2.5　凝石研究状况及其技术原理

2.5.1　凝石研究状况

凝石的概念是清华大学孙恒虎教授于1998年提出的，意思是指硅铝体系的废渣经过一定的配合与加工，在不加入水泥等传统的胶凝物质的前提下，通过一定的化学反应能凝结成坚硬的石头[78-79]。自凝石的概念被提出之后，我国许多学者都对其产生了浓厚的兴趣，并进行了广泛的交流和讨论。这一概念发展到现在其内涵更加明确，更加科学化。目前一般被接受的凝石定义是：凝石是以地学理论为基础，以循环经济思想为指导，利用地壳上最丰富的硅铝质物料（包括固体废弃物，其用量可达95%以上）为主要原料配以少量的由多种矿物复合成的成岩剂，模仿大地造岩过程，采用微晶二元清洁制备技术制备而成的硅铝基胶凝材料。凝石生产的主要原料是粉煤灰、自燃过的煤矸石、赤泥、钢渣、高炉渣、废砖、废玻璃以及一切以煤或油页岩为燃料的炉渣。

凝石技术是依据大地成岩理论和自然界相容原理，以主体和配体的二元组分设计和结构设计为核心，初步形成的硅铝基胶凝材料的理论体系与技术体系。凝石包括3个含义[80]：凝石代表一套仿地成岩理论，凝石是凝结起来的石头，是对大地成岩仿真的实践；凝石属于仿地成岩的硅铝基胶凝体系，具有与大自然相容的组分和坚硬、耐久的类岩石性能；凝石又代表一种社会经济的绿色循环，凝石可以全面利用固体排放物，凝石制备采用清洁生产；凝石节省资源、节约能源、保护生态，是资源-能源-环境-材料领域良性循环的载体；凝石还代表一代新的胶凝材料文明。

2.5.2　凝石技术的原理

1.砂砾岩的成岩作用

自然界形成的天然沙砾岩石其宏观结构与现代混凝土非常相似，其微观结构却是大小的砾石、沙砾与细粒硅酸盐矿物牢固的“焊接”在一起，之间依靠Si-O共价键和晶界化学键结合。而水泥混凝土是由C-S-H凝胶包裹砂子、石子后靠C-S-H凝胶“黏结”在一起，其中的作用力主要是范德华力。

2.成岩流体的科学依据

凝石的研究者们认识到成岩流体中各种成分的协同效应。这种协同效应能使成岩流体对硅酸盐矿物颗粒的侵蚀作用能力提高数万倍至数百万倍。凝石技术正是科学地利用了这种协同效应开发出各种成岩剂，从而实现把各种硅酸盐类固体废弃物转变成生产凝石的主要原料。

3.火山沉积岩的成岩作用

高温硅酸盐熔浆在火山喷发的作用下在大气中急冷成以玻璃相主要成分的火山灰。凝石技术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类沸石相的非晶或微晶态的硅酸盐网络聚合体，将各种硅酸盐颗粒“焊接”在一起[81]。

2.5.3　凝石原理与水泥原理的比较

水泥理论的核心是依靠硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）和铁铝酸四钙（C4FA）等极易在水中水化的高钙矿物在水中发生水化形成C-S-H凝胶及较高结晶态的水化矿物。其中以C-S-H凝胶起主要的胶凝作用。C-S-H凝胶是众多低结晶度的水化硅酸钙矿物的混合体。这些矿物单体不但具有很低的结晶度，而且有极小的晶体尺寸，多在胶体尺寸范围内，这种极小尺寸极低结晶度晶体组成的C-S-H凝胶具有很高的表面能，对各类无机颗粒都具有很强的“黏结”能力。普通的水泥混凝土正是依靠这种“黏结”能力将砂子和石子“黏结”在一起。这种“黏结”一般被认为是范德华力在起作用，但较高强度的“黏结”需要在每一个被黏结的颗粒周围都形成一定厚度的包裹层。如果包裹层不完整就会使黏结体的强度大幅度下降。因此当以水泥为胶凝材料制备混凝土时，往往对沙石的含土量限制的非常严格，因为黏土具有非常大的表面积，需要大量的C-S-H凝胶进行包裹。因此使用水泥去固结黏土处理各种地基基础时效果不好。

此外由于水泥是高钙体系，其水化后还形成大量的Ca（OH）2，造成混凝土在水体中溶出，耐酸、碱、盐性能差和易吸收CO2而发生体积变化等不良性能，从而导致一般水泥混凝土的寿命只有50～100a。

凝石是富硅铝而贫钙的胶凝材料，其硬化机理是靠成岩流体对硅酸盐（固体废弃物）颗粒的溶解——再聚合，并将其他硅酸盐颗粒“焊接”在一起，其结合的化学力是共价键，因此凝石不但具有很高的强度，还具有不溶出、耐酸、耐碱、耐盐、体积稳定性好等特点。由于“焊接”的特点，少量的凝石就可以把集配良好的各类细粒硅酸盐矿物（如黏土、黄土、尾矿等）结合成高强度的整体，并具有良好的耐久性。