“凝石”，中国人的自主创新！

一杯清水，几勺体积顶多占到水体十分之一的粉末，混入容器搅拌，几分钟后，稀若豆浆的液体开始凝固，一小时之后，钢勺敲击发出瓷器般的声响，试验检测每平方厘米受力水平达10公斤，两小时后再测是20公斤，24小时之后则达40公斤……

    这不是魔术，是10多年前，已经大步产业化应用于我国山东招远、焦加金矿及其他矿山充填之中的“高水速凝材料”。

    以此材料的问世为发端，研究者继续在材料领域探索，先后经过高水材料——全砂土固结胶凝材料——矿山似膏体充填工艺等多个阶段的研究，最后把研究的焦点集中到各种固体废弃物上，如高炉水淬渣、粉煤灰、赤泥、煤矸石等等，奇迹再次出现，一项新的中国发明专利产生，这便是：凝石。

    2003年7月，国家高新技术研究发展计划(863计划)正式立项；年底，河北省科技厅通过当年唐山钢铁公司参与建设生产的凝石产品进行科学鉴定；

    2004年初，国家发改委领导带队走进清华大学察看实验室，听取汇报；到今天为止，在唐山、通化、萍乡、柳州等地，相继与当地钢铁企业或水泥厂合作建成生产线；

    2005年，河北三河燕郊开发区中试基地的凝石生产厂房、设备基础、研究大楼、住宅楼区、供水管网、道路等全部用凝石材料建成。8月12日，教育部在清华大学举行科技鉴定会，与会专家从理论研究、实验室试验、工业应用现场多个方面进行了立体论证考察，给予了高度评价。8月20日，全国中小水泥及相关企业550多位代表到会，121家企业当日签订合作意向，在杭州拉开了用凝石技术提升改造中小水泥企业的序幕。26日，国家科技部组织专家通过了对这一国家863计划项目的验收。

    凝石的发明主创人为清华大学国土矿产资源与利用研究中心主任孙恒虎教授，教育部首届“长江学者奖励计划”特聘教授，兼任中国矿业大学高水材料研究所所长。多年来，他一直在胶凝材料领域研究，材料要绿色、可持续、环保、废物利用，如今这一理念在“凝石”中得到充分体现，在材料界引发了“石破天惊”的效应。随着国家863项目鉴定通过媒体宣传第一次正式向外界披露以及杭州会议的召开，项目组的电话快被打爆。     

    凝石究竟是什么？ 

    一、凝石是对“洋灰”的重大突破 

     1824年，英国利兹的一个施工人员约瑟夫.阿斯普丁(Joseph.Aspdin)发明了一种材料，硬化后酷似英国波特兰石场天然建筑石料，故而命名为“波特兰”水泥。虽然水泥的生产过程有着破坏自然、污染环境的代价，但地球上的人类一直沿用这一发明构筑着生活工作的窝巢。

    我们习惯把这种水泥称为“洋灰”，而“凝石”技术的问世，在工业废料累积为患、环境压力加大的今天，则可能是对“洋灰”历史的重大突破。请看清华大学课题组专家对“凝石”的介绍——

    原料来源：主要是粉煤灰，过火煤矸石、废砖、赤泥、废玻璃等等；

    建设投资：每年百万吨的生产规模，建水泥厂是2.5亿至3.5亿元，而“凝石”只需要6000万至1亿元。

    生产过程：无须烧制，用“一磨”取代原来的“两磨一烧”；而且可采用湿法粉磨，无烟、无粉尘、无废水排放；耗能大大降低，综合能耗比水泥低50%以上；无须开山炸石，工业废料掺量可达90%以上；

    产品性能：所制备的凝石不仅符合GB175-1999国家标准对普通硅酸盐水泥所规定的各项性能指标，它本身还有许多特殊的性能，如在耐酸性、抗冻融、抗渗性、固结重金属和有机毒物的能力都比传统水泥能力更强。凝石的体积稳定性也很好，经测试7天的线收缩率只有普通水泥的1/5—1/7，28天则只有1/8—1/9。

    有人这样概括道：“所用是废渣，只磨不用烧；成本更加低，废气全没了。”

    早在上世纪90年代中期，我国开始重视废渣(矿渣、钢渣)的大范围开发工作，由过去占地堆存，廉价出售给水泥厂做混合材的被动状态，发展到后来把初级产品加工成其他行业需要的高附加值产品。但从降低消耗和减少污染的角度看，这些努力只有量的改变，没有质的变化。  

二、仿地成岩理论变为现实 

    有人曾说，“也许人类永远不可能超过自然界的设计。”这话有它的道理。

    以自然为师，而不是盲目地改造自然，是我们付出代价后得到的经验，也是凝石技术产生的思想源泉和智慧火花。用孙恒虎教授和清华大学的研究者们的说法：建立凝石——“硅铝基胶凝体系正是这些思想的尝试”。

    8月12日的教育部组织的鉴定会上，以研究材料见长的清华大学副校长郑燕康开宗明义：“凝石项目课题组工作进展总体是比较顺利的。我从一开始到现在一直关注这个项目，觉得这个项目在理念上还是非常新颖的，而且是一个绿色的制备技术，对我们国家环境保护和可持续发展以及对水泥行业的发展都是具有巨大意义的。”

    早在2003年11月27日，由中科院地质与地球物理研究所叶大年、安徽省国土资源厅常印佛等21位中国科学院院士就孙恒虎教授发明的硅铝体系新型水泥提出加强研究，“发展我们有自己知识产权的技术”。

    正如看到苹果掉下的人多的是，但发现万有引力的却只有经过思考研究的牛顿一样，成功是一个艰苦的过程。据了解，凝石的问世，受启发于自然，但绝不是简单地靠灵感火花的瞬间设计，而是经过高水速凝材料(国家发明专利，1995年北京市科技进步一等奖)、高浓度胶结充填材料(国家发明专利，1997年国家科技进步三等奖)及全砂土固结材料(国家发明专利)三个阶段之后，又经过多年研究的结果。10来年的时间里，所研究的对象和领域都属“尾砂”、“废渣”、“胶结”等范畴，这样逐步逐步地柳暗花明豁然开朗，也就是国内外许多专家都在孜孜以求的材料品种——硅铝体系的胶凝材料。

    他们从试验过程逆向分析认为：这是火山成岩过程的仿真。

    据此原理，本着循环利用矿物资源的思想，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，获得了能够在常温常压下聚合成类天然岩石的生态胶凝材料，即凝石。

    面对着863项目鉴定委员会的全体专家，项目组对凝石作了理论上的深度阐发：“随着科学技术的不断发展，可以用来生产具有经济意义凝石类胶凝材料主体原料将会越来越广泛，生产成本也会越来越低。有水泥行业专家参加我们的实验基地时问我们说，是不是随便抓一把什么天然土的东西都可以造成凝石呢？这个回答从理论上讲是肯定的，从经济技术来讲是否定的，现在还没有做到。从理论上什么都能够被成岩流体胶结在一起，有的速度过慢，有的强度不够，有的成本太高。”

    专家们说，“因此，我们又提出了仿地成岩的第二个核心，也就是自然界的火山灰过程对应凝石物料的微晶非晶化改性，只有拿到这种物料才能做出具有经济意义的凝石产品，经过火山爆发，从地层中喷出以硅铝质成分为主的溶体，由于急冷而形成微晶或非晶态的碎屑物，这是大自然的过程，一些经过高温过程的固体废弃物，比如冶金渣、脱水或自燃过的煤矸石或经脱水的赤泥等具有比天然火山灰更强的优势。”

    著名地质专家、中国科学院叶大年院士对孙恒虎教授说：“现在看来，仿地成岩在理论上是行得通的。当年我们地质所也研究过沸石水泥。从地质理论的角度解释一些材料的形成是能解释通的。你在地质材料科学方面捅开了个窟窿，把地质和材料跨学科实现了真正的突破。”   

二、仿地成岩理论变为现实 

    有人曾说，“也许人类永远不可能超过自然界的设计。”这话有它的道理。

    以自然为师，而不是盲目地改造自然，是我们付出代价后得到的经验，也是凝石技术产生的思想源泉和智慧火花。用孙恒虎教授和清华大学的研究者们的说法：建立凝石——“硅铝基胶凝体系正是这些思想的尝试”。

    8月12日的教育部组织的鉴定会上，以研究材料见长的清华大学副校长郑燕康开宗明义：“凝石项目课题组工作进展总体是比较顺利的。我从一开始到现在一直关注这个项目，觉得这个项目在理念上还是非常新颖的，而且是一个绿色的制备技术，对我们国家环境保护和可持续发展以及对水泥行业的发展都是具有巨大意义的。”

    早在2003年11月27日，由中科院地质与地球物理研究所叶大年、安徽省国土资源厅常印佛等21位中国科学院院士就孙恒虎教授发明的硅铝体系新型水泥提出加强研究，“发展我们有自己知识产权的技术”。

    正如看到苹果掉下的人多的是，但发现万有引力的却只有经过思考研究的牛顿一样，成功是一个艰苦的过程。据了解，凝石的问世，受启发于自然，但绝不是简单地靠灵感火花的瞬间设计，而是经过高水速凝材料(国家发明专利，1995年北京市科技进步一等奖)、高浓度胶结充填材料(国家发明专利，1997年国家科技进步三等奖)及全砂土固结材料(国家发明专利)三个阶段之后，又经过多年研究的结果。10来年的时间里，所研究的对象和领域都属“尾砂”、“废渣”、“胶结”等范畴，这样逐步逐步地柳暗花明豁然开朗，也就是国内外许多专家都在孜孜以求的材料品种——硅铝体系的胶凝材料。

    他们从试验过程逆向分析认为：这是火山成岩过程的仿真。

    据此原理，本着循环利用矿物资源的思想，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，获得了能够在常温常压下聚合成类天然岩石的生态胶凝材料，即凝石。

    面对着863项目鉴定委员会的全体专家，项目组对凝石作了理论上的深度阐发：“随着科学技术的不断发展，可以用来生产具有经济意义凝石类胶凝材料主体原料将会越来越广泛，生产成本也会越来越低。有水泥行业专家参加我们的实验基地时问我们说，是不是随便抓一把什么天然土的东西都可以造成凝石呢？这个回答从理论上讲是肯定的，从经济技术来讲是否定的，现在还没有做到。从理论上什么都能够被成岩流体胶结在一起，有的速度过慢，有的强度不够，有的成本太高。”

    专家们说，“因此，我们又提出了仿地成岩的第二个核心，也就是自然界的火山灰过程对应凝石物料的微晶非晶化改性，只有拿到这种物料才能做出具有经济意义的凝石产品，经过火山爆发，从地层中喷出以硅铝质成分为主的溶体，由于急冷而形成微晶或非晶态的碎屑物，这是大自然的过程，一些经过高温过程的固体废弃物，比如冶金渣、脱水或自燃过的煤矸石或经脱水的赤泥等具有比天然火山灰更强的优势。”

    著名地质专家、中国科学院叶大年院士对孙恒虎教授说：“现在看来，仿地成岩在理论上是行得通的。当年我们地质所也研究过沸石水泥。从地质理论的角度解释一些材料的形成是能解释通的。你在地质材料科学方面捅开了个窟窿，把地质和材料跨学科实现了真正的突破。”   

这个成果为什么重大？ 

    一、用技术创新推翻“三座大山” 

    有专家说，凝石是我国自主创新的重大技术成果，有望开启英国人发明“波特兰”水泥之后的新时代。何以说“重大”？

    叶大年院士说：最重要的是这一技术可以推进一个和国家建设发展相关的重要产业的技术变革，在凡是产生工业废渣的领域，可以实现彻底的循环经济，是与国家科学发展观的基本精神相一致的。

    我国经济发展过程中的环境压力之大是人所共知的。用孙恒虎教授的说法是“新时期压在中国人头上的三座大山”，即：资源紧张、能源短缺、环境破坏。

    这三种压力，在经济发展过程中的总体背景下，水泥产业显得尤其沉重。而且许多有识之士对此有着相当的认识。

    先看资源。8月15日，《中国建材报》一版头条刊登评论员文章发出呼吁：珍惜资源，善待矿山。文章说，“我国已初步探明的石灰石储量为542亿吨，可开采利用的约为250亿吨。如以2004年我国水泥总产量9.7亿吨、需消耗石灰质原料10亿吨记计，加上相关行业所用石灰石，则不需30年，即会出现石灰石资源枯竭的严重问题。一方面是水泥石灰石资源枯竭的严重问题，另一方面是消耗石灰石令人惊讶的高速度。”

    次看能源。中国水泥协会前不久以中水协字【2005】019号文件向国家发改委递送了“关于请求解决水泥企业生产用煤困难的报告”。报告称：水泥协会对企业和地区的调研报告显示，目前水泥生产成本中煤、电费用已由原来的占60%上升到占80%左右，给水泥企业带来了巨大的压力，使企业效益急剧下滑。目前这种局面若继续下去，将危及企业职工的切身利益和水泥行业的健康发展。资料表明，2004年国产9.7亿吨水泥的能源消耗是燃煤1.6亿吨(标煤)。专家预测，2010年我国水泥需求将达到13.5亿吨，原燃料消耗相应也会提高近40%。

    再看环境。我国目前煤矸石、粉煤灰、冶金废渣及其它化工废渣总的堆存量达60亿吨以上，占地面积达110万亩。每年还有10亿吨新排放废渣的增量。去年生产9.7亿吨水泥需要消耗的石灰石是10亿吨，黏土质原料是2亿吨。在开山炸石开采水泥原料的同时，按水泥原料矿山允许的地质剥采比0.5：1(吨/吨)计算，则还需要剥离并排弃数以亿吨计的废石、覆盖层等剥离物。据有关资料，去年我国水泥生产排放出的二氧化碳总量近7亿吨，水泥生产排放的粉尘量占工业粉尘排放总量的64%以上。

    资源的、能源的、环境的压力之下，传统产业出路何在？靠国家“调拨”显然不可能，向国外“进口”更没希望，出路只能一条：自主创新！

    国家863凝石项目的最大特色正是自主创新，所展现的也是突破“资源、能源、环境”困境的战略选择。按照研究人员的理念，就是要还人类以“蓝天、绿地、碧水”。其实，按照“京都议定书”的规定，二氧化碳的排放指标在国际间是可以贸易的，我们如果减少二氧化碳的排放、并将指标出让岂不也是创汇的来源？ 

    二、为循环经济提供了现实样本 

    凝石走出实验室之后，在没有政策扶持、没有金融支持、没有媒体宣传的情况下，长入市场的势头却如星火燎原，在短短的一年多时间里，在河北、吉林、江西等地建成了生产线，所用凝石材料已经在河北三河燕郊建成了科研、生产线、办公等凝石中试基地的大楼设施。

    在已经建成的凝石生产厂家中，最为引人瞩目的是通化钢铁集团的项目。通钢是国家大型企业，在全国同行业中列第十九位，每年排放水淬渣100万吨。这些废渣以前在东北当地水泥厂的季节性生产中作为配料使用小部分，大量的废渣处理还是难题。在发现清华大学的凝石技术之后，通钢集团董事长安凤成派多次进京寻求合作。到去年底，已经建成了一期50万吨的生产线。这条生产线引起了冶金行业、吉林省委政府的高度重视，冶金系统的一些企业负责人、行业协会的领导，吉林省政府班子的成员都到通钢考察。

    通钢集团的副总经理王彬给记者算了一笔账：通钢目前的废渣产出量一年约100万吨，现在设计的一期50万吨凝石生产线一年可消耗废渣46万吨。通钢卖给蓝资公司的水淬渣是每吨25元，在生产凝石的过程中，各种原材料加上辅助耗料、动力和其他人工及管理等费用每吨综合成本约140元。目前通化地区水泥生产的成本每吨约200元。

    这正是通钢积极上此项目的原因。而与通钢不同的是，在东北有的钢铁企业每年寄希望于发洪水将堆放在河岸上的废渣冲走。

    目前，唐山钢铁公司建成了年产30万吨凝石生产线，并用其产品建设了三河燕郊凝石工业园区的全部设施；柳州钢铁的凝石项目上得简单而痛快。今年五一期间，其总经理梁景理参加全国劳模表彰大会，参观了三河燕郊基地后，顺手拿了一块凝石试块回家。私下请专家在广西大学国家重点实验室用高倍扫描电镜看其结构，说的确与水泥不同，有石头一样的结构，耐久性肯定没问题，硬度也高。干！决定干50万吨的生产线，同时先改造了一个10万吨的小水泥厂，现已生产出产品。

    具有资源循环利用能力的技术得到各地政府和企业的青睐可见一斑。当然，地处东部发达地区的工业废渣在做传统水泥配料、制砖等建材方面也大有用处，有人认为现在已经是废渣不废了。但在参与凝石863项目研究的专家们看来，“无论是做传统水泥配料还是制造砖块，从废渣的使用量和增值度上，与凝石比较来实在有些浪费”。

三、给水泥工业战略突围带来契机 

    水泥工业如何走新型工业化道路是近两年人们研究的课题。

    一位水泥界的专家说：世界水泥生产自诞生以来，经历了老干法、湿法、半干法和新型干法等几次大的技术变革，每次变革都主要是围绕提高热效率和设备的大型化、自动化展开的。在新型干法技术不断发展的同时，多年来国内外也有人在致力于研发沸腾炉等煅烧水泥新技术，而且在小规模范围内也取得了一些进展，但要实现大规模工业化生产，尤其要替代新型干法是不现实的，至少在未来10～20年的时间里，新型干法技术仍将是世界水泥工业先进生产力的代表和发展方向。

    根据有关资料，目前，日本、德国、意大利等发达国家新型干法技术已占95%以上，其他发达国家也多在80%以上。所谓新型干法技术被视为“不再是劳动密集型、高耗能、高污染的产业，而是真正体现了科技含量高、资源消耗低、环境污染少的”现代新型工业技术。外资水泥业正式以这样的“优越性”通过并购等手段大举在中国的水泥市场“攻城掠地”。

    据有关资料：全球建材巨头法国著名建材集团拉法基大部分业务已经覆盖了整个中国东部地区。最早到中国投资水泥行业的是日本小野田水泥公司(即后来的太平洋水泥)，现在在大连、秦皇岛、南京、上海、山东、陕西、云南都有小野田水泥公司的影子。目前，太平洋水泥是中国第六大水泥企业。有人担心说，“当这些外国大公司通过并购国内公司，获得相当大的市场份额，对市场具有足够影响力的时候，便可以单方采取限制竞争的经济行为，如单方涨价、限制生产数量等”。

    而我国自己的水泥企业本身状况如何？即便是当前国际流行的新型干法水泥，在我国的比例也很低，据统计，2004年仅占32.9%，其余全都是立窑和其他落后方法生产水泥。

    大水泥的竞争前景堪忧，小水泥还在大量存在。据统计，国家在强制实施关闭小水泥企业的政策后，到2004年，年产量不足10万吨的小立窑水泥企业还有3804家，占水泥总产量的34.8%。

    外有像拉法基等世界级品牌在中国水泥市场上的推进步伐，有着本土水泥企业难以抗衡的承受“亏损”的实力、低成本、先进而规范的管理手段，内有环境、资源、能源、技术的多重压力，在这样的形势下，我国水泥工业的竞争力何来？如何突围？没有技术的、管理的、营销的创新，即便是大型的中国本土传统水泥企业也会竞争乏力。

    在这样的背景下，审视具有自主知识产权的“国家863凝石项目”就显得特别有时代意义。

    至少，凝石技术使中小水泥企业看到了通过技术改造提升产业水平的希望。8月20日，以中国水泥网为主在杭州支持召开“全国中小水泥企业生存发展出路研讨会(凝石高峰论坛)”，全国近400家中小水泥及相关企业的500多名代表到会，庞大的会场，大家静无声息地听取了专家、生产企业的关于凝石技术的介绍。在开会的当天，就有121家签订了合作意向书。

    中小水泥企业的生存状态是可想而知的。当前，市场上59.4%的水泥是由中小企业提供的。但是，环境、资源、能源的重大压力，国家政策的要求，使得中小水泥都在真切地关心着自己的命运。有鉴于此，孙恒虎教授提出了用凝石技术改造提升中小水泥企业的设想。

    江西有一个实例。据萍乡市市长助理崔传鹏介绍，萍乡已将一个列入关闭之列的年生产能力6.6万吨的狮形山水泥厂改造完毕，去年底开始投产，半年多已经出产1万多吨产品，产品合格率达到98%以上，而且成为萍乡的高新技术企业。

    他们的改造方式和成果：原来是“两磨一烧”工艺，现在只有“一磨”，年生产能力10万吨；生产原料为当地的水渣和粉煤灰等工业废弃物，生产成本与传统水泥比，32.5级的水泥每吨成本下降28元，42.5级的水泥每吨成本下降36元；由于工艺过程减少，用人只是原来的三分之一，即45人；生产线改造总投资100万元。

    浙江江山市常务副市长陈幸尔对记者说的，江山市年产水泥上千万吨，要淘汰的企业涉及生产线11条、产量84万吨和职工1000多人。如果凝石技术给这些企业注入一些活力，这将是他们的最大愿望。（中国水泥网 转载请注明出处）