汪澜：“凝石”很快取代传统水泥是没有科学依据的

    9月5日有关媒体采访了中国建筑材料科学研究院教授、博士生导师汪澜先生。

    记者问：你对传统水泥工业的发展前景有何评价？水泥混凝土是否很快会被“凝石”所取代？

    汪澜教授答：传统水泥工业的发展已有近200年的历史。这期间水泥生产技术有了长足的进步。表现为水泥质量的改善、生产能耗的降低、污染排放的减小、劳动生产率提高及经济效益的增长等。与此同时，世界范围内的水泥生产一直处于高速增长。我国1984年水泥产量约为1亿吨，2004年水泥产量达到9.7亿吨；美国1984年水泥产量为6千万吨，而2004年水泥产量则达到9千万吨，并且还从中国等国家进口水泥约1千万吨。由于水泥生产技术的不断进步及水泥作为大宗建筑材料在社会经济发展中有着不可替代的作用，传统水泥工业仍将在今后一段很长时间内得到发展。

    伴随着水泥工业的发展还有水泥和水泥混凝土理论的深入研究。早在1883年研究人员就提出了水泥的凝结和硬化理论，并且鉴别出水泥中的主要矿物阿里特。近几年来，水泥和水泥混凝土的研究得到普遍重视，其基本理论已得到建立，进而形成了较为完备的水泥生产和水泥混凝土应用的科学体系。我国是当今世界上基本建设规模最大的国家，许多重点工程都正在建设和策划中。“千年大计，国运所系”，国家有关部门在“九五”、“十五”期间都在国家重点科技攻关项目立有水泥和水泥混凝土的研究专题，在新型高性能水泥混凝土的研制开发、水泥混凝土耐久性等许多领域都取得了重要研究成果。这不仅保证了国家重点工程的高质量建设和长期安全服役，而且也丰富了水泥和水泥混凝土理论。

    相比之下，“凝石”则是近年来在国内一些媒体上出现的含义不清的名词，在正式的学术刊物上也没有看到相关的研究论文，认为“凝石”很快会取代传统水泥和水泥混凝土材料是没有科学依据的，也是不可信的。

    问：那么“凝石”到底是一种什么样的材料？应该如何界定？

    答：我想“凝石”是一种什么材料或是如何定义应该由提出“凝石”的专家作详细、准确的说明，但从有关媒体报道的信息来分析，“凝石”是一种碱激发材料、属于低等级地质聚合物水泥的范畴。可以把“凝石”和地质聚合物水泥作一个简单的比较：

    “凝石”以高温固体废弃物为原料，主要包括粉煤灰、自燃过的煤矸石、高炉渣等；地质聚合物水泥的主要原料是一些工业排放的固体废弃物，主要包括矿渣、粉煤灰、赤泥、煤矸石等。“凝石”中需要加入少量的复合成岩流体或“成岩剂”，地质聚合物水泥需要加入少量的碱性激发剂，如硅酸钠等。

    “凝石”采用低能耗、无污染的“一磨”清洁制备工业模式；地质聚合物水泥的生产是单一或多种原料与碱性激发剂进行混合粉磨。
“凝石”的特殊性能包括高耐久性、高抗冻融能力、有害固体废弃物的固化处理及较高的抗压强度；地质聚合物水泥在10％的硫酸溶液侵蚀条件下，每天质量损失小于0.1%；180次冻融循环后质量损失小于0.1％、强度损失小于5％；地质聚合物水泥致密性好，可以用于核废料及其他含重金属废弃物的直接固化处置；地质聚合物水泥28天龄期的抗压强度可超过90MPa。

    “凝石”的水化和硬化可以根据“仿地成岩理论”解释。地质聚合物水泥的水化和硬化是在碱性介质中原料中的硅氧键和铝氧键发生裂解，然后再通过新的硅氧键、铝氧键的形成以聚合成具有三维网络结构的石状体。例如，在高浓度钾、钠离子存在条件下，高岭土就会转变为沸石，即成为一种岩石。这里的“成岩剂”应该认为是碱性激发材料。

    问：看来“凝石”与地质聚合物水泥有许多相似之处，请你把地质聚合物水泥的有关情况作一个介绍。

    答：聚合指的是多个小分子结合成一个具有重复结构的大分子，地质聚合主要指的是自然界中存在的一些硅氧四面体、铝氧六面体结合成三维网络结构的过程。例如，火山岩浆的冷凝就伴随着这种聚合过程，并且最终形成坚硬、稳定的火成岩。地质聚合物水泥则指的是天然的或人工的含硅、铝材料（如粉煤灰等），在碱性介质条件下，通过相似的地质聚合作用，形成具有很高的强度、长期的化学稳定性和耐久性的胶凝材料。

    相平衡关系研究表明，一些天然的硅、铝矿物在一定的条件下可以相互转变。这种转变取决于矿物本身的特性，而碱的作用则是参与和促进了这种转变并导致新的矿物的形成。
    地质聚合物水泥的水化产物也位于 R₂O-Al₂O₃-SiO₂-H₂O 四元系统，水化产物的组成可表示为：
Rn｛-（SiO₂）_Z-Al₂O₃｝n·_WH₂O 式中R为阳离子，包括K⁺、Na⁺和Ca^2＋；n为聚合度；Z为SiO₂/ Al₂O₃比，通常为1、2或3；w为结合水量，取决于Z值，水化产物有不同的组合形式或重复单元，并且可以形成二位网络或三维网络，这类似于许多岩石的结构，因此也可以认为地质聚合物水泥是一种人造岩石，这也是地质聚合物水泥具有很高的力学性能和耐久性能的原因。

    问：根据你的介绍，地质聚合物水泥具有许多优越的性能，“凝石”又与地质聚合物相似，那么“凝石”是否在近期内得到广泛的工程应用？你对“凝石”的研发有怎样的建议？

    答：地质聚合物水泥具有许多优越的性能，但应该指出的是目前许多相关研究还处于试验室阶段。世界上仅有加拿大一个国家制订了地质聚合物水泥的国家标准。这一标准详细规定了地质聚合物水泥的组成配比、施工方法及应用领域。总体上讲，地质聚合物水泥只能作为一种特种胶凝材料，并在一些特殊施工领域进行应用。

    地质聚合物水泥在生产和应用过程中均存在有一些致命的缺陷，因而限制了地质聚合物水泥的应用。地质聚合物水泥中需要掺入一定量的碱性激发剂。大多数碱性激发剂都有强烈的吸水倾向，进而产生碳化、失去激发作用，并使水泥结块，强度下降。因此，地质聚合物水泥不能储存，而储存及运输是大宗工业产品不可避免的生产经营过程。有报道“凝石”的研究人员提出了以“湿洁生产”代替“干洁生产”，只能是现场生产、现场应用，结果是回到了小作坊式的时代。

    地质聚合物水泥还缺少工程应用实例及相关的经验积累。早在1983年美国Lone Star水泥公司曾进行地质聚合物水泥的工业性生产。随后发现的问题还包括凝结时间不易控制；需要采用高温养护，否则会产生显著的碳化收缩；用于水泥混凝土生产时，工作度变化幅度很大，无法控制；高性能的地质聚合物水泥原料成本也较高。该公司最终停止了地质聚合物水泥的大宗生产。

    “凝石”也会具有地质聚合物水泥的一些缺点，在近期不可能得到广泛的工程应用。
地质聚合物水泥具有许多优越的性能，相信通过广泛深入的研究，可以克服其一些固有缺陷，应用领域也会得到增多。“凝石”的研发首先是应回到地质聚合物水泥现有的科学研究体系中，摒弃一些晦涩文字术语，通过深入、细致的科学研究及工程应用实践，建立相应的胶凝材料生产和应用，以完善其科学体系与规范。

    相信于国于民有利的事会被大家广泛接受的。

    汪澜：留美博士、博士后、美国注册土木工程师
    （现为中国建筑材料科学研究院教授、博士生导师）

    1978年入武汉工业大学材料科学与工程系学习，获学士学位（1982年）和硕士学位（1986年），此后任武汉工业大学北京研究生部助教、讲师、副教授、特批教授。现为中国建筑材料科学研究院教授、博士生导师。

    长期从事水泥生产和混凝土应用技术的研究和教学工作，主持和参与国家级等项目十多项，获国家级科技进步二等奖一项、部级科技进步一等奖一项；在国内外学术刊物上发表论文数十篇，独撰有《水泥工程师手册》、《水泥混凝土－组成、性能、应用》等多部著作。此期间曾与国家教育部门派遣赴英国和美国学习、研修，并获美国路易斯安娜州立大学土木工程博士学位。