凝石技术是具有我国自主知识产权的原创性新技术

凝石技术是具有我国自主知识产权的原创性新技术[2005-9-14]摘自：清华大学凝石技术国家863项目课题组最近，在中国建材报、中国水泥网、中国水泥杂志等媒体上有一些专家对于凝石技术进行了各种的评论和质疑，其中的一个焦点问题就是：凝石技术是不是一项新技术？凝石技术国家863项目课题组（以下简称本课题组）希望通过本文对凝石技术的一些关键问题所作的公开阐述来解答专家们的疑惑，从而希望凝石技术这一新生的幼苗能够在专家和领导们的关心与呵护下健康成长。一、凝石技术有原创性的科学思想作支持支持凝石技术的科学思想就是“仿地成岩的凝石理论”。正如有些专家所说，“凝石”不能笼统地说是“仿地成岩”。凝石技术仿地成岩的关键：一是“复杂成岩流体的多组份协同效应”，二是“固体废弃物的火山灰化改性”。复杂成岩流体的多组份协同效应可以使成岩流体对硅酸盐矿物颗粒的溶蚀作用能力提高数万倍至数百万倍。协同效应在化学反应与化工应用中实际上是一种常见的现象。例如，在典型的中学化学实验中用王水溶解金：金本来既不溶于硝酸也不溶于盐酸，却溶于硝酸与盐酸按一定比例配成的王水。已有的理论认为是由于Cl-对金离子的络合作用与硝酸对金的氧化作用协同作用的结果。在有机高分子以及生物合成领域甚至出现了“协同组合化学”的专门学科。凝石技术正是科学地利用了这种协同效应而开发出各种成岩剂，并与主体物料中的某些组份相配合，从而可利用各种经过高温过程的固体废弃物中已聚集的内能，在成岩流体的作用下形成的非晶或者微晶态的硅酸盐网络聚合体，并将各种硅酸盐颗粒“焊接”在一起形成类岩石结构。在仿地成岩的凝石理论中，除了上述两个关键问题之外，还包括对自然界成岩的4个方面的宏观规律的模仿。①组成仿地。把所制备的典型凝石样品的化学成份与地壳的组成进行对比（图1）可以发现其比例非常接近。因此，凝石的成份与大自然具有很好的相容性，但在实际生产和应用中允许实际产品和典型的凝石成份有一定的偏差。②过程仿地。即大自然中典型的砂砾岩的成岩过程是靠具有组份协同效应的成岩流体溶蚀了硅酸盐颗粒然后，再以次生加大或充填生长的方式把松散的堆积物“焊接”在一起，这时颗粒与颗粒之间以及颗粒与胶结物之间（由更小的颗粒组成）具有化学键结合的特征（如晶界化学键）。凝石的硬化过程就是靠成岩流体的多组份协同效应对废渣的微颗粒（以及砂子、石子）部分溶蚀后再“焊接”在一起。③结构仿地。在天然砂砾岩中，大的砾石与基质之间没有软弱界面（普通水泥混凝土存在富集Ca(OH)2和钙矾石的软弱界面），凝石混凝土中也没有软弱界面。应当进一步明确的是，现代高性能混凝土中的很多技术以及无熟料水泥技术、地质聚合物技术在长期的技术探索中也在某种程度上不自觉的实践着仿地成岩的思想。但凝石技术是在仿地成岩思想的指导下主动地进行的技术升华与发明创造。④功能仿地。自然界的硅铝基岩石（指坚硬的未风化岩石）一般都具有良好的耐久性、耐酸、碱、盐侵蚀性和耐热性。通过科学的材料设计所得到的凝石硬化体就具备上述特征。我们现在所进行的宏观规律仿地是进一步提高凝石性能和降低成本的发展方向，但并不意味着现在的技术都去生搬大自然的一切细节。凝石硬化体化学组成地壳元素分布图图1凝石化学成份与地壳化学成份的比较凝石技术的仿地成岩理论还初步提出了凝石材料设计的5项具体原则：①硅中心理论；②半破半立体系与准键规则；③复杂体系选择原则；④凝石体系的能量最小原则；⑤凝石体系的成岩“焊接”理论。这5项原则的主体内容本课题组已在863成果鉴定会上向与会专家进行过详细的报告，并得到了充分的认可。二、凝石技术在原创性科学思想的支持下具有独特的技术路线与技术关键有的专家说凝石技术的核心是成岩剂，其实并不那么简单。凝石技术的关键是要掌握好成岩流体的多组份协同效应和主体物料的叠加效应。并不能简单的认为成岩剂溶解于水后就变成了成岩流体。实际上成岩流体的主体部分并不仅是成岩剂的水溶液，而是溶解了主体物料的复杂流体。因此成岩剂与主体物料的配合才是关键。有些专家认为在我国已有的无熟料水泥研究中主要有碱激发剂和硫酸盐激发剂两类，二者也可以联合使用，从而推断凝石技术也不会超出这两类激发剂的范围，并引用了不知从何而来的凝石“成岩剂”的化学分析和XRD分析结果来佐证这一推断。在这里本课题组郑重地宣布，在凝石的成岩剂中没有使用任何碱，而是在模仿大自然成岩流体中盐类物质的多组份协同效应上下功夫。虽然在现有的无熟料水泥研究中，硫酸盐激发曾有众多报道，但是由于缺少仿地成岩思想的指导，一直没有把多组份协同效应提到应有的高度给予重视。实际上我们在成岩剂中所使用的一些组份以及有意识地利用主体物料中的一些组份是以前无熟料水泥研究中所没报道过的。要使多组份协同效应最大限度地发挥作用，组份之间的比例是更为重要的技术关键，即要符合比例匹配原则。在成岩剂选配和主体物料配合中活性的匹配也是至关重要的，某一种或几种物料的活性并非越高越好。即便是有人从一些渠道得到了某种成岩剂的样品并对此进行化学成份分析和XRD分析，然后就依据此结果说该项技术不是新技术也未免有失科学的严谨性。熟悉XRD技术的科技工作者都知道，当样品XRD谱线只显示一种晶相时其定量误差小于5％；当显示两种晶相时其定量误差大于10％；当显示三种晶相时定性分析都会有较大困难，定量分析几乎是不可信的；当有四种以上晶相时定性分析困难极大，定量分析变得毫无意义。而非晶态物质在XRD谱线中是没有显示的。在一些专家所拟文章中给出了据XRD分析所得到的四种物质（Ca(OH)2、CaSO4、Na2SO4和水玻璃），且不说这并不符合我们实际成岩剂的物相组成，即便是假定这四种物相我们成岩剂中都有，那么没有物相的定量分析怎么能断定成岩剂中再没有其它物质呢？是否认识到上述分析所不能检测到的物质组合也许正是组份协同效应的关键因素呢？总之随便拿一个不确定的分析结果（实际上这个分析结果与我们的成岩剂没有任何关系）就去否定一项新技术，是不客观的，不科学的。三、凝石技术是一个仿地成岩的系统技术体系在凝石工业生产中，其生产工艺的关键是“二元化”，这是在模仿自然界的碎屑沉积岩（特别是部分火山沉积岩）和浅变质岩的形成过程中，总是先形成松散的颗粒堆积，然后再由成岩流体在多组份盐的协同效应作用下将松散堆积物“焊接”成岩石。凝石技术采用的“二元化”工艺，是将主体物料和配体物料分别磨细后再进行混合。这种工艺可在以下几个方面起到调节性能和降低成本的作用：⑴避免主体物料与配体物料在研磨过程中发生超前的化学反应（特别是原位键合反应）；⑵有利于合理控制级配，降低生产成本。由于凝石成岩过程具有“焊接”的特点（传统水泥主要是由C-S-H凝胶将粗、细骨料包裹起来粘结到一起），因此需要颗粒级配尽可能趋向于最紧密堆积，从而可以避免在“焊接”过程中过多的出现“虚焊”。从节能的角度考虑，主体和配体物料的易磨性差异很大，采用“二元化”工艺可以避免“过粉磨”所导致的能源浪费和设备消耗。（3）有利于控制磨细过程中物料的“火山灰化”改性。凝石物料进行“火山灰化”改性是凝石技术的关键之一。“火山灰化”改性遵循“半破半立体系与准键规则”和“凝石体系的能量最小原理”，因此凝石物料的“火山灰化”改性不仅发生在研磨之前，研磨过程中机械化学力的作用也被认为是“火山灰化”改性的一部分。（4）有利于控制复杂体系选配的进程。（5）有利于控制凝石使用过程中的凝结时间、强度发展、热力学进程和体积变化过程。（6）有利于凝石的长时间储存。仿地成岩的指导思想不但贯穿凝石的设计、生产的每一个环节，也是凝石应用技术的重要指导思想。如在凝石混凝土的养护过程中避免成岩流体的流失，在混凝土配合比设计中可以在一定范围内放宽对土含量的限制（只要级配合理，成岩流体对大小颗粒都有同样的“焊接”作用，少量极细粒粘土还可能促进原位键合反应）。把凝石用于固土、固沙、固尾矿，就是把岩石的破坏产物在多组份成岩流体的协同作用下再还原成岩石。利用凝石中成岩流体的“焊接”作用、渗流性和可异地成岩的特点研制高性能岩土工程材料等。四、凝石技术在仿地成岩思想的指导下解决了“碱激发水泥”技术、“硫酸盐激发水泥”技术和“地质聚合物”技术中阻碍推广应用的一些难题。正如一些专家指出，碱激发胶凝材料“强度比较高，比较脆，韧性差；施工性能不太好，凝结快，不好控制；体积稳定性不太好，收缩比较大；还有性能稳定性也不好，波动性很大，受原材料影响比较大，不像水泥可以严格控制”，石膏矿渣水泥“表面起砂严重，大气稳定性差”，“石灰矿渣水泥强度低”。而地质聚合物技术由于要使用强碱性物料，其成本远远高于普通硅酸盐水泥。实际上目前国内外所报道的以强碱性物料作激发剂的水泥类胶凝材料都要受到成本制约而不能与普通硅酸盐水泥同台竞争。凝石技术既不是“碱激发水泥”技术也不是“地质聚合物”技术，因为凝石技术不使用高碱性的物料做为激发剂，这是技术特征上与前两项技术的本质区别。凝石技术是在仿地成岩思想的指导下，以“复杂成岩流体的多组分协同效应”和“固体废弃物的火山灰化改性”为核心的新技术。其本质是充分模仿了大自然成岩流体中盐类物质的多组分协同效应，正是由于凝石技术的这一本质特征，不但使凝石产品的性能与前两项技术相比具有明显的不同，还使其生产成本大幅度下降，从而可以发展成为一项能够大范围推广和应用的实用技术。目前本课题组所开发的凝石产品具有如下特点：（1）所有物理性能都能达到32.5、42.5和52.5普通硅酸盐水泥的标准；（2）配制混凝土时，同样水灰比的情况下其坍落度大于水泥混凝土；（3）坍落度经时损失小于水泥混凝土；（4）硬化收缩、干燥收缩、干燥强度下降率均小于水泥混凝土。（5）两年龄期强度跟踪结果表明，其强度缓慢增长；（6）同样抗压强度时其抗折强度和劈裂抗拉强度比水泥混凝土高20－30%。五、凝石技术的延伸有助于解决循环经济与可持续发展中的一些重大难题。（1）为从根本上减轻采矿工程对生态环境的破坏，缓解我国部分矿产的资源危机奠定了基础。国内外的大量实践都已证明，胶凝充填采矿法不但可以大幅度提高资源回采率，而且可完全避免地表塌陷，并且对维护地下水系统的生态平衡和避免重大安全事故均具有重要作用。但是，以水泥或其它传统的胶凝材料作为尾矿、煤矸石或粉煤灰等固废材料的胶凝剂，不但因成本太高而在大多数场合不具有经济性，而且由于不能早凝早强而影响采矿作业。而采用凝石作为胶凝材料用于全尾砂充填采矿不但可以取得同用量水泥时3－4倍的强度，并具有早强的特点。因此充填成本可以大幅度下降，并解决采矿作业中的难题。（2）有可能解决我国大中城市建筑用砂极度紧缺问题。采用凝石代替水泥，采用尾矿代替河砂制备混凝土，相同配比时凝石尾矿混凝土的强度是水泥尾矿混凝土的2倍左右（当水泥混凝土中的河砂全部被尾矿取代时，其强度要下降20－50%）。随着数据的积累和凝石技术的发展，凝石尾矿混凝土有可能用于各种建筑工程，因此有可能解决我国大中城市建筑用砂极度紧缺问题（许多大中城市的郊区或邻近市县都有大量尾矿堆存）。（3）将有助于解决禁用实心粘土砖问题。采用凝石制备干硬性混凝土制品，取得同样强度时凝石的用量仅有水泥的1/2，或同样用量时，凝石制品是水泥制品强度的2－3倍。半年多的跟踪检测未发现任何强度倒缩或变形开裂现象。因此，以凝石为胶凝材料，以各种废弃物（包括尾矿、粉煤灰）或任何传统砂石为骨料所制备的建筑砌块其生产成本可以大幅度下降，性能可以大幅度提高。随着这种砌块从非承重到承重的逐渐发展，将有助于解决禁用实心粘土砖问题。六、凝石技术作为有可能形成具有我国自主知识产权的原创性技术体系应该受到保护与支持科学技术发展到今天，任何一项技术都不可能完全脱离原有技术而凭空诞生，而是毫无例外地都要在吸取、改进、融合和提高若干相关技术的基础上进行创新而形成。而自主知识产权则是指改进、融合和提高后的创新部分。对于任何“原创性”技术，要求其相关的所有细节都是“原创”是不现实的。一般判断一项技术是否具有“原创性”，一是要看它是否有原创性思想作支撑，二要看它是否能够解决相关领域的技术经济难题。只有同时具备这两个特征才是真正的“原创性”技术。