汪瀾：“凝石”很快取代傳統(tǒng)水泥是沒有科學(xué)依據(jù)的

    9月5日有關(guān)媒體采訪了中國建筑材料科學(xué)研究院教授、博士生導(dǎo)師汪瀾先生。

    記者問：你對(duì)傳統(tǒng)水泥工業(yè)的發(fā)展前景有何評(píng)價(jià)？水泥混凝土是否很快會(huì)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(chǎn)技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。表現(xiàn)為水泥質(zhì)量的改善、生產(chǎn)能耗的降低、污染排放的減小、勞動(dòng)生產(chǎn)率提高及經(jīng)濟(jì)效益的增長(zhǎng)等。與此同時(shí)，世界范圍內(nèi)的水泥生產(chǎn)一直處于高速增長(zhǎng)。我國1984年水泥產(chǎn)量約為1億噸，2004年水泥產(chǎn)量達(dá)到9.7億噸；美國1984年水泥產(chǎn)量為6千萬噸，而2004年水泥產(chǎn)量則達(dá)到9千萬噸，并且還從中國等國家進(jìn)口水泥約1千萬噸。由于水泥生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步及水泥作為大宗建筑材料在社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)時(shí)間內(nèi)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(jié)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(jìn)而形成了較為完備的水泥生產(chǎn)和水泥混凝土應(yīng)用的科學(xué)體系。我國是當(dāng)今世界上基本建設(shè)規(guī)模最大的國家，許多重點(diǎn)工程都正在建設(shè)和策劃中?！扒甏笥?jì)，國運(yùn)所系”，國家有關(guān)部門在“九五”、“十五”期間都在國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)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(lǐng)域都取得了重要研究成果。這不僅保證了國家重點(diǎn)工程的高質(zhì)量建設(shè)和長(zhǎng)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(nèi)一些媒體上出現(xiàn)的含義不清的名詞，在正式的學(xué)術(shù)刊物上也沒有看到相關(guān)的研究論文，認(rèn)為“凝石”很快會(huì)取代傳統(tǒng)水泥和水泥混凝土材料是沒有科學(xué)依據(jù)的，也是不可信的。

    問：那么“凝石”到底是一種什么樣的材料？應(yīng)該如何界定？

    答：我想“凝石”是一種什么材料或是如何定義應(yīng)該由提出“凝石”的專家作詳細(xì)、準(zhǔn)確的說明，但從有關(guān)媒體報(bào)道的信息來分析，“凝石”是一種堿激發(fā)材料、屬于低等級(jí)地質(zhì)聚合物水泥的范疇。可以把“凝石”和地質(zhì)聚合物水泥作一個(gè)簡(jiǎn)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(zhì)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?fù)合成巖流體或“成巖劑”，地質(zhì)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(zhì)聚合物水泥的生產(chǎn)是單一或多種原料與堿性激發(fā)劑進(jìn)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(qiáng)度；地質(zhì)聚合物水泥在10％的硫酸溶液侵蝕條件下，每天質(zhì)量損失小于0.1%；180次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失小于0.1％、強(qiáng)度損失小于5％；地質(zhì)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(zhì)聚合物水泥28天齡期的抗壓強(qiáng)度可超過90MPa。

    “凝石”的水化和硬化可以根據(jù)“仿地成巖理論”解釋。地質(zhì)聚合物水泥的水化和硬化是在堿性介質(zhì)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的石狀體。例如，在高濃度鉀、鈉離子存在條件下，高嶺土就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榉惺?，即成為一種巖石。這里的“成巖劑”應(yīng)該認(rèn)為是堿性激發(fā)材料。

    問：看來“凝石”與地質(zhì)聚合物水泥有許多相似之處，請(qǐng)你把地質(zhì)聚合物水泥的有關(guān)情況作一個(gè)介紹。

    答：聚合指的是多個(gè)小分子結(jié)合成一個(gè)具有重復(fù)結(jié)構(gòu)的大分子，地質(zhì)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(jié)合成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(jiān)硬、穩(wěn)定的火成巖。地質(zhì)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(zhì)條件下，通過相似的地質(zhì)聚合作用，形成具有很高的強(qiáng)度、長(zhǎng)期的化學(xué)穩(wěn)定性和耐久性的膠凝材料。

    相平衡關(guān)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(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變?nèi)Q于礦物本身的特性，而堿的作用則是參與和促進(jìn)了這種轉(zhuǎn)變并導(dǎo)致新的礦物的形成。
    地質(zhì)聚合物水泥的水化產(chǎn)物也位于 R₂O-Al₂O₃-SiO₂-H₂O 四元系統(tǒng)，水化產(chǎn)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(jié)合水量，取決于Z值，水化產(chǎn)物有不同的組合形式或重復(fù)單元，并且可以形成二位網(wǎng)絡(luò)或三維網(wǎng)絡(luò)，這類似于許多巖石的結(jié)構(gòu)，因此也可以認(rèn)為地質(zhì)聚合物水泥是一種人造巖石，這也是地質(zhì)聚合物水泥具有很高的力學(xué)性能和耐久性能的原因。

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

    答：地質(zhì)聚合物水泥具有許多優(yōu)越的性能，但應(yīng)該指出的是目前許多相關(guān)研究還處于試驗(yàn)室階段。世界上僅有加拿大一個(gè)國家制訂了地質(zhì)聚合物水泥的國家標(biāo)準(zhǔn)。這一標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了地質(zhì)聚合物水泥的組成配比、施工方法及應(yīng)用領(lǐng)域?？傮w上講，地質(zhì)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(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。

    地質(zhì)聚合物水泥在生產(chǎn)和應(yīng)用過程中均存在有一些致命的缺陷，因而限制了地質(zhì)聚合物水泥的應(yīng)用。地質(zhì)聚合物水泥中需要摻入一定量的堿性激發(fā)劑。大多數(shù)堿性激發(fā)劑都有強(qiáng)烈的吸水傾向，進(jìn)而產(chǎn)生碳化、失去激發(fā)作用，并使水泥結(jié)塊，強(qiáng)度下降。因此，地質(zhì)聚合物水泥不能儲(chǔ)存，而儲(chǔ)存及運(yùn)輸是大宗工業(yè)產(chǎn)品不可避免的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過程。有報(bào)道“凝石”的研究人員提出了以“濕潔生產(chǎn)”代替“干潔生產(chǎn)”，只能是現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，結(jié)果是回到了小作坊式的時(shí)代。

    地質(zhì)聚合物水泥還缺少工程應(yīng)用實(shí)例及相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)積累。早在1983年美國Lone Star水泥公司曾進(jìn)行地質(zhì)聚合物水泥的工業(yè)性生產(chǎn)。隨后發(fā)現(xiàn)的問題還包括凝結(jié)時(shí)間不易控制；需要采用高溫養(yǎng)護(hù)，否則會(huì)產(chǎn)生顯著的碳化收縮；用于水泥混凝土生產(chǎn)時(shí)，工作度變化幅度很大，無法控制；高性能的地質(zhì)聚合物水泥原料成本也較高。該公司最終停止了地質(zhì)聚合物水泥的大宗生產(chǎn)。

    “凝石”也會(huì)具有地質(zhì)聚合物水泥的一些缺點(diǎn)，在近期不可能得到廣泛的工程應(yīng)用。
地質(zhì)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(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)得到增多?！澳钡难邪l(fā)首先是應(yīng)回到地質(zhì)聚合物水泥現(xiàn)有的科學(xué)研究體系中，摒棄一些晦澀文字術(shù)語，通過深入、細(xì)致的科學(xué)研究及工程應(yīng)用實(shí)踐，建立相應(yīng)的膠凝材料生產(chǎn)和應(yīng)用，以完善其科學(xué)體系與規(guī)范。

    相信于國于民有利的事會(huì)被大家廣泛接受的。

    汪瀾：留美博士、博士后、美國注冊(cè)土木工程師
    （現(xiàn)為中國建筑材料科學(xué)研究院教授、博士生導(dǎo)師）

    1978年入武漢工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程系學(xué)習(xí)，獲學(xué)士學(xué)位（1982年）和碩士學(xué)位（1986年），此后任武漢工業(yè)大學(xué)北京研究生部助教、講師、副教授、特批教授?，F(xiàn)為中國建筑材料科學(xué)研究院教授、博士生導(dǎo)師。

    長(zhǎng)期從事水泥生產(chǎn)和混凝土應(yīng)用技術(shù)的研究和教學(xué)工作，主持和參與國家級(jí)等項(xiàng)目十多項(xiàng)，獲國家級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)一項(xiàng)、部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)一項(xiàng)；在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文數(shù)十篇，獨(dú)撰有《水泥工程師手冊(cè)》、《水泥混凝土－組成、性能、應(yīng)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(xué)習(xí)、研修，并獲美國路易斯安娜州立大學(xué)土木工程博士學(xué)位。