碱激发胶凝材料原理及应用

碱激发胶凝材料原理及应用姓名：梁止水学号：05507117日期：2008年12月6日凝石的定义：以经过高温过程的固体废物或火山灰类物质为主要原材料（掺量大于90%，可不需要烧制水泥熟料），模仿火山灰大地成岩过程，经配方设计，配料计算制备而成的硅铝基水硬性胶材料称为凝石。凝石是一类可以在许多场合取代水泥，但又有着许多与传统水泥不同的优异特性的硅铝基胶凝材料体系。技术原理：普通水泥的生产由于要以石灰石为主要原料煅烧水泥熟料，正在引起严重的环境污染、生态破坏＼能源浪费、资源枯竭等一系列问题。凝石的生产与使用过程是火山成岩过程的仿真。凝石生产的能耗只有普通硅酸盐水泥的30％一50％，几乎不产生污染物，是21世纪最具发展潜力的绿色胶凝材料。凝石是根据火山成岩原理，以循环经济思想为指导，运用地球化学＼岩石矿物学理论、分子设计理论以及材料仿地设计原则等手段，对工业固体排放物(如煤矸石、尾砂、粉煤灰以及冶金渣等)进行匹配设计，所获得的能够在常温常压下聚合成类天然岩石的生态胶凝材料。凝石的硬化体是以硅氧四面体和铝氧四面体以顶角相连而形成的具有非晶态和半晶态特征的三维网络状固体材料。阳离子填充在网络的空隙中以平衡由铝的四次配位而形成的负电价。共价键结合是凝石网络体及其与骨料边界结合的本质特征。凝石在各个领域的应用建筑领域建筑凝石除了具有普通水泥所不具有的一些特殊优异性能外，完全满足目前建筑常用水泥的各项性能指标，因此技术上可替代水泥应用于所有的建筑领域，如现浇混凝土、预制件、砌筑、抹面、地基处理，以及适应于普通水泥的所有墙体材料和屋面材料。交通领域道路凝石与目前常用的道路水泥相对应，特别适合于制备凝石混凝土路面。道路凝石除了具备道路水泥的全部性能外，还具有明显的高抗折强度、高耐磨性、快硬早强和充足的后期强度增长空间。土工凝石与各类粘土颗粒、粉砂颗粒、各种沙砾及岩石都具有天然的亲合性，将土工凝石用于软弱地基土层的处理(GBJT一89)，当加入量为6％时，其7天抗压强度可达8—1OMpa，因此可应用于路基处理。凝石特有的远远高于普通水泥制品的耐久性，抗碱、酸、盐及其它环境污染物侵蚀的能力使得凝石特别适合于制备超交通负荷条件下的混凝土桥梁及其它交通设施。工业建设安装领域凝石类胶凝材料所具有的耐酸、耐碱、耐高温、快硬早强、高强等综合性能，使其特别适合于各类工业安装工程。如可用于各种设备基础的快速浇注、快速安装，特别是各种高温设备的耐热混凝土基础工程。在电力行业，60万千瓦大型机组所配套的锅炉烟囱，每根造价约3OOO万元，其中花在防酸耐热工程部分的费用就占整体造价的50％，如果用凝石作为胶凝材料直接浇注耐酸混凝土，不但整体造价可下降50％以上，还能大幅度缩短工期，延长使用寿命。耐酸凝石可用于工业领域各种强酸、强碱的容器及管道建设。海洋工程领域用凝石类胶凝材料制备海洋工程混凝土要比现有的水泥混凝土具有更好的耐久性，并可直接用海水拌和。岩土工程领域基于凝石类胶凝材料的高粘结性、高强度和速凝快硬等特点，使凝石类胶凝材料比水泥类胶凝材料更适合于岩土工程领域用于高强度锚固灌浆。利用凝石类胶凝材料优良的固土性能可将凝石用于各种桩基工程、路基加固、深基坑处理、塌方的防治、以及地下溶洞的充填等。矿业工程领域凝石在矿业工程领域的应用是本材料最具挑战性也最具成熟经验的应用领域。结合充填采矿方法将其应用于有色、黄金、煤田及其他矿种的高效可持续开采及“三下”开采，可以大幅度降低充填成本（与使用普通水泥相比），同时有助于解决开采、运输技术上的许多难题。水利工程及农业领域凝石类胶凝材料特有的拉近于零的水化热、超强的抗溶出能力及其固化体优良的体积稳定性使得凝石类胶凝材料特别适合于建设超大体积的温凝土大坝及其它水利工程和农业基本设施。利用凝石类胶凝材料速凝材料速凝快硬的特点可应用于抗洪抢险工程。凝石技术促进循环经济的发展1．环境生态意义据了解，我国2004年水泥总产量约1O亿吨，位居世界第一。10亿吨水泥的生产要消耗11亿吨的石灰石资源，排放约8亿吨的CO2，80万吨的SO3，160万吨的NOx和800万吨的粉尘。同时我国煤矸石有34亿吨的堆存量，占地20万亩；粉煤灰有14亿吨堆存量，占地60万亩；冶金废渣及其它化工废渣有12亿吨的堆存量，占地30万亩以上。上述这些固体排放物每年还以10亿吨的产量在产出。此外金属、非金属矿山的尾矿的堆存量已超过40亿吨，并且每年还以3亿吨的速度在增长。另一方面煤矿并采所造成的地表塌陷已超过600万亩，每年还以20万亩的速度在增加。[4-10]凝石的生产具有接近于零的污染物排放。因此凝石生产技术的推广一方面可以使水泥工业的污染大幅度降低，直至全部消除。另一方面，上述粉煤灰、煤矸石、冶金渣、化工渣等固体排放物又是生产凝石的主体原材料。因此凝石技术的推广对于减少水泥工业的污染排放，充分利用各类固体排放物具有划时代的意义。此外：由于凝石类胶凝材料超强的固土(可达同标号水泥的3倍)固砂能力，是采矿工业中的地下充填的理想材料，由予比原有技术可大幅度降低成本和提高质量，因此可使充填采矿技术快速推广，从而抑制和根除地面塌陷所带来的生态环境问题。另一方面，凝石对各类尾矿具有超强的固结能力，当采用凝石为胶凝材料时，用尾矿代替河砂配置各类混凝土，强度和安定性不但不降低，反而有所提高。因此凝石技术的推广可以带动各类尾矿的大量利用，从而进一步促进环境生态的保护。2．资源意义根据中国建材工业协会的报告，我国适宜烧制水泥的石灰石储量为450亿吨，其中可开采储量为250亿砘，按2003年的水泥产量计算，再过30年我国水泥的原材料资源就面临枯竭【1l—12】。然而象我国这样一个发展中国家再过30年就停止进行基本建设是不可想象的。因此必须在科学技术上取得重大突破，才能减轻经济增长对资源供给的压力，实现资源的高效利用和循环利用，使我国的国民经济发展得以顺利进行。凝石技术为完成一重大历史使命开辟了一条新的道路。此外，由于凝石的超强固土、固砂能力可以使充填采矿技术低成本快速推广。低成本充填采矿技术的推广不但可以抑制地表塌陷，还能使许多“三下(建筑物下、水体下、铁路下)矿产资源的回采率提高50％以上，对我国的资源战略的实施和国民经济的可持续发展具有重大意义。3．产业意义凝石技术的应用将提升改造传统产业，促进资源一能源一巧境一材料的领域的良性循环。遵循循环经济理念；利用凝石技术，将电力、煤炭、冶金等行业的全部固体排放物用于生产高性能凝石水泥，减少能源、资源消耗，保护生态、环境，实现材料的高附加值制备。凝石技术要求上游产业的固体排放物排放过程也是凝石原材料的生产过程，进行固体排放物形成过程改性，实现资源节约和能量的梯级利用。因此，凝石将传统产业的“独立”生产调整为各产业间具有有机联系的生态产业链，将上一个产业环节的排放物用于下一个产业环节的原材料，彻底改变原有环境问题的末端治理方式，使各产业环节间实现良性循环。4．经济意义目前我国可直接作为凝石主体材料的废渣与现有水泥的年产量(10亿吨／年)几乎相等，以全国年产10亿吨凝石计算，由于生产凝石可比生产水泥节能30％以上，生产成本下降30％以上，因此仅以简单替代水泥来考虑，每年也可以取得数以百亿元计的直接经济效益。此外凝石还有许多水泥所不具有的特殊性能，如耐酸、碱、盐类侵蚀性，超长的耐久性、特有的固土能力、超高强和速凝快硬等特征，将有助于解决许多工程难题，或使工程成本大幅度下降。因此，凝石技术的推广应用将取得数倍于直接经济效益的间接经济效益。如利用凝石耐腐蚀、不溶出、抗冻融性等特征可以制备出使用寿命比现在长几倍的混凝土梁，用于超交通负荷的大城市立交桥的建设，由于大幅度降低了维修和重建的频率，可给城市的建设和发展带来极大间接效益。综上所述，发展凝石技术，推行清洁生产，可将胶凝材料生产和工矿业固废排放对自然资源的需求和生态环境的影响降低到最小程度，以最少的资源消耗、最小的环境代价实现经济的可持续增长，从根本上解决经济发展与环境保护之间的矛盾，促进循环经济发展。结语：凝石技术才刚刚起步，作者的工作也仅仅是万里长征的第二步，传统水泥历经了近200年的发展，至今仍有许多问题没有解决。凝石也必然要经历一个比较长的研发阶段才能完善，作者愿与各行各业的科学家、企业家联合共同为凝石技术发展做出贡献。