汪瀾：“凝石”很快取代傳統(tǒng)水泥是沒有科學依據的

    9月5日有關媒體采訪了中國建筑材料科學研究院教授、博士生導師汪瀾先生。

    記者問：你對傳統(tǒng)水泥工業(yè)的發(fā)展前景有何評價？水泥混凝土是否很快會被“凝石”所取代？

    汪瀾教授答：傳統(tǒng)水泥工業(yè)的發(fā)展已有近200年的歷史。這期間水泥生產技術有了長足的進步。表現為水泥質量的改善、生產能耗的降低、污染排放的減小、勞動生產率提高及經濟效益的增長等。與此同時，世界范圍內的水泥生產一直處于高速增長。我國1984年水泥產量約為1億噸，2004年水泥產量達到9.7億噸；美國1984年水泥產量為6千萬噸，而2004年水泥產量則達到9千萬噸，并且還從中國等國家進口水泥約1千萬噸。由于水泥生產技術的不斷進步及水泥作為大宗建筑材料在社會經濟發(fā)展中有著不可替代的作用，傳統(tǒng)水泥工業(yè)仍將在今后一段很長時間內得到發(fā)展。

    伴隨著水泥工業(yè)的發(fā)展還有水泥和水泥混凝土理論的深入研究。早在1883年研究人員就提出了水泥的凝結和硬化理論，并且鑒別出水泥中的主要礦物阿里特。近幾年來，水泥和水泥混凝土的研究得到普遍重視，其基本理論已得到建立，進而形成了較為完備的水泥生產和水泥混凝土應用的科學體系。我國是當今世界上基本建設規(guī)模最大的國家，許多重點工程都正在建設和策劃中?！扒甏笥?，國運所系”，國家有關部門在“九五”、“十五”期間都在國家重點科技攻關項目立有水泥和水泥混凝土的研究專題，在新型高性能水泥混凝土的研制開發(fā)、水泥混凝土耐久性等許多領域都取得了重要研究成果。這不僅保證了國家重點工程的高質量建設和長期安全服役，而且也豐富了水泥和水泥混凝土理論。

    相比之下，“凝石”則是近年來在國內一些媒體上出現的含義不清的名詞，在正式的學術刊物上也沒有看到相關的研究論文，認為“凝石”很快會取代傳統(tǒng)水泥和水泥混凝土材料是沒有科學依據的，也是不可信的。

    問：那么“凝石”到底是一種什么樣的材料？應該如何界定？

    答：我想“凝石”是一種什么材料或是如何定義應該由提出“凝石”的專家作詳細、準確的說明，但從有關媒體報道的信息來分析，“凝石”是一種堿激發(fā)材料、屬于低等級地質聚合物水泥的范疇?？梢园选澳焙偷刭|聚合物水泥作一個簡單的比較：

    “凝石”以高溫固體廢棄物為原料，主要包括粉煤灰、自燃過的煤矸石、高爐渣等；地質聚合物水泥的主要原料是一些工業(yè)排放的固體廢棄物，主要包括礦渣、粉煤灰、赤泥、煤矸石等?！澳敝行枰尤肷倭康膹秃铣蓭r流體或“成巖劑”，地質聚合物水泥需要加入少量的堿性激發(fā)劑，如硅酸鈉等。

    “凝石”采用低能耗、無污染的“一磨”清潔制備工業(yè)模式；地質聚合物水泥的生產是單一或多種原料與堿性激發(fā)劑進行混合粉磨。
“凝石”的特殊性能包括高耐久性、高抗凍融能力、有害固體廢棄物的固化處理及較高的抗壓強度；地質聚合物水泥在10％的硫酸溶液侵蝕條件下，每天質量損失小于0.1%；180次凍融循環(huán)后質量損失小于0.1％、強度損失小于5％；地質聚合物水泥致密性好，可以用于核廢料及其他含重金屬廢棄物的直接固化處置；地質聚合物水泥28天齡期的抗壓強度可超過90MPa。

    “凝石”的水化和硬化可以根據“仿地成巖理論”解釋。地質聚合物水泥的水化和硬化是在堿性介質中原料中的硅氧鍵和鋁氧鍵發(fā)生裂解，然后再通過新的硅氧鍵、鋁氧鍵的形成以聚合成具有三維網絡結構的石狀體。例如，在高濃度鉀、鈉離子存在條件下，高嶺土就會轉變?yōu)榉惺?，即成為一種巖石。這里的“成巖劑”應該認為是堿性激發(fā)材料。

    問：看來“凝石”與地質聚合物水泥有許多相似之處，請你把地質聚合物水泥的有關情況作一個介紹。

    答：聚合指的是多個小分子結合成一個具有重復結構的大分子，地質聚合主要指的是自然界中存在的一些硅氧四面體、鋁氧六面體結合成三維網絡結構的過程。例如，火山巖漿的冷凝就伴隨著這種聚合過程，并且最終形成堅硬、穩(wěn)定的火成巖。地質聚合物水泥則指的是天然的或人工的含硅、鋁材料（如粉煤灰等），在堿性介質條件下，通過相似的地質聚合作用，形成具有很高的強度、長期的化學穩(wěn)定性和耐久性的膠凝材料。

    相平衡關系研究表明，一些天然的硅、鋁礦物在一定的條件下可以相互轉變。這種轉變取決于礦物本身的特性，而堿的作用則是參與和促進了這種轉變并導致新的礦物的形成。
    地質聚合物水泥的水化產物也位于 R₂O-Al₂O₃-SiO₂-H₂O 四元系統(tǒng)，水化產物的組成可表示為：
Rn｛-（SiO₂）_Z-Al₂O₃｝n·_WH₂O 式中R為陽離子，包括K⁺、Na⁺和Ca^2＋；n為聚合度；Z為SiO₂/ Al₂O₃比，通常為1、2或3；w為結合水量，取決于Z值，水化產物有不同的組合形式或重復單元，并且可以形成二位網絡或三維網絡，這類似于許多巖石的結構，因此也可以認為地質聚合物水泥是一種人造巖石，這也是地質聚合物水泥具有很高的力學性能和耐久性能的原因。

    問：根據你的介紹，地質聚合物水泥具有許多優(yōu)越的性能，“凝石”又與地質聚合物相似，那么“凝石”是否在近期內得到廣泛的工程應用？你對“凝石”的研發(fā)有怎樣的建議？

    答：地質聚合物水泥具有許多優(yōu)越的性能，但應該指出的是目前許多相關研究還處于試驗室階段。世界上僅有加拿大一個國家制訂了地質聚合物水泥的國家標準。這一標準詳細規(guī)定了地質聚合物水泥的組成配比、施工方法及應用領域?？傮w上講，地質聚合物水泥只能作為一種特種膠凝材料，并在一些特殊施工領域進行應用。

    地質聚合物水泥在生產和應用過程中均存在有一些致命的缺陷，因而限制了地質聚合物水泥的應用。地質聚合物水泥中需要摻入一定量的堿性激發(fā)劑。大多數堿性激發(fā)劑都有強烈的吸水傾向，進而產生碳化、失去激發(fā)作用，并使水泥結塊，強度下降。因此，地質聚合物水泥不能儲存，而儲存及運輸是大宗工業(yè)產品不可避免的生產經營過程。有報道“凝石”的研究人員提出了以“濕潔生產”代替“干潔生產”，只能是現場生產、現場應用，結果是回到了小作坊式的時代。

    地質聚合物水泥還缺少工程應用實例及相關的經驗積累。早在1983年美國Lone Star水泥公司曾進行地質聚合物水泥的工業(yè)性生產。隨后發(fā)現的問題還包括凝結時間不易控制；需要采用高溫養(yǎng)護，否則會產生顯著的碳化收縮；用于水泥混凝土生產時，工作度變化幅度很大，無法控制；高性能的地質聚合物水泥原料成本也較高。該公司最終停止了地質聚合物水泥的大宗生產。

    “凝石”也會具有地質聚合物水泥的一些缺點，在近期不可能得到廣泛的工程應用。
地質聚合物水泥具有許多優(yōu)越的性能，相信通過廣泛深入的研究，可以克服其一些固有缺陷，應用領域也會得到增多。“凝石”的研發(fā)首先是應回到地質聚合物水泥現有的科學研究體系中，摒棄一些晦澀文字術語，通過深入、細致的科學研究及工程應用實踐，建立相應的膠凝材料生產和應用，以完善其科學體系與規(guī)范。

    相信于國于民有利的事會被大家廣泛接受的。

    汪瀾：留美博士、博士后、美國注冊土木工程師
    （現為中國建筑材料科學研究院教授、博士生導師）

    1978年入武漢工業(yè)大學材料科學與工程系學習，獲學士學位（1982年）和碩士學位（1986年），此后任武漢工業(yè)大學北京研究生部助教、講師、副教授、特批教授。現為中國建筑材料科學研究院教授、博士生導師。

    長期從事水泥生產和混凝土應用技術的研究和教學工作，主持和參與國家級等項目十多項，獲國家級科技進步二等獎一項、部級科技進步一等獎一項；在國內外學術刊物上發(fā)表論文數十篇，獨撰有《水泥工程師手冊》、《水泥混凝土－組成、性能、應用》等多部著作。此期間曾與國家教育部門派遣赴英國和美國學習、研修，并獲美國路易斯安娜州立大學土木工程博士學位。