凝石，就地取材变废为宝的技术

水泥 2006-06-29

　　黄河泥沙有望“凝结为石”

　　山东省聊城市副市长刘玉兰介绍，聊城境内每年向白洋淀和天津送黄河水12亿立方米，送水以前必须将沙子沉淀，每天因此留下的沙子一米宽、三米高、10公里长。沙子是聊城一大头疼问题。黄河泥沙非常细，做砖很不经济，不做成其他东西是危害，沙子扬起来，用老百姓的话说，揭不开锅，睁不开眼，推不开门。

　　令刘玉兰等欣慰的是，困扰我国上千年之久的黄河沙患问题有望得到变废为宝式的彻底解决。6月16日，清华大学国土资源研究中心在京宣布：凝石原料采集技术研发取得了突破性进展：地球上最丰富的硅铝质物料，包括固体废弃物、随处可见的泥沙均可成为凝石的原材料，并使它们像岩石一样坚硬，可取代混凝土。而传统的水泥主要原料是石灰石，不是处处都能取得，还需高温锻烧。这意味着：黄河河床上淤积的泥沙经过适当的处理即可生产出优质的凝石产品。这项突破在中国胶凝材料发展史上具有划时代的意义。目前，该项技术解决了大规模产业化生产运作的关键核心难题，由该中心主导的企业在山东和河南设立了分公司，立志于把黄河淤泥变废为宝。

　　据了解，凝石研究先后获得了国家863计划、教育部973预研项目、国家自然基金、发改委中小企业基金的有力支持。清华大学与蓝资集团强强联合，建立了清华——蓝资凝石联合实验室，大大促进了凝石技术研发。2005年8月12日，在教育部组成的国家863计划项目成果鉴定会上，全体专家一致认为：该项目创建了具有自主知识产权的微晶二元胶凝材料（凝石）清洁生产技术体系，开辟了仿地成岩制备胶凝材料的国际前沿性科学研究新领域，整体上达到国际领先水平。

　　随着凝石技术研究水平的提升，其原料实现了从矿石残渣到沙土的拓展。如今，粉煤灰、煤矸石、尾矿、赤泥、钢渣、高炉渣、黄河泥沙、建筑垃圾、城市生活垃圾焚烧后的炉渣与飞灰、城市水体清淤污泥、废陶瓷、废玻璃以及一切以煤或油叶岩为燃料的炉渣等都可以作为凝石生产的原材料。这不仅降低了整体的生产成本，对从根本上解决困绕着一些的地方的沙患问题同样有着极大的社会意义。

　　黄河是中国沙患问题最突出的问题。其每年向中下游排沙达16亿吨，相当于堆成1米见方的土堤绕地球27圈。每年淤积在下游河床中的泥沙有4亿吨，使黄河成为高出地面十余米的悬河。泥沙和暴雨洪水造成黄河下游河床善淤、善决、善徙，然而随着凝石原料采集技术的突破，黄河河床上淤积的泥沙经过适当的处理即可生产出优质的凝石产品,可发挥出这一新技术在解决黄河沙患问题中的积极作用。

　　凝石技术基本原理——仿地成岩

　　凝石作为新兴技术，又曾因某些媒体的不当宣传，一度受到质疑。

　　其实，凝石从基础研究到产业化应用前要经过七大关口：基础研究——配比分析——样品性能研究——小试生产研究——凝石混凝土性能研究——中试生产研究——凝石产品中试应用研究。最后，凝石技术才被允许大规模产业化发展。这是一个完善的从基础研究到产业化推广的闭路循环系统发展体系，确保了整个产业化应用过程的严谨性和可靠性。

　　清华大学国土资源研究中心孙恒虎教授解释，凝石技术的基本原理就是仿地成岩。大自然具有“完美性、规律性和简单性”。自然界的奥秘一直是人类探索各种科学技术原理及取得各项重大发明的本源。对大地成岩的模拟即称为“仿地”。仿地成岩的凝石技术主要体现在下列四个方面：

　　一是组成仿地。地壳本身就是由以铝硅酸盐体系为主的矿物构成的岩石体系，而来自工业生产排放的固体废弃物大多属于硅铝质物料。凝石技术的组成仿地正是选择了在地壳中广泛分布的铝硅酸盐矿物作为胶凝材料设计目标，从而实现对大宗固体废弃物的全面利用。

　　二是过程仿地。火山灰形成岩石的过程可分为“火山灰化”和“岩石化”两个过程。相比之下，来自工业生产的大量熔渣就如同高温岩浆。也就是说人类在不自觉地进行着大自然成岩的“火山灰化过程”模拟活动，制造了各种冠以“废弃物”为名的人造“火山灰”！这些已储存了大量潜能的人造“火山灰”正是凝石生产的廉价原料。

　　地质岩相与成岩条件关系告诉我们，在常温常压的条件下，地质作用能够形成岩石。大自然火山灰沉积岩和天然砾岩成岩的事实说明自然界在常温常压下可以形成岩石，其成岩过程既可在数年以上，也可短短数年以内完成。

　　2006年3月，孙教授带队对印尼七大火山进行了系统考察。阿贡火山于1963年喷发，火山灰在海水和雨水常常浸泡的地方已经变成坚硬的石头，在不能经常浸泡的地方仍然保持松散。可见，在常温、常压条件下火山灰成岩的客观事实毋庸置疑。

　　三是结构仿地。结构仿地包括微观结构仿地和宏观结构仿地。从胶凝材料与石子的界面结合上看，凝石混凝土界面结合紧密，具有与砾岩相似的微观结构。从形貌上看，天然砾岩就是自然界中存在的“天然混凝土”，它与现代建筑中所用水泥混凝土具有非常相似的宏观结构。

　　四是性能仿地。以火山灰为主要胶凝原料的古罗马建筑物历经了2000多年的风吹日晒依然保持完好，其耐久性令人震惊！研究证实，古罗马建筑物的胶凝材料中出现了大量沸石相。古代混凝土的岩石化赋予古建筑物的千年耐久性。这一事实为我们能够成功地进行大地成岩的仿真提供了佐证。

　　凝石技术的核心是成岩剂。成岩剂是怎样把矿渣、泥沙等胶凝在一起的呢？在自然界，土壤、沙石一般需要几十年甚至几百年才能形成岩石，加上成岩剂，为何在短短的几天内就能形成混凝土，达到人们所需要的强度呢？孙教授举了一个例子，单纯的硝酸或浓硫酸都不能腐蚀金，但以一比三的比例制成“王水”，就能将金溶解。这就是一种协同效应。成岩剂就是将多组分的盐按一定比例配好，发挥其复合协同效应，大大缩短胶凝时间。

　　孙恒虎教授将凝石技术的特点归纳为：“一个中心、两个效应”：即硅中心稳定规律，包括硅的四配位同构效应和成岩流体复合协同效应；创建了具有自主知识产权的凝石二元化技术体系、产业化体系和标准体系。

　　为循环经济助力

　　科技部火炬办原主任王瑞明说，我们国家每年消耗的水泥大约是10亿吨，这10亿吨消耗了大量的能源，污染了我们的环境，如果用凝石的话，能源消耗就要降低30%~40%，相当的可观呀，还能够净化环境，因为凝石技术本身吃废弃物，我们国家每年的固体废弃物大约接近11亿吨，如果凝石技术把11亿吨废弃物消灭掉的话，为我们国家净化环境提供了很好的条件。所以凝石应该是一个既节能又环保的项目。同时，有利于建立循环经济，这个企业的产品、废弃的东西，下个企业能够继续用起来，进行产业链产业集聚，这是符合“十一五”发展整体规划的。

　　同时，凝石又是我国具有自主知识产权的技术，对于解决当前的能源危机，促进社会与自然的和谐发展将发挥着巨大的作用。王瑞明说，如果不发展自主创新，我们就没法发展了，我们发展前进的步伐就会受到制约。这么好的项目我们为什么不去大力支持呢？我也听到一些说法，说水泥用了200多年，这个产业给多少多少人提供了就业机会。凝石技术会不会对水泥行业产生冲击呢？我认为这与凝石技术的发展并不矛盾，凝石技术可以对传统的水泥行业进行技术改造创新，并不牵扯到失业或者把这个产业冲掉的问题。

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