粉塵排放總量的60％ |
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鋼鐵 |
2.22 |
21.92 |
鋼產(chǎn)量世界第一，
鐵礦石進(jìn)口量世界第一 |
冶金渣年排放量約1.5億噸 |
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原煤 |
16.67 |
15.00 |
煤炭消費(fèi)量世界第一 |
煤矸石積存34億噸，占地20萬(wàn)畝，排放量每年還以約2億噸[5]的速度增長(zhǎng)，煤礦開采造成的地表塌陷已超過(guò)600萬(wàn)畝，且每年以20萬(wàn)畝的速度增長(zhǎng)[6-7]
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電力 |
1910
(億千瓦時(shí)) |
15.52 |
發(fā)電總量世界第二 |
粉煤灰年排放量近2億噸，累計(jì)堆存量超過(guò)14億噸，占地60萬(wàn)畝以上， 綜合處理費(fèi)高達(dá)30 ~ 60億元 [8-10] |
凝石的生產(chǎn)具有接近于零的污染物排放。因此凝石生產(chǎn)技術(shù)的推廣一方面可以使水泥工業(yè)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、化工渣等固體排放物又是生產(chǎn)凝石的主體原材料。因此凝石技術(shù)的推廣對(duì)于減少水泥工業(yè)的污染排放，充分利用各類固體排放物具有劃時(shí)代的意義。
此外，由于凝石類膠凝材料超強(qiáng)的固土（可達(dá)同標(biāo)號(hào)水泥的3倍）固砂能力，是采礦工業(yè)中的地下充填的理想材料，由于比原有技術(shù)可大幅度降低成本和提高質(zhì)量，因此可使充填采礦技術(shù)快速推廣，從而抑制和根除地面塌陷所帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。
另一方面，凝石對(duì)各類尾礦具有超強(qiáng)的固結(jié)能力，當(dāng)采用凝石為膠凝材料時(shí)，用尾礦代替河砂配置各類混凝土，強(qiáng)度和安定性不但不降低，反而有所提高。因此凝石技術(shù)的推廣可以帶動(dòng)各類尾礦的大量利用，從而進(jìn)一步促進(jìn)環(huán)境生態(tài)的保護(hù)。
此外，由于凝石的超強(qiáng)固土、固砂能力可以使充填采礦技術(shù)低成本快速推廣。低成本充填采礦技術(shù)的推廣不但可以抑制地表塌陷，還能使許多“三下”（建筑物下、水體下、鐵路下）礦產(chǎn)資源的回采率提高50％以上，對(duì)我國(guó)的資源戰(zhàn)略的實(shí)施和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。
凝石技術(shù)要求上游產(chǎn)業(yè)的固體排放物排放過(guò)程也是凝石原材料的生產(chǎn)過(guò)程，進(jìn)行固體排放物形成過(guò)程改性，實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約和能量的梯級(jí)利用。因此，凝石將傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的“獨(dú)立”生產(chǎn)調(diào)整為各產(chǎn)業(yè)間具有有機(jī)聯(lián)系的生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈，將上一個(gè)產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)的排放物用于下一個(gè)產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)的原材料，徹底改變?cè)协h(huán)境問(wèn)題的末端治理方式，使各產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)間實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)。
此外凝石還有許多水泥所不具有的特殊性能，如耐酸、堿、鹽類侵蝕性，超長(zhǎng)的耐久性、特有的固土能力、超高強(qiáng)和速凝快硬等特征，將有助于解決許多工程難題，或使工程成本大幅度下降。因此，凝石技術(shù)的推廣應(yīng)用將取得數(shù)倍于直接經(jīng)濟(jì)效益的間接經(jīng)濟(jì)效益。
如利用凝石耐腐蝕、不溶出、抗凍融性等特征可以制備出使用壽命比現(xiàn)在長(zhǎng)幾倍的混凝土梁，用于超交通負(fù)荷的大城市立交橋的建設(shè)，由于大幅度降低了維修和重建的頻率，可給城市的建設(shè)和發(fā)展帶來(lái)極大間接效益。
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