凝石技术原理

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一、仿地成岩的四个方面
    1组成仿地
    地壳中元素组成的丰度是按照O、Si、Al、Fe、Ca等顺序排列的。在进行材料的仿地成岩设计时考虑原材料的选择与地壳元素组成丰度大致相符，不但可以极大地拓宽制造材料的原料资源，还可以使材料在成分上与大自然具有相容性。
2过程仿地
    过程仿地的目的就是创造成岩的热力学条件和动力学条件，加速成岩的动力学速度，以实现岩石化过程的人为可控。急冷的火山灰在高盐度成岩流体的作用下，可以在近于常温、常压的条件下在极短的地质时间内成岩。沉积的砂砾也能在不高的温度和压力下主要依靠成岩流体的作用形成坚硬的岩石。
    3结构仿地
    构成地壳的岩石主要由架状、层状、链状和岛状构造的硅酸盐（或铝硅酸盐）矿物组成，而架状构造硅酸盐总量在50％以上。架状构造硅酸盐不但具有好的耐久性和稳定性，当架构网络体中含有铝时还具有使大量活泼元素（Na，K，Ca等）稳定化的能力。人类要把天然的矿物岩石或固体废弃物改造成有用的硅酸盐材料总是要有意地利用这些活泼元素来创造合适的动力学条件和热力学条件。因此在进行硅酸盐材料的仿地成岩设计时，以架状构造为主的选择不但能够使材料具有好的耐久性和稳定性，还能够使所需的动力学条件与热力学条件更容易实现。
    4功能仿地
    功能仿地主要是主要是模仿天然矿物、岩石或地质体的高强度、高耐久性、高稳定性和包容能力。古罗马著名的万神殿、竞技场等经典古建筑主要由白榴火山灰作为胶凝材料构筑而成，已经过2000多年的风吹日晒，仍保持整体完好，其耐久性令人震惊！科学家们的研究发现古建筑所用胶凝材料的耐久性、抗酸性和抗冻融能力极强，并在胶凝物质体系中发现了方沸石、钠-钾-钙混合沸石等具有架状结构的碱金属水化铝硅酸盐。由此可见，只要在人类所能达到的条件下去模仿地质体所具有的基本物质构成和结构特征就能制造出具有某些天然地质体功能的人造材料或人造工程。很多地质体（或矿物、岩石）具有固定放射性元素和重金属元素的功能，功能仿地也将为人类解决这些问题提供有益的思路。
二、凝石仿地成岩的理论基础
    仿地成岩的理论核心可以概括为：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的核心，其稳定趋势随着硅氧四面体含量的增加而上升。硅氧四面体在重组过程中具有连接第三主族和第五主族元素离子极其它类似离子的趋势，使这些离子进入以硅氧四面体为主的三维空间网络体，并使这些元素处于四配位稳定状态。由于地壳中Al的丰度远远高于其它第三和第五主族元素，因此天然岩石矿物中硅对铝的四配位同构化作用最为常见。
    （2）硅的四配位同构化效应
    理论表述：化学元素周期表中的四价元素硅在无机铝硅酸盐中的作用就如同碳在有机物中的作用一样起到“中心连接”及“骨架稳定”作用。在硅铝体系结构重组过程中，四价硅的四配位特性使硅氧四面体形成架状结构的同时，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具有岩石架状结构的耐久、稳定特性的同时，也使体系形成了电性不平衡。这种电荷不平衡产生强烈的吸引活泼一价离子（如Na＋、K＋、Cl－、F－、OH－等）和二价离子（如Ca2+、Mg2+、SO42-等）的场效应，使这些活泼的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、二价元素的破坏及腐蚀作用，即“控碱吸酸包盐”作用。硅的这种作用称为硅的四配位同构化效应。