鋼渣中非穩定性物質微觀結構和性能的研究現狀與展望

李恩碩 胡晨光 蘇 航 付佳偉

(1.華北理工大學材料科學與工程學院,河北 唐山 063210;2.河北省無機非金屬材料重點實驗室,河北 唐山 063210)

鋼渣是煉鋼過程中產生的固體廢棄物，其產生量約為粗鋼產量的15%～20%。據統計，2020年我國粗鋼產量達10.65億t，占世界產量的56.7%，其中鋼渣產生量約為1.5億t[1-2]。然而，目前我國鋼渣利用率較低，僅為29.5%[3]，大量鋼渣的堆存不僅占用土地資源，而且易造成環境污染。

鋼渣資源化利用率低的首要原因是其安定性不良問題。通常認為f-CaO、f-MgO和RO相(二價金屬氧化物組成的連續固溶體)等非穩定性物質是影響鋼渣安定性的主要因素[4-9]。當鋼渣用于水泥混凝土、道路、土木工程等領域時，這些非穩定性物質會與水發生反應，生成Ca(OH)2和Mg(OH)2，導致體積膨脹，造成嚴重的工程質量問題，對人們的生命安全產生極大隱患。探明和掌握鋼渣中非穩定性物質的微觀結構和水化、膨脹特性等性能的變化規律，是揭示鋼渣在工程應用中發生質量問題根源的關鍵，是提出鋼渣穩定化處理措施和后期資源化利用途徑的理論支撐和依據。因此，本文針對鋼渣中f-CaO、f-MgO和RO相等非穩定性物質微結構和性能的研究現狀進行綜述，并展望其未來研究方向。

1 鋼渣中f-CaO的微觀結構研究現狀

1.1 直接法研究鋼渣中f-CaO微結構現狀

鋼渣中f-CaO的產生主要有2個來源[10]:① 在煉鋼過程中加入石灰石、白云石等物質以除去碳、磷、硫等雜質，石灰石等物質在高溫煅燒(死燒)過程中將參與生成硅酸鹽、鋁酸鹽和鐵鋁酸鹽等活性礦物組分，也有部分石灰被礦物組分覆蓋，阻止其進一步反應，導致石灰部分殘留形成f-CaO[11];② 熱渣中的C3S極不穩定，在1 250 ℃降至1 100 ℃的過程中會由穩定相轉變成亞穩定相，C3S分解成C2S和CaO[12]，形成次生CaO。

鋼渣中f-CaO微觀形貌、尺寸、分布狀態等微觀結構參數是影響鋼渣安定性的關鍵因素。眾多學者研究發現鋼渣中f-CaO微結構與其堿度直接相關。唐衛軍等[13]利用巖相顯微鏡研究了堿度為3.26的首鋼轉爐鋼渣，發現鋼渣中f-CaO有2種形貌:一種是尺寸約為40 μm、呈圓粒狀的f-CaO，其主要源于未反應的石灰，呈集中分布的特點;另一種是尺寸約為10 μm、呈不規則形狀的f-CaO，其主要源于C3S分解，分布較為分散。吳啟帆等[14]利用BSE-EDS對高堿度(3.70)的轉爐鋼渣進行了研究，也發現鋼渣中存在30～50 μm、呈堆積狀態的無規則形狀的f-CaO。可見，高堿度鋼渣中f-CaO主要以大粒徑(約40 μm)堆積形式存在，如此大粒徑的f-CaO是引起鋼渣安定性不良的主要原因。然而，《道路用鋼渣》(GB/T 25824—2010)[15]中提出，鋼渣粗骨料在浸水膨脹率≤2.0%時符合安定性要求;同時，研究發現陳化可有效改善鋼渣的安定性，并且《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)[16]中提出，鋼渣粗集料破碎后陳化6個月以上，且鋼渣中f-CaO含量不大于3%，浸水膨脹率不大于2%，即可用于瀝青混凝土。但是，目前符合浸水膨脹率要求的鋼渣粗骨料，以及經過不同陳化時間的鋼渣中f-CaO的微結構尚不夠明確，尤其是陳化消解過程中f-CaO微結構的演變規律尚不清楚。

李丙明[17]采用SEM-EDS分析堿度為2.0的鋼渣，發現f-CaO尺寸約為20 μm，呈不規則球狀。可見，中堿度鋼渣與高堿度鋼渣中f-CaO的存在形式相近，均存在較多死燒的大尺寸呈聚集分布的f-CaO。但是，中堿度鋼渣中f-CaO顆粒尺寸有所減小。由此可知，鋼渣堿度降低將使f-CaO尺寸減小，進而經過相同的陳化時間，低堿度鋼渣中f-CaO的消解速度將更快。但是，目前關于不同堿度鋼渣經不同陳化時間處理后的f-CaO微觀結構轉變規律的研究還不足，尤其是針對不同粒徑的鋼渣粗骨料，還需要深入研究。

另外，鋼渣的冷卻方式也是影響f-CaO微觀形貌的重要因素。張玉柱等[18]利用BSE研究了緩冷渣、氣淬渣、熱燜渣的微觀形貌，發現在緩冷渣中存在3種不同種類的f-CaO，一種是被其他物質包裹，尺寸約為80 μm的圓粒狀f-CaO;另外還有少許存在于RO相、晶界尺寸約為5 μm的薄膜狀f-CaO;第三種是被C2S包裹，尺寸約為8 μm的細長條狀f-CaO。氣淬鋼渣中存在2種形貌的f-CaO，分別是厚度約為5 μm的薄膜狀f-CaO和被黑色相包裹、尺寸約為10 μm的長條狀f-CaO。熱燜鋼渣中僅存在分布于C3S周圍，尺寸為10 μm左右的細長狀f-CaO，但其尺寸和數量明顯小于緩冷鋼渣。可見，緩冷渣中存在大量大顆粒圓粒狀f-CaO，氣淬處理會減少大尺寸f-CaO的生成，同樣熱燜處理也可消解大尺寸f-CaO。

綜上可知，在中、高堿度鋼渣中存在大量大尺寸球形呈聚集分布的f-CaO，而堿度的降低和采用氣淬、熱燜等處理方式可降低f-CaO的含量和顆粒尺寸。盡管降低鋼渣堿度和利用氣淬、熱悶處理技術可減小f-CaO的顆粒尺寸，但是這些鋼渣中小尺寸f-CaO仍具有安定性不良的隱患，目前關于這些小尺寸f-CaO微觀形貌、堆積程度、分布狀態等微結構在后期應用過程中的轉變規律還不清晰，其微結構轉變與鋼渣的長期穩定性關系，尚未有明確的判定標準。

1.2 化學合成法研究f-CaO微結構現狀

眾多學者選用化學合成的方法，研究鋼渣中不同組成f-CaO的微觀結構。CaO為面心立方晶體結構，主要特征晶面有(111)、(200)、(220)、(311)、(222)、(400)、(331)、(420)、(511)、(440)、(531)。施惠生[19]研究發現，隨著煅燒溫度的升高(1 100 ℃～1 500 ℃)，CaO晶體點陣中原子排列更趨于規則，缺陷減少，晶格畸變減小;并且隨著煅燒時間的延長，CaO晶體結構更致密，晶格更加完整。煉鋼爐爐內溫度為1 600 ℃左右，鐵氧化物(FeOx)和錳氧化物(MnOy)可能溶解在f-CaO中[20]，形成非化學計量的氧化物[21]，以CaO·aFeOx·bMnOy的形式存在，鋼渣中不同部位f-CaO固溶體的a、b、x、y值不同且不確定。因此，難以直接表征鋼渣中f-CaO固溶體微結構，目前主要利用化學合成的方法來分析離子摻雜對f-CaO微結構的影響規律。

Fe2+、Mn2+的離子含量直接影響f-CaO組分的結構、形貌、分布狀態。JIA等[22]研究了Fe2O3摻雜對f-CaO微結構的影響規律，由于FeO晶體結構與CaO相同，其Fe2+(77 pm)與Ca2+(99 pm)離子半徑相對差大于15%，形成置換型有限固溶體Ca2Fe2O5[23]，隨著Fe與Ca摩爾比的增加，在Fe2+取代Ca2+后，CaO晶面間距逐漸減小;同時，純f-CaO晶粒為呈層狀分布的致密結構，當有Fe2O3摻雜到CaO中，形成的CaO-Fe2O3固溶體以樹枝狀包裹在CaO周圍，隨著Fe/Ca摩爾比的增加，液態狀態下的Ca2Fe2O5沿CaO基體的晶界和縫隙流動，使其對CaO的包裹更加緊實。同時，JIA等[24]還采用相同的方法，分析了Fe2O3和MnO2對f-CaO微結構的影響，發現摻入Fe離子和Mn離子后會形成有限固溶體Ca3Fe1.5Mn1.5O8，不規則地分布在f-CaO顆粒中。JI等[25]向CaO中摻雜MnO和Fe2O3這2種組分，在CaO/(MnO+Fe2O3)摩爾比不變的情況下，利用SEM和XRD研究了MnO/FeO摩爾比對f-CaO微觀形貌和晶體結構的影響規律，發現隨著MnO/FeO摩爾比的增大，CaO(220)晶面間距逐漸降低，此研究與JIA等[24]研究結論相一致;同時，隨著MnO/FeO摩爾比的增大，形成的CaO固溶體的堆積程度逐漸松散，晶粒顆粒逐漸減小。由此可見，Fe離子、Mn離子固溶到f-CaO中，均能使f-CaO晶面間距減小，晶粒尺寸減小，其中Mn離子的減小作用更強。

綜上可知，在CaO中加入Fe2+、Mn2+后會在高溫條件下形成固溶體，從而導致f-CaO的致密度升高，晶粒尺寸減小，其中Mn2+對晶粒尺寸的降低作用更強。目前關于f-CaO固溶體的研究主要集中在Fe離子和Mn離子摻雜方面，并且化學合成法中樣品的制備主要采取緩冷方式。由于鋼渣的種類多、化學成分波動大、冷卻工藝不同等因素[26]，鋼渣中f-CaO固溶體與化學合成的微結構勢必存在較大差異。因此，現有關于化學合成f-CaO固溶體的研究，尚缺乏其他離子摻雜(如Mg2+)、冷卻工藝(熱潑、熱悶等)以及堿度等影響因素的系統考察，尚不能全面揭示實際鋼渣中f-CaO固溶體微結構的變化規律，今后有必要對此深入研究。

2 鋼渣中f-CaO水化和膨脹性能研究現狀

2.1 直接法研究鋼渣中f-CaO性能的現狀

鋼渣中f-CaO的水化反應是導致鋼渣后期膨脹的主要原因之一。馮濤等[27]研究發現，在水化初期，鋼渣中f-CaO水化活性低，水化數量較少，僅形成較小的無定形Ca(OH)2晶體，在水化后期無新的晶核產生。隨著水化時間的延長，前期生成的Ca(OH)2逐漸長大，并在鋼渣內呈集中分布[28]。同時，WANG等[29]利用SEM對粉磨后鋼渣制備的混凝土(標準養護360 d)試樣進行分析，發現生成了不規則的或松散的Ca(OH)2大晶體，與C2S、C3S水化生成的規則層狀和片狀的Ca(OH)2顯著不同[30]。這種不規則松散結構的Ca(OH)2生成后堆積在鋼渣內部，占用較大體積，導致后續f-CaO水化產生較大的體積膨脹。THOMSON[31]研究發現，鋼渣經過1 700 ℃高溫，致使其中的f-CaO結構致密，水化活性降低，在30 min內鋼渣中f-CaO的水化速度相對低于生石灰。

WANG等[32]假定f-CaO顆粒水化前后為球體和理想的六方晶體，按照固體體積占比74%、空隙占比26%計算，若球體體積增加1%，空隙體積將增加26/74×1%=0.351%，根據完全反應理論計算，固體相增加97.92%，空隙將增加34.40%，最終通過理論計算得出鋼渣中f-CaO完全反應體積膨脹將達到127.78%。ERLIN等[33]研究得出鋼渣長時間的水化反應導致鋼渣體積逐漸增大91.7%。翁一男[34]研究了鋼渣水泥膠凝材料中f-CaO的水化膨脹規律，并建立了相應數學模型，但該模型只適用于較低的鋼渣摻量。龍躍等[35]研究了鋼渣集料中f-CaO的水化膨脹特性，發現集料體積與膨脹率有一定關系，并推導出鋼渣粒徑與膨脹率之間的關系。磨煉同等[36]基于鋼渣中f-CaO含量、分布、反應活性及與水反應難易程度，提出鋼渣集料體積膨脹演化模型，模型呈現出快速膨脹、緩慢上升、最后達到穩定的3個階段;結合鋼渣水泥、鋼渣級配碎石、鋼渣混合料對模型參數擬合驗證，得出鋼渣骨料的體積膨脹率與脹裂率均與f-CaO含量密切相關，90 ℃浸水脹裂率宜控制不大于10%;同時，通過ABAQUS溫度-位移模型和材料脆性斷裂模型，模擬不同位置及富集程度的f-CaO體積膨脹對鋼渣脆性裂紋的產生與擴展，發現位于近表面的f-CaO比內部f-CaO更容易造成局部脹裂。LU等[37]研究蒸壓條件下鋼渣粉和硅酸鹽水泥膠凝材料，發現α-Ca2(SiO3OH)(OH)生成，其主要是140～160 ℃水熱條件下γ-C2S或β-C2S水化形成，進而導致體積膨脹。由此可知，壓蒸方式下鋼渣的體積膨脹還與γ-C2S或β-C2S水熱反應有關。除了鋼渣的膨脹性能研究，WANG[38]對壓蒸粉化率分別為3%、2%、5%的鋼渣(粒徑16～20 mm)，利用膨脹力的測試裝置，進行單粒徑鋼渣膨脹力的分析，得出3種鋼渣的膨脹力在74±3 ℃的養護條件下，分別為806、556、1 609 N，相應的表面張應力分別為0.54、0.57、1.28 MPa。

由上可見，現有研究已在鋼渣中f-CaO水化性能，鋼渣的膨脹率、膨脹力，以及f-CaO含量、分布、反應活性與鋼渣集料體積膨脹之間的關系等方面，取得了一定研究成果。然而，在鋼渣實際堆存過程中，經過長期陳化的鋼渣并未全部膨脹粉化，因此在低濕度和低二氧化碳濃度的室外條件下鋼渣中f-CaO水化反應速度、離子傳輸過程、顯微結構層面力的傳導機制均將與高濕度或浸泡條件存在差異，但目前鋼渣中f-CaO陳化消解機理還不夠清楚，尤其是鋼渣中f-CaO陳化消解的反應規律與其長期穩定性的關系還不明確。

2.2 化學合成法研究f-CaO性能的現狀

f-CaO微結構與水化活性直接相關。SHI等[39]利用水化熱微量熱儀研究了不同煅燒溫度下純CaO水化放熱和水化動力學，及其與工業石灰水化特性的對比，得出隨著煅燒溫度的升高，CaO晶粒尺寸逐漸增大，晶體中原子的排列更加規則，晶體中缺陷減少，晶格畸變減小，CaO晶體表面能減小，水化活性降低，水化速度變慢;但升高養護溫度，有利于提高CaO的水化反應活性;同時得出工業石灰中其他氧化物水化會促進純CaO水化反應。除了開展純f-CaO水化性能研究外，眾多學者還進行了Fe離子和Mn離子摻雜對f-CaO固溶體組分水化性能的影響研究。

研究得出，FeOx和MnOy固溶到CaO結構直接影響CaO水化活性。JIA等[22]研究摻雜Fe2O3對f-CaO水化規律的影響，通過吉布斯函數計算發現，Fe2O3摻雜CaO的水化反應驅動力降低，導致f-CaO的水化活性降低;同時利用XRD測試，發現常溫水化36 h后，純CaO完全水化，但摻雜Fe2O3-CaO組分中僅有純CaO水化生成Ca(OH)2，固溶體組分并未反應;并且高溫高壓(216 ℃，2 MPa)條件下也僅有部分固溶體組分發生水化，可見固溶體的水化活性較低。除了Fe外，Mn也是影響f-CaO組分水化的重要元素，為了更加精確地模擬各種f-CaO組分，JIA等[24]還研究了摻雜Fe2O3和MnO2對CaO水化反應的影響，摻雜后產生的Ca2Fe2O5和Ca3Fe1.5Mn1.5O8這2種固溶體，會包裹CaO，進而抑制CaO與H2O在水合過程中的接觸，并且隨著MnO2與FeO1.5摩爾比的增加，阻止CaO與H2O接觸的作用越強，造成CaO固溶體水化活性降低;同時，又利用熱力學計算，證實了Fe2O3和MnO2摻雜后CaO組分水化驅動力降低，水化活性減弱。

另外，JI等[25]選用FeO和MnO摻雜，在摩爾比CaO/(MnO+FeO)=5的條件下，分別在室溫36 h、沸煮3 h、壓蒸(216 ℃，2 MPa)3 h下，研究了FeO和MnO摩爾比值(0.17/0.03、0.14/0.06、0.1/0.1、0.08/0.12)對f-CaO水化活性的影響規律，發現固溶體的(220)晶面間距隨FeO/MnO摩爾比的增大而增大，晶粒堆積致密程度逐漸降低;當FeO/MnO摩爾比較大時，在室溫36 h下樣品中純CaO完全水化，固溶體部分水化，甚至在壓蒸條件下固溶體仍有部分未水化;當FeO/MnO摩爾比較小時，在室溫36 h水化條件下固溶體水化程度相對較小，而煮沸條件可提高固溶體水化程度。可見，MnO和FeO總量不變情況下，MnO物質的量越高，FeO物質的量越低，f-CaO固溶體的水化程度略有降低;另外通過熱力學計算分析也證實了上述結論。

同樣，呂楊[40]也在摩爾比CaO/(Fe2O3+MnO2)=5的條件下，研究了常溫36 h和煮沸3 h條件下，Fe2O3/MnO2摩爾比(0.17/0.03、0.14/0.06、0.1/0.1)對f-CaO固溶體水化規律的影響，證實了純f-CaO水化活性較高，水化速率較快;f-CaO固溶體相水化活性較低;另外得出，與純f-CaO水化活性相比，不同Fe2O3和MnO2含量比值的f-CaO固溶體相水化活性相差較小。由上可見，Fe2O3和MnO2摻雜均會降低f-CaO固溶體的水化活性，Mn離子摻雜降低f-CaO固溶體水化活性的程度略高于Fe離子。但是，當前對合成f-CaO固溶體水化規律的研究主要集中在固定CaO/(MnO+FeO)摩爾比值，由于鋼渣堿度不同，CaO/(MnO+FeO)摩爾比值不同也勢必影響f-CaO固溶體的水化特性，對于此還需系統分析;同時，關于合成f-CaO固溶體的研究主要采用緩冷方式，其與通常的鋼渣冷卻工藝(熱潑、熱悶等)不同，若合成f-CaO固溶體經歷熱潑或熱悶等工藝后，f-CaO固溶體的后期膨脹特性勢必不同。

盡管目前研究得出，Fe2+和Mn2+的摻雜會降低f-CaO固溶體的水化活性，其中Mn2+對水化活性的降低作用略高。但是，由于鋼渣含有大量C2S、C3S等活性較高的礦物，其在水化反應過程中將會生成水化硅酸鈣、氫氧化鈣等產物，這些產物中的多種離子耦合作用，也將影響f-CaO固溶體的水化反應規律和機理。因此，需要針對不同CaO/(MnO+FeO)含量比、多種水化產物離子種類和含量對f-CaO固溶體微結構和水化性能的影響進行系統研究。

3 鋼渣中f-MgO和RO相的微觀結構研究現狀

f-MgO和RO相是影響鋼渣安定性的另外2種重要的非穩定性物質，由于鋼渣中f-MgO和RO相存在狀態與鋼渣的堿度直接相關，二者密不可分，因此對2種物質進行綜合一并論述。饒磊[41]利用SEM和XRD研究了堿度為4.0、3.0、2.5、2.0和1.5的5種鋼渣，發現隨著堿度的降低，C3S和MgO含量逐漸減少，C2S和RO相含量逐漸增加，除成分變化外，形貌也是微觀結構的重要參數。唐明述等[42]采用偏光顯微鏡發現堿度為1.06的電爐氧化渣中RO相是以FeO為主的方鐵石固溶體，形貌為樹枝狀或樹葉狀，MgO則主要存在于鎂橄欖石和鎂薔薇石中;而在堿度為2.49的馬鋼平爐后期渣中，RO相主要由FeO、MnO固溶而成，形狀為圓粒狀或樹枝狀，MgO以方鎂石的形式存在。可見，鋼渣堿度的增加促進方鎂石形成，有利于MnO固溶到MgO-FeO相中，并促進圓粒狀RO相形成。肖琪仲[43]采用XRD分析發現高堿度鋼渣中MgO以RO相形式存在;而低堿度鋼渣中MgO以CRS、C3MS2和RO相形式存在，因此在堿度不同的情況下鋼渣中MgO的存在形式和RO相的組成有所差別。這些不同存在形式的MgO和不同組成的RO相隨堿度的變化，其鋼渣穩定性勢必不同，當鋼渣經過不同的陳化時間后，MgO的存在形式以及RO相組成的變化規律也將存在差異，對于此均是今后需要研究的方向。

此外，堿度還會影響f-MgO和RO相的分布。CHEN等[44]利用BSE-EDS分析3種堿度的鋼渣，發現3種鋼渣中RO相均由鎂、鐵、錳的氧化物組成。2種鋼渣中的RO相微觀形貌呈中心分布，且其中1種MgO-FeO-MnO相表面散布著大量的FeO。而在另外的第3種鋼渣中，RO相由小而破碎的相組成。同時，3種鋼渣中的RO相均分布于硅酸鈣或鐵酸鈣周圍，呈無定形狀。

史志新等[45]采用礦相顯微鏡和BSE對堿度2.71、3.61、4.18和4.23的鋼渣進行研究，發現堿度為2.71的鋼渣中，RO相含量較多，且呈無規則形狀填充在鐵方鎂石和硅酸二鈣之間;堿度為4.18的鋼渣中存在較多的長板狀、墨藍色的條狀硅酸三鈣，分布于RO相周圍;另外堿度為4.23的鋼渣中RO相分布狀態與堿度4.18的鋼渣相似。

綜上可知，堿度是影響鋼渣中f-MgO和RO相微結構的關鍵因素。鋼渣堿度增加有利于方鎂石的生成，并且促進MnO固溶到MgO-FeO固溶體中，促進圓粒狀RO相形成;同時促進硅酸三鈣形成，并分布于RO相周圍。同樣，由于鋼渣經過不同時間的陳化處理，尤其是經過長期的陳化，其內部MgO和RO相分布狀態的變化規律，目前尚不夠清楚，也需今后深入探討。

4 鋼渣中f-MgO和RO相水化和膨脹性能研究現狀

f-MgO和RO相水化速度相當緩慢，在水化16.5個月后，依然在進行緩慢的體積膨脹，且沒有下降和趨于穩定的趨勢[46-47]。同時鋼渣中f-MgO和RO相對安定性影響機理較為復雜[48]，不同存在形式的MgO對鋼渣體積穩定性影響不同[49-51]。宋堅民[49]和羅壽蓀[51]認為，以鈣鎂橄欖石、鎂薔薇輝石、鎂尖晶石形式存在以及固溶在硅酸鹽、鋁酸鹽、鐵鋁酸鹽相中的MgO不會引起體積膨脹;以游離態存在的方鎂石會引起鋼渣體積膨脹[52]。鋼渣中f-MgO的緩慢水化會導致固相的體積增大2.48倍[53-55]。MONTENEGRO-COOPER等[56]建立了氧化鎂含量和爐渣膨脹的關系，較為精準地預測鋼渣后期膨脹大小，另外提出解析模型，精準預測爐渣膨脹率的變化。

唐明述等[42]采用高倍顯微鏡結合XRD和化學分析，研究養護5～6 a的鋼渣和330 ℃、127個大氣壓壓蒸7 h的首鋼鋼渣，發現2種鋼渣中含有大量的RO相，未發生水化反應。肖琪仲[43]對不同堿度鋼渣進行不同壓力(2.5、5.0、10、15 MPa)壓蒸4 h處理，對壓蒸前后鋼渣XRD分析發現，壓蒸條件對任何堿度鋼渣中的RO相均無顯著影響。

然而，有學者發現堿度是影響RO相膨脹的關鍵因素。錢光人等[57]研究發現，低堿度鋼渣中MgO與FeO、MnO形成固溶體，不以結晶的方鎂石形式存在，不具備煮沸膨脹的特性。針對高堿度鋼渣中RO相的膨脹，羅壽蓀[51]以RO相的屬性參數[KM=nMgO/n(FeO+MnO)]作為依據，把高堿度鋼渣歸類為3種形式:① 當KM＜1時，RO相的存在形式為方鐵礦，RO相不會對鋼渣造成穩定性破壞，此時對應的RO不影響鋼渣的穩定性;② 當KM＞1時，此時RO相的存在形式為方鎂石，對應的RO相會對鋼渣造成穩定性破壞;③ 當KM=1時，以上所述2種情況都有可能發生。

此外，鋼渣中的f-MgO和RO相的組成分布較為復雜，在鋼渣中對其水化的表征較為困難，因此眾多學者選用化學合成方法分析f-MgO和RO相水化機理。HOU等[58]將MgO和FeO按照不同摩爾比(xFeO/MgO，x=0.2、0.4、0.5、0.6、0.8、1.0、2.0和3.0)合成RO相，利用XRD和TG-DTA分析發現:隨著FeO與MgO摩爾比的增加，RO相的水化活性逐漸減小。

鋼渣中RO相的組成主要為MgO、FeO和MnO，MnO也對RO相微結構和性能有一定影響。CHEN等[59]在MgO/(FeO+MnO)摩爾比為1的條件下，研究FeO和MnO摩爾比(0.9/0.1、0.7/0.3、0.5/0.5、0.3/0.7)對RO相微結構和水化活性的影響，利用XRD和EDS分析RO相的結晶狀態和元素組成分布，由于3種氧化物的晶體形態相同且尺寸相似，在4種不同配比條件下均生成無限固溶體，同時在EDS面掃描圖中發現RO相中各元素分布很均勻，但隨著FeO/MnO摩爾比增大，RO相固溶體的微觀形貌越完整，結構越致密;另外FeO/MnO的摩爾比為0.9/0.1和0.5/0.5時，RO相不發生水化;摩爾比為0.7/0.3時，RO相輕微水化;當摩爾比為0.3/0.7時，水化程度最大，RO相水化能力越強。因此，在FeO和MnO總量不變的情況下，FeO含量的增加使RO相水化活性降低，MnO增加利于RO相水化。

另外CHEN等[44]固定MgO/(FeO+MnO)摩爾比為1，設置對照組為MgO·FeO，研究FeO與MnO摩爾比(0.9/0.1、0.7/0.3、0.3/0.7)對RO相微結構的影響，發現隨著FeO/MnO摩爾比的降低，RO相(111)晶面間距逐漸增大。隨著FeO/MnO摩爾比的降低，常溫水化3 h，100 ℃煮沸3 h和220 ℃、2 MPa這3種水化條件下RO相的水化活性均增大，同時發現煮沸和蒸壓均會促進RO相的水化反應。

綜上可知，目前關于f-MgO和RO相水化導致鋼渣膨脹的影響規律進行了較多研究，游離態的方鎂石對鋼渣體積膨脹的影響較大，建立了氧化鎂含量和爐渣膨脹的相互關系，進而預測鋼渣后期膨脹大小;同時鋼渣中RO相水化活性與堿度、KM=nMgO/n(FeO+MnO)直接相關，鋼渣中RO相并非完全穩定，當KM≥1時，RO相可能對鋼渣造成穩定性破壞。MgO中摻雜FeO會生成無限固溶體，促進MgO結構致密，水化活性降低，在FeO和MnO總量不變的條件下，MnO含量高利于RO相水化，并且提高養護溫度或采用蒸壓方式均促進RO相水化。但是，對鋼渣中f-MgO和RO相水化產物微結構的研究還不充足，仍有待深入研究。RO的穩定性與反應條件、KM值直接相關，盡管常溫下RO相水化速度慢，但在不同的堿度、KM值以及反應條件下，鋼渣中RO相的長期穩定性也是今后的研究方向。

5 結論與展望

(1)鋼渣的堿度和冷卻工藝直接影響f-CaO的微觀形貌、分布狀態。中、高堿度鋼渣中f-CaO均呈大尺寸(20～40 μm)球形聚集分布狀態，堿度降低和采用氣淬、熱燜處理工藝可減小f-CaO顆粒尺寸。Fe離子、Mn離子固溶作用均使f-CaO晶面間距減小，晶粒尺寸減小，其中Mn離子的降低作用更強。然而，目前關于不同堿度鋼渣經不同陳化時間處理以及不同冷卻工藝處理后的f-CaO微觀結構轉變規律的研究還不足，尤其是針對不同粒徑的粗骨料鋼渣，及其微結構轉變與鋼渣長期穩定性關系的判定標準，是未來探究的方向。

(2)鋼渣中f-CaO水化早期形成較小的無定形Ca(OH)2，后期晶體逐漸長大，形成不規則的或松散的Ca(OH)2，造成鋼渣體積膨脹，其理論計算值可達127.78%，實測值可達91.7%。同時，建立了低摻量鋼渣水泥膠凝材料中f-CaO水化膨脹相應的數學模型;基于鋼渣中f-CaO含量、分布、反應活性及與水反應難易程度，提出了鋼渣集料體積膨脹演化模型;探明了鋼渣壓蒸粉化率與單粒徑鋼渣膨脹力的相互關系。在化學合成方法方面，Fe2O3和MnO2摻雜均會降低f-CaO固溶體的水化活性，其中Mn離子降低作用略高。

然而，在不同鋼渣堿度、處理工藝、陳化時間、水化程度等因素影響下，f-CaO在鋼渣中水化反應速度、離子傳輸過程、顯微結構層面力的傳導機制等還不明確，以及鋼渣中C3S、C2S等活性礦物等多種水化產物離子種類和含量對f-CaO水化過程與鋼渣的膨脹特性、長期穩定性的關系也是今后的研究方向。

(3)堿度是影響鋼渣中f-MgO和RO相微結構的關鍵因素。鋼渣堿度增加，促進方鎂石形成，并且有利于MnO固溶到MgO-FeO固溶體中，促進圓粒狀RO相形成;堿度增加還促使RO相分布于硅酸三鈣相之間。但是，由于f-MgO水化活性較低，鋼渣經過不同時間的陳化處理，尤其是經過長期的陳化，其內部的MgO和RO相微結構的變化規律需今后深入研究。

(4)游離態的方鎂石會引起鋼渣體積膨脹，體積將增大2.48倍。MgO中摻雜鐵、錳氧化物后形成的RO相微觀形貌更加緊密，水化活性越差，而MnO含量高有利于提高RO相水化活性，并且高溫或高壓促進RO相水化。同時，建立了氧化鎂含量和爐渣膨脹的關系，可預測鋼渣后期膨脹大小。另外，鋼渣中RO相水化活性與堿度、KM=nMgO/n(FeO+MnO)直接相關，鋼渣中RO相并非穩定，當KM≥1時，RO相均可能對鋼渣造成穩定性破壞。但目前對于RO相穩定性的判定尚未有明確的標準，并且對其評價的方法也不明確和統一，對于此將是未來的研究方向。盡管常溫下RO相水化速度慢，但在不同堿度、KM值以及反應條件下，鋼渣中RO相的長期穩定性還需進一步探討。

(5)鋼渣中f-CaO、f-MgO和RO相參與水化的反應活性存在差異，f-CaO是影響鋼渣安定性的主要因素。但是，f-CaO、f-MgO和RO相等非穩定物質耦合作用下的反應歷程、各自貢獻程度，以及對鋼渣膨脹特性的影響機制均不清晰，同時非穩定物質耦合作用下鋼渣長期穩定性的判定標準和評價方法，均有待今后深入研究。