??? 摘要：

??? 鋼渣具有與硅酸鹽熟料相似的礦物組成，是一種具有潛在活性的膠凝材料。采用適當(dāng)?shù)幕罨绞郊ぐl(fā)其活性，可將鋼渣應(yīng)用于水泥、混凝土領(lǐng)域。本文介紹了鋼渣活性的來(lái)源，鋼渣活性激發(fā)的各種方法，重點(diǎn)討論了常用激發(fā)劑的激發(fā)機(jī)理，并對(duì)今后鋼渣活性激發(fā)的發(fā)展趨勢(shì)作了預(yù)測(cè)。

??? 關(guān)鍵詞：鋼渣；活性；激發(fā)；鋼渣水泥

??? Resent Development of Activation of Steel SlagActivitySU Deng-cheng1, TANG Xing-guo2, LIU Ren-yue1, XU Zhenning1,ZHANG Tong-sheng3
1. Sinoma（Suzhou） Construction Co. Ltd., TechnicalDepartment, Suzhou 215300, China
2. CHINA CEMENT ASSOCIATION, Beijing 100831, China
3. College of Materials Science and Engineering, SouthChina University of Technology, Guangzhou 510640, ChinaAbstract: The mineral composition of steel slag is similar with silicate clinker. It is a cementitious material in potential and can be used in cement and concrete area after been activated. The source of slag’s activity and various methods of activating its activity as well as the activating mechanisms are introduced. Chemical activators and its activating mechanism are discussed in detail. The trend of activating activity of steel slag in the future is predicted. Keyword: steel slag; activating; activity; steel slag cement

??? 前言

??? 隨著鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的日益擴(kuò)大，伴生了大量的鋼渣、礦渣等固體廢棄物。礦渣是一種活性很好的水泥混合材和混凝土摻合料，在水泥、混凝土中己經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。鋼渣因其水化活性低、化學(xué)成分波動(dòng)大、安定性差、質(zhì)地堅(jiān)硬難破碎、富鎂鐵等原因，一直沒(méi)有得到充分利用。鋼渣產(chǎn)量大約是粗鋼產(chǎn)量的12～20%[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)各煉鋼廠(chǎng)堆存鋼渣達(dá)2億多噸，占地一萬(wàn)多畝，而且還在以每年3000多萬(wàn)噸遞增。大量鋼渣的堆放不僅占用土地，還對(duì)渣場(chǎng)周?chē)h(huán)境造成嚴(yán)重污染。鋼渣具有與硅酸鹽熟料相似的礦物組成，是一種具有潛在活性的膠凝材料。采用適當(dāng)?shù)幕罨绞綄?duì)鋼渣進(jìn)行處理，以激發(fā)其活性，提高其安定性，可將鋼渣資源化，大量應(yīng)用于水泥、混凝土領(lǐng)域。不僅可有效解決環(huán)境問(wèn)題，對(duì)建材工業(yè)的節(jié)能降耗、降低成本、減少CO2排放量、實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文對(duì)鋼渣活性激發(fā)技術(shù)及其激發(fā)機(jī)理進(jìn)行了綜述。

??? 1、鋼渣成分及其潛在膠凝性的來(lái)源

??? 鋼渣的化學(xué)組成與水泥熟料相似，但含有大量不穩(wěn)定的游離CaO、FeO和MgO。其主要礦物組成為[2,3]：C2S、C3S、RO相、鎂薔薇輝石，另有少量玻璃相、鈣橄欖石、C3A、f-CaO及數(shù)量不等的鋼粒。鋼渣活性來(lái)源于鋼渣中的C2S、C3S等活性礦物，具有水硬膠凝性的基礎(chǔ)條件。鋼渣礦物組成及含量與其堿度有關(guān)。鋼渣的堿度是指鋼渣中CaO與SiO2、P2O5含量之比，即R=CaO/（SiO2+P2O5）。通常按堿度的不同把鋼渣分為低堿度渣（<1.8）、中堿度渣（1.8-2.5）和高堿度渣（>2.5）。低堿度渣的主要礦物為橄欖石、薔薇輝石、RO相；中堿度渣的主要礦物組成為C2S、C3S；高堿度渣以C3S為主要礦物。鋼渣中CaO含量越高，堿度越大，C3S含量越多，活性越高[2]。原因在于鋼渣的潛在活性需要堿來(lái)激發(fā)。鋼渣活性的激發(fā)機(jī)理[3]如下：隨著堿度的增加，鋼渣中橄欖石結(jié)合CaO生成薔薇輝石，并釋放出RO相。
2（CaO?RO?SiO2）+CaO→3CaO?RO?2SiO2+RO （1）堿度進(jìn)一步提高時(shí)，薔薇輝石結(jié)合CaO生成硅酸二鈣：3CaO?RO?2 SiO2+CaO→2（2CaO?SiO2）+RO （2）當(dāng)其堿度提高到3以上時(shí)，硅酸二鈣進(jìn)一步結(jié)合CaO生成硅酸三鈣：
2CaO?SiO2+CaO→3CaO?SiO2 （3）

??? 可見(jiàn)，堿度直接影響C2S、C3S含量。我國(guó)70％以上的鋼渣為轉(zhuǎn)爐渣。轉(zhuǎn)爐鋼渣堿度高，C2S、C3S含量高，鋼渣活性高[3]。目前鋼渣水泥生產(chǎn)中利用的主要是堿度較高的轉(zhuǎn)爐鋼渣。高堿度鋼渣中含有與硅酸鹽水泥熟料中相似的C2S和C3S，兩者含量在50％以上[4]，具有如下水化反應(yīng)的能力：
2（3CaO?SiO2）+6H2O→3Ca（OH）2+3CaO?2SiO2?3H2O（水化硅酸鈣）（4）
2（2CaO?SiO2）+4H2O→3CaO?2SiO2?3H2O（水化硅酸鈣）+Ca（OH）2 （5）
3 C a O ? A 1 2 O 3 + 6 H 2 O → 3 C a O ? A 1 2 O 3 ? 6 H 2 O （ 水化鋁酸三鈣）（6）
鋼渣與水泥熟料的不同之處在于，鋼渣的形成溫度在1560℃以上，遠(yuǎn)高于硅酸鹽水泥熟料的燒成溫度。由于生成溫度較高、保溫時(shí)間長(zhǎng)，使鋼渣中的C2S、C3S、f-CaO、方鎂石等礦物結(jié)晶完好、晶粒較大、水化速度緩慢，與水泥中相同礦物相比活性要低的多，而且容易引起體積膨脹問(wèn)題。

??? 2、鋼渣活性激發(fā)的方法及其機(jī)理

??? 雖然鋼渣中含有較多C2S、C3S等活性礦物，但其本身活性較低，很難與水迅速地發(fā)生反應(yīng)，必須采用物理、化學(xué)的方法對(duì)其潛在活性加以激發(fā)[5]。本文介紹的鋼渣活性激發(fā)技術(shù)主要有：物理激發(fā)、化學(xué)激發(fā)以及熱力激發(fā)等。

??? 2.1、鋼渣粒化與安定性的解決

??? 為使鋼渣粒化，便于回收廢鋼和鋼渣綜合利用，普遍采用悶渣的方法對(duì)鋼渣進(jìn)行處理[6-8]。悶渣是將熱態(tài)（600℃以上）鋼渣置于密閉鋼罐內(nèi)，然后對(duì)其間歇式噴水使鋼渣急冷，利用急冷時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力，使鋼渣龜裂破碎。噴水后產(chǎn)生的飽和蒸氣滲入渣中，使中f-CaO悶解，鋼渣中f-CaO含量顯著降低（<1.5%），從而使鋼渣安定性得到改善[6]。悶渣處理后，鋼渣比表面積大幅度提高，從而使得鋼渣的活性得到提高。

??? 2.2、物理激發(fā)鋼渣活性

??? 物理激發(fā)又稱(chēng)機(jī)械活化，即用機(jī)械法將鋼渣粉碎研磨，提高鋼渣細(xì)度，使鋼渣中玻璃體結(jié)構(gòu)遭到破壞，將硅酸鹽、鋁酸鹽等活性礦物從玻璃體中暴露出來(lái)。鋼渣細(xì)度越大，其潛在活性被激發(fā)出來(lái)的速度越快。當(dāng)鋼渣的比表面積達(dá)到400～500m2/kg時(shí)，其潛在活性被充分地激發(fā)出來(lái)，使鋼渣膠凝材料早期強(qiáng)度得到大幅度提高。甄廣常[2]等用磨細(xì)鋼渣粉制得了鋼渣摻量在30～50％的52.5復(fù)合水泥。寶鋼也利用磨細(xì)鋼渣粉作混凝土摻合料，取得了良好的實(shí)用效果和經(jīng)濟(jì)效益。

??? 2.2.1、物理激發(fā)鋼渣活性的機(jī)理

??? 鋼渣的物理激發(fā)過(guò)程中，隨著鋼渣顆粒的減小，比表面積增大，部分粉磨能轉(zhuǎn)化為新生顆粒的內(nèi)能和表面能。在強(qiáng)機(jī)械力作用下，礦物晶格產(chǎn)生錯(cuò)位、缺陷、重結(jié)晶，結(jié)晶度下降，表面形成易溶于水的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。鋼渣顆粒與水接觸面積增大，加速水化反應(yīng)速率，從而提高了鋼渣活性[9]。

??? 2.2.2、物理激發(fā)中應(yīng)該注意的幾個(gè)問(wèn)題

??? （1）由于鋼渣形成過(guò)程的多變性和鋼渣成份波動(dòng)的復(fù)雜性，應(yīng)針對(duì)某種鋼渣或某廠(chǎng)鋼渣專(zhuān)門(mén)進(jìn)行粉磨機(jī)理和物料性能的試驗(yàn)研究，以確定其最佳細(xì)度和粉磨工藝參數(shù)。此外，在粉磨過(guò)程中，可以考慮加入一定量的助磨劑。

??? （2）隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼渣比表面積增大，表面能顯著增加。鋼渣顆粒間作用力的增大使鋼渣顆粒產(chǎn)生團(tuán)聚，物料處于磨細(xì)-團(tuán)聚的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，表觀粒度不再顯著減小，粉磨效率降低。另外，粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，使處理成本相應(yīng)增加。因此，必須根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要控制鋼渣細(xì)度。

??? （3）目前鋼渣水泥的生產(chǎn)工藝是將熟料、鋼渣、礦渣和石膏等混合磨細(xì)。由于鋼渣易磨性差，導(dǎo)致其細(xì)度達(dá)不到要求，影響了其活性激發(fā)效果。若將鋼渣先磨至合適細(xì)度，再與熟料、激發(fā)劑及其他混合材混合磨細(xì)，對(duì)鋼渣活性的發(fā)揮大有益處。

??? 2.3、化學(xué)激發(fā)鋼渣活性

??? 化學(xué)激發(fā)（堿激發(fā)）是通過(guò)提高液相堿度的方法來(lái)加速鋼渣中活性礦物的水化。堿性環(huán)境是鋼渣活性激發(fā)的首要條件。堿性激發(fā)劑的加入提高了液相堿度，使液相的pH值保持在12（鈣礬石的形成在pH=11.8最為有利）左右，有利于鈣礬石的形成和C3S、C2S水化速度的提高，從而激發(fā)了鋼渣活性。常用的激發(fā)劑有：石膏、石灰和堿金屬的硅酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽、氫氧化物等[10]，以水玻璃的應(yīng)用最為廣泛。

??? 2.3.1、化學(xué)激發(fā)鋼渣活性的機(jī)理

??? 鋼渣在形成過(guò)程中經(jīng)歷了高溫和急冷過(guò)程，主要含有介穩(wěn)態(tài)的玻璃體。鋼渣中玻璃體[11]的主要化學(xué)鍵是Si-O鍵和Al-O鍵，它們分別以[SiO4]四面體和[A1O4]四面體或[AlO6]配位多面體的形式存在[12]。對(duì)于[SiO4]四面體而言，Si4+的配位數(shù)是4，每個(gè)Si4+與4個(gè)O2-相連，每個(gè)橋氧與2個(gè)Si4+相連，進(jìn)而形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。鋼渣經(jīng)過(guò)破碎和粉磨后，其表面存在著斷鍵，在激發(fā)劑形成的堿性環(huán)境中會(huì)按照前述的（4）、（5）式發(fā)生C3S、C2S的水化，生成H3SiO4-。而H3SiO4-又發(fā)生如下反應(yīng)：鋁酸鹽礦物（ 如C 3 A 等） 在O H - 離子作用下， 水化生成H3AlO42-。而H3AlO42-、H3SiO4-與Ca2+、Na+反應(yīng)生成沸石類(lèi)水化產(chǎn)物：H3AlO42-+H3SiO4-+Ca2+→kCaO?jAl2O3?mSiO2?nH2O（9）H3AlO42-+H3SiO4-+Ca2++Na+→pNa2O?kCaO?jAl2O3?mSiO2?nH2O（10）[AlO6]多面體處于鋼渣玻璃體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之外，是網(wǎng)絡(luò)變形體，配位數(shù)為6。玻璃體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)解聚后，[AlO6]多面體以Al（OH）2+的形式進(jìn)入溶液，形成水溶性離子，并與溶液中已經(jīng)存在的H3SiO4-、OH-、Ca2+和Na+發(fā)生反應(yīng)生成沸石類(lèi)水化產(chǎn)物：Al（OH）2++H3SiO4-+Ca2++OH-→kCaO?jAl2O3?mSi02?nH2O（11）Al（OH）2++H3SiO4-+Ca2++Na++OH-→pNa2O?kCaO?jAl2O3?mSiO2?nH2O（12）在反應(yīng)（7）-（10）中，[AlO4]四面體和[AlO6]多面體不斷發(fā)生反應(yīng)，生成大量沸石類(lèi)水化產(chǎn)物，消耗了反應(yīng)（4）、（5）所生成的H3SiO4-，使反應(yīng)（4）、（5）得以不斷進(jìn)行下去，使Si-O鍵和Al-O鍵不斷被破壞，玻璃體逐漸解聚。研究表明，沸石類(lèi)水化產(chǎn)物有很高的強(qiáng)度和耐久性[13]，反應(yīng)（7）-（12）生成的沸石類(lèi)水化產(chǎn)物不斷發(fā)生交織和連生，使水泥石結(jié)構(gòu)逐漸形成和增強(qiáng)[14]。

??? 2.3.2、水玻璃激發(fā)鋼渣活性

??? 許多學(xué)者認(rèn)為水玻璃（硅酸鈉，俗稱(chēng)泡花堿）具有雙重作用[15]。水玻璃水解生成NaOH和硅膠。前者大大提高了液相PH值（>13），從而使玻璃態(tài)硅氧網(wǎng)絡(luò)迅速解離，加速了水化反應(yīng)的速率；后者由于本身具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，起到了晶核作用，并與液相中的Ca2+、Al3+等離子發(fā)生反應(yīng)，生成C-S-H或水化鋁酸鈣，促使鋼渣水泥進(jìn)一步水化。

??? 水玻璃作鋼渣活性激發(fā)劑時(shí)，水玻璃本身的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在水化初期起到了網(wǎng)絡(luò)骨架作用，鋼渣水化生成的水化硅酸鈣和鋁酸鈣凝膠在網(wǎng)絡(luò)中起到鑲嵌和填充作用。其水化過(guò)程為：水玻璃在攪拌過(guò)程中均勻地分布于鋼渣中，形成最初的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。水泥熟料中的硅酸鹽、鋁酸鹽等礦物水生成水化硅酸鈣和鋁酸鈣等凝膠，并釋放出大量的OH-、Ca2+、Al3+等離子。在Na+、OH-等離子的激發(fā)下，鋼渣中玻璃態(tài)的Si-O鍵、Al-O鍵結(jié)構(gòu)迅速解離，硅氧及鋁氧離子團(tuán)溶出，并與鋼渣釋放出的Ca2+、Al3+等離子反應(yīng)生成C-S-H-Al凝膠。隨著鋼渣水化反應(yīng)的不斷進(jìn)行，水化產(chǎn)物填充或銜接于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，使水泥石結(jié)構(gòu)逐漸密實(shí)，強(qiáng)度逐漸提高[16]。

??? 2.3.2.1、水玻璃模數(shù)對(duì)鋼渣激發(fā)效果的影響

??? 水玻璃的化學(xué)式為Na2O?nSiO2，n稱(chēng)為水玻璃的模數(shù)[17]。水玻璃中除含有Na+、[SiO4]4-和硅膠外，還含有高聚合度網(wǎng)絡(luò)狀的硅酸鈉[18,19]。鈉含量一定時(shí)，水玻璃的模數(shù)表示了硅酸根的含量，同時(shí)也表示著水玻璃的結(jié)構(gòu)。當(dāng)水玻璃的模數(shù)較低時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)支離破碎，鋼渣中溶出的Ca2+、Al3+和玻璃體解離的碎片即使全部銜接在網(wǎng)絡(luò)體中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也不夠致密，因而強(qiáng)度不高，激發(fā)效果不好。當(dāng)水玻璃模數(shù)過(guò)高時(shí)Na2O的相對(duì)含量降低，Si-O-Si網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中被斷開(kāi)的部位減少，水玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較完整。一方面，由于水玻璃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為完整，使水化液相的稠度增加，鋼渣水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量增加，水灰比升高，根據(jù)傳統(tǒng)的鮑羅米強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式，水泥的強(qiáng)度隨水灰比的增大而降低。另一方面，網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)部位的減少，導(dǎo)致鋼渣中溶出的Ca2+、Al3+和玻璃體解離出的碎片無(wú)法鑲嵌在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，水泥石的結(jié)構(gòu)不密實(shí)，因而強(qiáng)度也不高。因此，水玻璃模數(shù)過(guò)高時(shí)對(duì)鋼渣活性的激發(fā)效果也不顯著。實(shí)驗(yàn)研究表明，只有水玻璃模數(shù)在1.25-1.50時(shí)，才能較好地激發(fā)鋼渣活性，使鋼渣水泥的強(qiáng)度大幅度提高[16]。徐彬[14]等用模數(shù)為1.5水玻璃做鋼渣活性激發(fā)劑，獲得了強(qiáng)度達(dá)425#～525#的鋼渣水泥。

??? 2.3.2.2、水玻璃對(duì)鋼渣水泥水化的影響

??? 對(duì)于水玻璃激發(fā)的鋼渣水泥，在水化初期，水玻璃、部分晶體和無(wú)定型物組成初始網(wǎng)絡(luò)骨架，但網(wǎng)絡(luò)中含有大量的空隙，結(jié)構(gòu)不完整。隨著水化時(shí)間的延長(zhǎng)，C-S-A-H凝膠含量逐漸增加，網(wǎng)絡(luò)中的空隙不斷被填充。經(jīng)28d水化后，其空隙明顯細(xì)化、減少，水化產(chǎn)物相互交織，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐步完善，形成結(jié)構(gòu)密實(shí)的水泥石。鋼渣水泥的28d水化產(chǎn)物主要是C-S-A-H凝膠，說(shuō)明水化產(chǎn)物主要是以硅氧四面體（Al3+取代部分Si4+）為基本骨架形成的三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[18,19]。普通水泥中硅酸鹽礦物水化時(shí)通常有較多Ca（OH）2生成，但在鋼渣礦渣水泥水化產(chǎn)物中Ca（OH）2含量很少，其原因在于當(dāng)鋼渣和礦渣比例適當(dāng)時(shí)，鋼渣、礦渣相互激發(fā)達(dá)到最佳，絕大多數(shù)Ca2+都加入到網(wǎng)絡(luò)中形成了C-S-A-H凝膠。使鋼渣、礦渣潛在的膠凝活性得到充分發(fā)揮。此外，水玻璃水解生成的硅膠，填充了水泥石的孔隙，加強(qiáng)了顆粒間的粘接力，使水泥石密實(shí)堅(jiān)固，從而提高了鋼渣水泥的強(qiáng)度。

??? 2.3.3、Na2SO4激發(fā)鋼渣活性

??? 鋼渣水泥中熟料含量較低，水化初期釋放的Ca（OH）2較少，液相堿度較低，不利于水化產(chǎn)物的形成和鋼渣中玻璃體的解聚。而Na2SO4的加入可使液相pH值接近12，為鈣礬石（Aft）的形成創(chuàng)造了合適的堿性環(huán)境。同時(shí)，Na2SO4對(duì)鋼渣中玻璃體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破壞的更徹底、分解的更完全，水化初期水化產(chǎn)物大量增加[20]。鋼渣解離出的活性[SiO4]4-、[AlO4]5-等與Ca（OH）2反應(yīng)形成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣，水化鋁酸鈣與硫酸根反應(yīng)形成水化硫鋁酸鈣。這些水化產(chǎn)物相互交叉、連接、填充、堵塞和切斷毛細(xì)管孔，使水泥凝結(jié)加快，孔隙率降低，早期強(qiáng)度得到提高。隨著水化反應(yīng)的不斷進(jìn)行，水化反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)入由低聚物向高聚物的聚合過(guò)程，該過(guò)程同時(shí)發(fā)生在水化產(chǎn)物層（活性礦物顆粒表面已水化形成水化產(chǎn)物層）的內(nèi)外兩側(cè)。外側(cè)水化產(chǎn)物的形成不斷填充孔隙，使孔隙率降低，或與相鄰的水化產(chǎn)物相互粘結(jié)，增加產(chǎn)物之間的作用力。內(nèi)側(cè)的水化物不斷形成，提高了水化顆粒的內(nèi)應(yīng)力，增加水泥顆粒的水化程度。

??? 在高鋼渣摻量的水泥體系中，Na+離子是分解、解聚鋼渣玻璃體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最主要離子之一，使網(wǎng)絡(luò)離子團(tuán)成為孤立狀、具有反應(yīng)活性的陰離子團(tuán)。Ca2+既參與了網(wǎng)絡(luò)離子團(tuán)的解聚過(guò)程，又是與活性陰離子團(tuán)反應(yīng)形成水化產(chǎn)物的重要離子之一。溶液中必須有足夠的Ca2+以保證水化產(chǎn)物的不斷形成。Ca2+含量是影響鋼渣水泥水化反應(yīng)速率的重要因素之一。它首先與[SiO4]4-、[AlO4]5-等離子團(tuán)反應(yīng)，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等產(chǎn)物。并與SO42-、水化鋁酸鈣反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣，完成了SO42-的“二次水化反應(yīng)”[21]。該反應(yīng)不斷地促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)離子團(tuán)的分解解聚，加速了鋼渣礦物的水化，從而提高了鋼渣活性。因此，體系中Na+、Ca2+、SO42-的作用是相互聯(lián)系相互依存的。水化后期，Ca2+、Na+也參與水化反應(yīng)并進(jìn)入水化產(chǎn)物，其在溶液中的含量也不斷減少。

??? 若Na2SO4的摻入量過(guò)多，水化初期液相堿度迅速提高，熟料礦物快速水化，玻璃體迅速解聚，生成大量的水化產(chǎn)物。早期水化產(chǎn)物過(guò)多過(guò)快地生成，使產(chǎn)物彼此分布不均、鑲嵌不良造成局部大孔較多。由于水化產(chǎn)物尺寸較小并圍繞在未水化顆粒周?chē)纬杀容^致密的水化產(chǎn)物層，妨礙了水化后期所必需的離子遷移、擴(kuò)散，使后期水化速率緩慢。早期形成的局部大孔得不到足夠水化產(chǎn)物的填充，水泥石呈現(xiàn)多孔隙的不良結(jié)構(gòu)，后期強(qiáng)度較低。因此，Na2SO4摻量不易過(guò)高。

??? 2.3.4石膏激發(fā)鋼渣活性

??? 常用的石膏激發(fā)劑有二水石膏（C a S O 4? 2 H 2O）、半水石膏（CaSO4?1/2H2O）和無(wú)水石膏（CaSO4）。當(dāng)用石膏作激發(fā)劑時(shí)，鋼渣水泥水化產(chǎn)物主要是水化硅酸鈣和鈣礬石，但數(shù)量有限。如加入少量熟料，可提高溶液中Ca（OH）2的濃度，生成較多的水化硅酸鈣和鈣礬石。石膏消耗完以后，鈣礬石向單硫型水化硫鋁酸鈣轉(zhuǎn)化：
3CaO?A12O3?6H2O+3CaSO4+25H2O→3CaO?A12O3?CaSO4?31H2O（鈣礬石）（13）
在無(wú)水、半水和二水石膏中，無(wú)水石膏溶解速度與溶解度較大，可提高鈣礬石的形成速度，有利于提高鋼渣水泥早期強(qiáng)度，對(duì)鋼渣活性的激發(fā)效果最為顯著。范付忠[22]、J.D.Bapat[23]等采用適量石膏作激發(fā)劑制備出的鋼渣水泥強(qiáng)度可達(dá)42.5-52.5，且硬化漿體的抗硫酸鹽性能顯著提高。

??? 2.3.5、鋁硅酸鹽激發(fā)鋼渣活性

??? 鋁硅酸鹽組分在鋼渣、礦渣共同水化過(guò)程中起積極作用，其原因在于鋁硅酸鹽結(jié)構(gòu)中鈣、鋁的配位極不規(guī)則，本身具有水化較快、早期強(qiáng)度高等特性。在有石膏存在的水化初期，它們水化生成大量的棒狀和針狀的鈣礬石晶體，這些晶體互相交錯(cuò)搭接，為早期強(qiáng)度提供了微觀保證。鋁硅酸鹽在水化初期快速水化生成鈣礬石，大量消耗了體系中的Ca2+。液相中Ca2+濃度的降低導(dǎo)致C2S、C3S水化反應(yīng)速率加快，在水化早期生成大量無(wú)定型水化硅酸鈣凝膠，促進(jìn)了早期強(qiáng)度的發(fā)展[24]。但過(guò)量的鋁硅酸鹽激發(fā)劑會(huì)導(dǎo)致急凝等異常情況的發(fā)生。

??? 2.3.6、強(qiáng)堿激發(fā)鋼渣活性

??? 強(qiáng)堿激發(fā)劑主要是CaO、NaOH等。強(qiáng)堿可迅速提高體系堿度，鋼渣中玻璃體表面的Ca2+、Mg2+在OH-的作用下生成Ca（OH）2、Mg（OH）2，使玻璃體表面遭到破壞。連續(xù)的富鈣相玻璃體為OH-提供了從被破壞表面進(jìn)入玻璃體內(nèi)部的通道。Ca（OH）2與鋼渣溶出的活性陰離子團(tuán)反應(yīng)生成C-S-H凝膠。隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，Ca
（OH）2不斷生成C-S-H凝膠，C-S-H凝膠不斷沉積，使鋼渣水泥漿體逐漸稠硬化，宏觀表現(xiàn)為強(qiáng)度增加[25]。除了上述幾種常用激發(fā)劑外，有些文獻(xiàn)也報(bào)道了用其他激發(fā)劑激發(fā)鋼渣活性的方法。張德成[26]等用8-12％的鋁硅酸鉀（鈉）作激發(fā)劑摻入鋼渣、礦渣中，研制成了一種早強(qiáng)無(wú)熟料42.5鋼渣水泥。在鋼渣、礦渣中摻入一定量的石灰石也能加速鋼渣、礦渣的水化[27,28]。此外，加入硅酸鹽水泥熟料可以提高鋼渣礦渣體系的堿度，也能很好地激發(fā)鋼渣的活性[13,29]。

??? 2.4、復(fù)合激發(fā)

??? 通常單獨(dú)使用一種激發(fā)劑，鋼渣的活性激發(fā)效果并不理想。在實(shí)際應(yīng)用中，常采取同時(shí)使用兩種或多種化學(xué)激發(fā)劑的方法，即復(fù)合激發(fā)。試驗(yàn)證明，復(fù)合激發(fā)的效果明顯優(yōu)于單獨(dú)激發(fā)。復(fù)合激發(fā)可利用各種激發(fā)劑的優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)化鋼渣活性的激發(fā)效果，減少激發(fā)劑的摻入量，從而在保障鋼渣活性激發(fā)效果的前提下，降低鋼渣水泥的成本。
黃振榮[30]等以硅酸鈉和無(wú)水石膏為復(fù)合激發(fā)劑，制成了一種無(wú)熟料鋼渣、礦渣復(fù)合水泥，其早期和后期強(qiáng)度都能達(dá)到42.5水泥的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。王秉綱[31]等用硫酸鹽、硅酸鹽、鋁酸鹽作復(fù)合激發(fā)劑，研制出了一種高強(qiáng)無(wú)熟料鋼渣、礦渣復(fù)合水泥，其強(qiáng)度可達(dá)62.5。

??? 2.5、熱力激發(fā)鋼渣活性

??? 林宗壽[32]等將鋼渣、粉煤灰、石膏按擬定比例混合均勻，加水成型、蒸氣養(yǎng)護(hù)、陳化、烘干、磨細(xì)作為預(yù)處理料，壓蒸溫度100℃，壓蒸時(shí)間12h，陳化12h，烘干溫度110℃，經(jīng)過(guò)測(cè)試可知，采用熱力激發(fā)可得到活性相當(dāng)高的鋼渣處理料，當(dāng)鋼渣摻入量達(dá)35％-40％時(shí)，仍可穩(wěn)定生產(chǎn)42.5R鋼渣水泥。熱力學(xué)激發(fā)的機(jī)理在于：在蒸壓條件下，鋼渣中玻璃體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)受熱應(yīng)力的作用，其網(wǎng)絡(luò)形成鍵Si-O鍵和Al-O鍵更容易發(fā)生斷裂，有利于玻璃體解聚，水化反應(yīng)的速率加快，從而使鋼渣的活性得到了顯著提高。

??? 3、展望

??? 鋼渣活性的激發(fā)效果關(guān)系到鋼渣在水泥、混凝土中的應(yīng)用，物理激發(fā)雖可以很好地激發(fā)鋼渣活性，但對(duì)鋼渣細(xì)度的要求較高，使鋼渣處理成本增加。化學(xué)激發(fā)以硅酸鈉的激發(fā)效果最佳，但也同樣存在著成本高的問(wèn)題。從目前國(guó)內(nèi)外的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，物理激發(fā)與化學(xué)激發(fā)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膹?fù)合是一種不錯(cuò)的方法，既能降低鋼渣水泥的成本，又能很好地提高鋼渣活性，是今后鋼渣活性激發(fā)研究和應(yīng)用的發(fā)展方向。

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??? 作者：蘇登成1，唐興國(guó)2,劉仁越1，徐振寧1，張同生3

??? 來(lái)源：1.蘇州中材建設(shè)有限公司2.中國(guó)水泥協(xié)會(huì)3.華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院