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凝石技术原理
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    一、 仿地成岩四个方面
    1组成仿地
    地壳中元素组成丰度是根据O、 Si、 Al、 Fe、 Ca等次序排列。在进行材料仿地成岩设计时考虑原材料选择与地壳元素组成丰度大致相符, 不仅能够极大地拓宽制造材料原料资源, 还能够使材料在成份上与大自然含有相容性。图1比较了地壳元素丰度和经典凝石硬化体元素组成, 她们含有极大相同性。

图1 地壳元素组成及凝石元素组成对比
    2过程仿地
    过程仿地目就是发明成岩热力学条件和动力学条件, 加速成岩动力学速度, 以实现岩石化过程人为可控。急冷火山灰在高盐度成岩流体作用下, 能够在近于常温、 常压条件下在极短地质时间内成岩。沉积砂砾也能在不高温度和压力下关键依靠成岩流体作用形成坚硬岩石。
    3结构仿地
    组成地壳岩石关键由架状、 层状、 链状和岛状结构硅酸盐（或铝硅酸盐）矿物组成, 而架状结构硅酸盐总量在50％以上。架状结构硅酸盐不仅含有好耐久性和稳定性, 当架构网络体中含有铝时还含有使大量活泼元素（Na, K, Ca等）稳定化能力。人类要把天然矿物岩石或固体废弃物改造成有用硅酸盐材料总是要有意地利用这些活泼元素来发明适宜动力学条件和热力学条件。所以在进行硅酸盐材料仿地成岩设计时, 以架状结构为主选择不仅能够使材料含有好耐久性和稳定性, 还能够使所需动力学条件与热力学条件更轻易实现。
    4功效仿地
    功效仿地关键是关键是模仿天然矿物、 岩石或地质体高强度、 高耐久性、 高稳定性和包容能力。古罗马著名万神殿、 竞技场等经典古建筑关键由白榴火山灰作为胶凝材料构筑而成, 已经过多年风吹日晒, 仍保持整体完好, 其耐久性令人震惊! 科学家们研究发觉古建筑所用胶凝材料耐久性、 抗酸性和抗冻融能力极强, 并在胶凝物质体系中发觉了方沸石、 钠-钾-钙混合沸石等含有架状结构碱金属水化铝硅酸盐。由此可见, 只要在人类所能达成条件下去模仿地质体所含有基础物质组成和结构特征就能制造出含有一些天然地质体功效人造材料或人造工程。很多地质体（或矿物、 岩石）含有固定放射性元素和重金属元素功效, 功效仿地也将为人类处理这些问题提供有益思绪。
二、 凝石仿地成岩理论基础
    仿地成岩理论关键能够概括为: 一个中心, 两个效应。
    （1）硅中心稳定理论
    理论表述: 硅氧四面体是天然硅酸盐类矿物、 岩石以及一切人造硅酸盐材料稳定关键, 其稳定趋势伴随硅氧四面体含量增加而上升。硅氧四面体在重组过程中含有连接第三主族和第五主族元素离子极其它类似离子趋势, 使这些离子进入以硅氧四面体为主三维空间网络体, 并使这些元素处于四配位稳定状态。因为地壳中Al丰度远远高于其它第三和第五主族元素, 所以天然岩石矿物中硅对铝四配位同构化作用最为常见。
    （2）硅四配位同构化效应
    理论表述: 化学元素周期表中四价元素硅在无机铝硅酸盐中作用就如同碳在有机物中作用一样起到“中心连接”及“骨架稳定”作用。在硅铝体系结构重组过程中, 四价硅四配位特征使硅氧四面体形成架状结构同时, 带动三价和五价元素形成四配位, 并共同形成架状结构。这种作用在使整个体系形成含有岩石架状结构耐久、 稳定特征同时, 也使体系形成了电性不平衡。这种电荷不平衡产生强烈吸引活泼一价离子（如Na＋、 K＋、 Cl－、 F－、 OH－等）和二价离子（如Ca2+、 Mg2+、 SO42-等）场效应, 使这些活泼离子进入网络体空隙中平衡电荷, 并被固定下来, 从而使整个系统处于电平衡稳定状态。进而也起到控制一、 二价元素破坏及腐蚀作用, 即“控碱吸酸包盐”作用。硅这种作用称为硅四配位同构化效应。

    初步试验验证（1）:

  煤矸石凝石原料                          煤矸石凝石硬化28天
图2 煤矸石凝石原料及硬化28后27Al NMR谱图
    图2煤矸石凝石原料27Al NMR谱图中, 在64.58ppm处存在一表征铝四配位峰, 但此峰比较宽化、 漫散, 是晶格畸变和配位混杂特征, 同时在3.25ppm处也有表征铝六配位峰。在成岩流体作用下硬化28天后, 27Al NMR谱图中57.44ppm处表征铝四配位峰变尖锐, 是配位规则化特征, 4.82ppm处峰可认为是少许六配位和仪器测量本征峰叠加造成。所以, 伴随凝石化进行煤矸石凝石中铝配位向四配位转变, 初步证实了硅对铝四配位同构化效应。
    初步验证（2）: 凝石与一般硅酸盐水泥碱－骨料反应膨胀率比较
    参考中国法（CECS48:93）, 对唐山诚信水泥有限企业42.5#硅酸盐水泥和42.5#一般凝石碱－骨料反应膨胀进行了研究, 活性骨料采取玛瑙。结果见表1。
   表1  一般硅酸盐水泥(碱含量0.92%)与凝石碱－骨料反应试验数据比较  %
原材料
蒸养后膨胀率
蒸养和压蒸后膨胀率
蒸养和压蒸后再养护90天后膨胀率
蒸养和压蒸后再养护180天后膨胀率
水泥
0.210
0.337
0.351
0.406
凝石
0.039
0.068
0.070
0.073
    由表1可见, 一般硅酸盐水泥试样在蒸养阶段活性骨料膨胀率就已经超出安全膨胀率（0.1%）范围。而且在压蒸养护阶段膨胀率增值也很大, 甚至在压蒸后膨胀率还有一定增加。相比之下, 能够看出凝石在四个养护阶段膨胀率都没有超出安全膨胀率范围。这说明凝石有着很强抗碱－骨料反应性能, 在凝石混凝土中即使存在一定量活性骨料也不会造成碱－骨料反应破坏混凝土结构。该试验间接地证实了凝石胶凝材料在发生硅对铝四配位同构化效应同时, 控制了碱金属离子活性, 抑制了碱－骨料反应。
    初步验证（3）: 碱溶出试验
    凝石在蒸馏水中浸泡前后化学成份改变见表2, 由表2可知, 凝石在碱溶液中浸泡前后化学成份改变很小, 在浸泡前, Na2O占固体量4.393wt.%, 浸泡后Na2O占固体量4.388wt.%, 这表明: 凝石化学成份中碱金属溶出量极低, 说明碱金属离子已经被固定在凝石结构中, 不易溶出。
    表2 碱溶液浸泡前后凝石化学成份改变
成份
 SiO2    Al2O3    CaO    MgO    Fe2O3    MnO2    Na2O    K2O    烧失
浸泡前
55.34   14.85     6.83    1.25     4.78      0.28      3.85    0.45     12.3
浸泡后
55.29   4.78      6.72    1.18     4.56      0.27      3.82    0.43     13.0