礦渣基堿激發膠凝材料研究進展

趙曉峰 劉書文 李春林 安宇坤

摘要：礦渣是冶煉生鐵產生的一種副產物，由于硅鋁礦物含量較高，具有一定潛在活性，經粉磨磨細后可作為制備膠凝材料的原料。本文總結了近年來礦渣基堿激發膠凝材料的研究現狀及發展趨勢，為礦渣高效利用提供依據。

關鍵詞：礦渣;膠凝材料;堿激發反應

我國作為基建大國，鋼鐵需求量日益增加，我國鋼鐵行業發展迅速，與此同時產生的冶煉廢棄物成為亟待解決的問題。其中粒化高爐礦渣是煉鐵高爐產生的廢渣熔融體經冷卻形成的廢渣，其中含有玻璃態活性組分，具有潛在水硬性。在堿性環境下，礦渣中硅氧鍵和鋁氧鍵斷裂形成硅氧四面體和鋁氧四面體，并發生聚合，形成骨架結構使膠凝材料產生強度。此類堿激發膠凝材料具有低碳環保、成本低廉、工藝簡單等特點，對其進行深入研究有利于建設環境友好型社會，有助于實現我國“雙碳”的長期目標。

1堿激發膠凝材料的種類

1.1單組份堿激發膠凝材料

單組份堿激發膠凝材料是指礦粉在堿激發劑的作用下，發生斷鍵-聚合反應，生成的無形性網狀結構材料。與普通水泥相比，堿激發膠凝材料早期強度高、硬化速度快，多用于應急工程如道路快速修補等[1]。研究表明堿激發劑使用氫氧化鈉或水玻璃時，單組份堿激發膠凝材料聚合速度過快，導致硬化后穩定性較差，容易干縮開裂，如何減弱其開裂問題是研究的重點。

1.2多組分堿激發膠凝材料

針對單礦渣組分堿激發膠凝材料收縮嚴重的問題，相關學者做了大量關于多組分堿激發膠凝材料的研究。粉煤灰主要成分也是以硅鋁為主，為球狀顆粒，比表面積大，但由于其中鈣含量較低，反應較慢，活性較低，與礦粉性質相反，通過設計合適的鈣硅比，可以實現對礦粉-粉煤灰堿激發膠凝材料反應速度的調控，滿足使用需求[2]。高嶺土作為一種優質的礦物摻合料，具有較高的活性，其中的大量鋁離子加入膠凝材料中，可以有效增加膠凝材料的交聯程度;另外隨著高嶺土的加入，可以延緩礦渣粉的水化硬化速度，改善工作性，但摻量不易過大，否則會造成強度降低、碳化加快等副作用。尾礦是經選礦工藝后剩余的固體廢棄物，對環境造成大量污染，其主要成分為硅鋁質礦物，具有較低的活性，單獨使用水化強度低，反應緩慢。利用尾礦的特性與礦渣粉結合，可以有效彌補尾礦和礦渣單獨使用的缺點，具有一定的發展空間[3]。

2堿激發膠凝材料的性能

2.1耐久性

利用堿激發膠凝材料制備建筑材料，耐久性是一個重要指標。同水泥混凝土一樣，堿激發膠凝材料也應嚴格控制氯離子含量，否則氯離子破壞鋼筋的鈍化膜，容易導致鋼筋銹蝕進而影響建筑構件的強度。另外，由于堿激發膠凝材料中的堿含量較大，容易發生堿骨料反應，影響整體強度。堿含量過大引發的結晶膨脹也會使漿體發生破壞。

2.2收縮與膨脹

堿激發膠凝材料的收縮主要取決于水灰比，加水量越大，孔隙越多，后期干縮越明顯。同時，不同的堿激發劑對膠凝材料收縮也有一定影響，研究表明，水玻璃的影響最大，氫氧化鈉次之，碳酸鈉的影響最小。為改善堿激發膠凝材料收縮嚴重的問題，可以通過降低水灰比，或使用外加劑，如硫鋁酸鈣、氧化鈣等膨脹劑的方法[4]。

3制備堿激發膠凝材料的影響因素

3.1原料組成與性質

礦渣的主要化學組成包括鈣、硅、鋁、鎂等，其中各組分含量與原礦性質、冶煉工藝等有很大關系，礦渣的化學組成影響著堿激發膠凝材料的性質。研究表明，礦渣中鋁含量過高，對早期水化反應產生不利影響，但對后期強度影響不大。礦渣中鎂含量增加，會增加水化產物中的水滑石類物相，可以一定程度上提高膠凝材料的水化反應程度。

礦渣的細度提高，可增加礦渣粉的比表面積，增大反應面積促進玻璃體溶解以提高活性。比表面積越大，膠凝材料早期強度越高，隨著養護時間的增加，比表面積對水化的影響因子逐漸減小。研究比表面積與膠凝材料水化歷程的影響規律，對指導實際生產的穩定性有重要意義。

3.2堿激發劑種類

常用的堿激發劑有水玻璃、氫氧化鈉、碳酸鈉、硫酸鈉、石灰等。研究表明，水玻璃為堿激發劑時，膠凝材料的凝結時間明顯縮短，且更有利于水化產物的形成，但容易造成收縮嚴重的問題[5]。碳酸鈉與硫酸鈉有著成本低、收縮小的優點，當碳酸鈉的摻量增加時，膠凝材料的強度明顯提高，使用硫酸鈉作為堿激發劑時，存在反應速率慢，早期強度低的缺點。使用石灰作為堿激發劑時，樣品強度隨石灰摻量增加，先增大后減小。針對不同堿激發劑的優缺點，通過試驗設計與驗證，使用復合激發劑提高膠凝材料性能是當前研究的重點。

3.3外加劑

使用高效減水劑能夠有效分散礦渣粉顆粒，增大反應的比表面積，提高反應速率，還能減少用水量，起到提高強度，降低收縮的目的。在膠凝材料中添加鈣質外加劑，可以促進水化硅酸鈣凝膠的形成，填充空隙增加膠凝體系強度。使用有機酸類外加劑，能夠起到緩凝作用，以保證不同環境下的施工要求。

4 結語

礦渣作為一種優質的活性膠凝材料越來越得到重視，有著不同于粉煤灰、尾礦等固體廢棄物的性質，在制備堿激發膠凝材料方面具有很大前景。目前還需要進一步深入研究其反應機理、影響因素，并出臺相關標準，為實際工程應用提供理論基礎與標準保障。

參考文獻：

[1]何月，李星辰，丁銳.堿激發膠凝材料的進展[J].北方建筑，2020，5（04）：47-51.

[2]劉夢珠. 堿激發膠凝材料的制備及性能研究[D].北京建筑大學，2020.DOI：10.26943/d.cnki.gbjzc.2020.000563.

[3]孔令煒，孫士成.堿激發膠凝材料的研究現狀綜述[J].綠色環保建材，2019（11）：16+18.DOI：10.16767/j.cnki.10-1213/tu.2019.11.010.

[4]張東磊.堿激發礦渣膠凝材料綜述[J].四川建材，2018，44（11）：45-46.

[5]鄭文忠，鄒夢娜，王英.堿激發膠凝材料研究進展[J].建筑結構學報，2019，40（01）：28-39.DOI：10.14006/j.jzjgxb.2019.01.003.