高爐礦渣制備膠凝材料的影響因素綜述

劉新波，房 杰，紀召毅

(山東泰山鋼鐵集團有限公司，山東 萊蕪 271119)

隨著社會經濟的進步，鋼鐵需求量日益增大，鋼鐵行業發展迅速，因此產生較多的廢渣。粒化高爐礦渣(簡稱礦渣)是高爐產生的廢渣熔融體經冷水冷卻后形成的海綿狀浮石類物質。礦渣堆積造成環境污染，資源浪費，從節能環保，資源循環利用角度考慮，礦渣的回收利用具有重大的意義。高爐礦渣是一種經高溫燒制形成的玻璃體結構材料，與硅酸鹽水泥熟料具有相似的化學組成。研究表明其存在潛在活性，是堿激發制備膠凝材料的重要原料[1-2]，本文分析了堿激發礦渣水化特性的影響因素。

1 礦渣化學成分的影響

礦渣主要由CaO、SiO2、Al2O3和MgO組成，各組分的含量與礦石性質、冶煉工藝及原料配比密切相關，導致了其水化特性的差異，進而影響了堿激發礦渣膠凝材料水化反應特性。

Bernal等[3]研究礦渣中MgO含量對礦渣膠凝材料性能的影響規律。研究結果表明，隨著MgO含量的增加，水化產物中生成了類水滑石物相，MgO含量的增加可以提高膠凝材料水化反應程度。除MgO含量外，礦渣中的Al2O3含量也會影響礦渣的水化反應特性。Haha等[4]研究了礦渣中Al2O3含量對礦渣膠凝材料水化反應特性影響。結果表明，Al2O3含量的提高不利于礦渣膠凝材料早期的水化反應，但隨著養護時間的延長，Al2O3含量的變化對抗壓強度的影響逐漸降低。Jambunathan等[5]考察了不同Al2O3含量對膠凝材料水化反應特性的影響，指出Al2O3含量高時體系中會生成水化鋁酸鈣，但隨所處環境溫度的提高，Al2O3含量的降低則有利于穩定試樣的強度。

2 激發劑種類的影響

大量資料報道，pH值是影響礦渣水化性能的關鍵因素，礦渣的水化反應活性隨pH值提高而升高[6-7]。由此可見，激發劑成為影響堿激發礦渣膠凝材料性能的重要因素。

王聰[8]研究水玻璃激發劑對礦渣水化性能的影響規律，結果表明凝結時間比NaOH的短得多，因為水玻璃加快了硅酸根陰離子縮聚的速率，因此凝結時間比NaOH短。Brough等[9]利用硅酸鈉及添加NaCl來激發高爐礦渣水化性能，結果表明在添加量小于4%時，NaCl對礦渣水化有速凝作用。Bakharev[10]等對比硅酸鈉、氫氧化鈉、碳酸鈉等不同活化劑對礦渣活化性能的影響規律，結果表明，硅酸鈉的效果最好。?ivica[11]研究結果表明，水玻璃對礦渣的激發效果要優于硫酸鈉，因為在堿激發礦渣體系中更有利于水化產物的形成。

與采用傳統的激發劑相比，采用Na2CO3和Na2SO4激發的礦渣膠凝材料具有成本低、收縮率低的優勢，成為關注的熱點。吳其勝[12]等研究利用Na2CO3激發礦渣粉煤灰膠凝材料性能規律，結果表明當Na2CO3含量增加時，膠凝材料的強度明顯增加，這說明Na2CO3提高溶液堿度的同時，也形成復雜的水化產物。Rashad等[13]則利用Na2SO4激發礦渣的水化性能規律，結果表明，單獨使用Na2SO4作為激發劑時存在試樣早期強度低的缺點。

張西玲等[14]利用生石灰及消石灰激發礦渣探究水化性能，結果表明一起激發時，試樣的強度較高，單獨利用消石灰激發，試樣的強度隨含量的增加呈現先增大后降低的趨勢。Jeong等[15]考察了二水石膏、NaOH、Na2CO3和Na2SO4對試樣水化性能的影響。研究結果表明，二水石膏的效果明顯優于其他三種激發劑。賀孝一[16]利用水玻璃和NaOH激發偏高嶺土和礦渣混合料,結果表明復合激發劑的效果優于單一激發劑。因此，若單一激發劑效果不理想，可以利用復合激發劑改善膠凝材料的性能。

激發劑種類在堿激發的過程中起著決定性作用，不僅影響水化產物的種類，還會影響試樣的強度，因此，需要根據實際過程中的要求，選擇合適的激發劑體系，既要滿足性能要求，也要考慮經濟因素。

3 礦渣細度的影響

大量文獻表明礦渣比表面積與膠凝材料水化程度成正比關系[17-18]。礦渣細度的提高，可以使礦渣玻璃體結構得到均勻化，顆粒產生微裂縫，堿激發劑中的離子或分子可以進入裂縫，促進玻璃體的溶解，提高活化性能。Wang等[19]考察了礦渣細度與礦渣水化性能的關系，研究表明，礦渣粒徑小于等于20 μm時，對提高試樣抗壓強度具有重要的作用，而粒徑大于20 μm時，礦渣的水化活性會降低，影響試樣的強度。Obuzor等[20]研究表明，礦渣復合水泥比表面積的增加加速了水泥的水化反應速率，隨著養護齡期的延長，比表面積的增大對水泥水化反應程度的影響逐漸減小。

張永娟[21]考察了礦渣細度對礦渣水泥早期水化性能的影響，研究表明礦渣細度越大，其表面活化能越高，因此活性愈高。趙爽[22]采用比表面積為387 m2/g、456 m2/g、512 m2/g的礦渣研究細度對礦渣水化性能的影響，結果表明在堿激發劑量一定的情況下，試樣水化產物的含量增加，礦渣水泥活性隨細度的增加而提高。Shen等[22]研究比表面積為600 m2/kg、800 m2/kg及1000 m2/kg的堿礦渣水泥的水化程度，表明3天時礦渣水化程度為38%～44%，28天時僅增加了3%左右。

礦渣細度主要影響膠凝材料的水化速率，在生產過程中要考慮細度對膠凝材料強度和穩定性的影響。

4 外加劑的影響

可以通過添加外加劑提高堿激發礦渣膠凝材料的性能，目前應用于堿激發膠凝材料的外加劑主要有無機和有機兩大類。其中有機類主要為有機酸、聚丙二醇以及聚羧酸類減水劑，無機類添加劑按化學組成又可分為CaCO3、SiO2、TiO2、MgO等。

Rashad等[23]研究添加石灰石粉對Na2SO4激發礦渣水化性能的影響，結果表明摻入5%石灰石粉可以提高試樣的抗壓強度。Sato等[24]研究指出納米CaCO3的加入，可以起到良好的填充作用，降低孔隙率，促進水化產物C-S-H凝膠的生成，進而提高試樣的強度。潘莉莎等[25]在硅酸鹽水泥中添加木素磺酸鈣減水劑，研究結果表明，減水劑對顆粒物具有分散作用，可以增大與水的接觸面積，提高水化速率。雷西萍[26]在礦渣水泥中添加不同量聚羧酸減水劑驗證對水化性能的影響，結果表明，礦渣水泥3天水化程度被抑制，28天試樣強度超過空白樣，因此隨著養護齡期的延長，水化程度不斷在增加。有機酸類外加劑通常為了延長膠凝材料的凝結時間以保證施工性能。Zhao等[27]的研究表明，酒石酸可以延緩早期的水化速率并限制了鈣礬石在水化初期的生成，保證了砂漿試樣在水化初期的流動性。

5 結語

目前粒化高爐礦渣在國內僅限于生產礦渣水泥、混凝土摻合料等方面，從環保和節能方面考慮，利用粒化高爐礦渣生產水泥的過程不僅會消耗大量的能量，還會對空氣環境造成一定的危害，作為一種高附加價值的二次“資源”利用率較低，開發粒化高爐礦渣利用的新途徑，實現這一資源的再利用具有重要意義。

利用礦渣開發新型膠凝材料代替硅酸鹽水泥是當前研究的熱點，礦渣膠凝材料具有早強、耐酸堿腐蝕等優異性能，大量研究表明，利用化學的方法可以有效地提高粒化高爐礦渣活性，獲得優質膠凝材料，這不僅可以降低礦渣堆放對環境造成的危害，還可以為礦山采空區充填等行業提供膠凝材料，使礦渣得到再利用。目前關于粒化高爐礦渣應用及活化的研究較多，但對礦渣的水化機理認識甚少，導致粒化高爐礦渣的利用受到制約，礦渣的開發利用存在很大潛力，因此，加強對粒化高礦渣水化機理的研究是今后的重點。