钢渣活性激发及评价研究综述

曹巍 ，宗兰，张士萍，朱秀

（1.安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230601；2.南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167）

0 引言

2014年我国粗钢产量为82 269.78万t，而钢渣约为钢总产量的10%~12%[1]。钢渣作为一种工业废渣，存储量大，并且每年呈递增趋势增长，若不将其充分利用起来，不仅会造成资源浪费，还会给周边环境造成不可估量的危害。 与世界其它用钢大国相比，我国的钢渣综合利用率相对比较低，仅为50%~60%[2]。

由于生产粗钢时所采用的工艺和原料都不完全一样，不同厂产出的钢渣化学组分存在差异性，但其胶凝活性成分与水泥基本相同， 并且活性低于水泥。 钢渣的活性具有潜在性，活性问题限制了其在建筑业的应用。 因此，研究如何有效地激发钢渣的活性以及如何准确评价其活性大小， 具有十分重要的现实意义。 本文综述了钢渣的活性激发及评价方法。

1 钢渣的成分及其活性

钢渣的化学组成主要是由炼钢的初始原材料及相关冶炼工艺所决定的，尽管钢渣的化学成分波动相对较大，但其主要的化学成分基本相似，一般以CaO和SiO2为主， 其中CaO的含量大概在50%左右，SiO2的含量大概在15%左右， 其余为Al2O3、Fe2O3、MgO以及极少量的f-CaO等。

钢渣种类不同，其矿物组成也不同。 对于精炼渣来说，其矿物组成主要是硅酸二钙（C2S）、硅酸三钙（C3S）、RO相、2CaO·Fe2O3、CaO·Fe2O3，而平炉渣的矿物组成主要有橄榄石、 蔷薇辉石和固溶体等。但我国大部分钢渣的矿物组成是以C2S、C3S和固溶体为主，其中硅酸盐矿物（即C2S、C3S）是钢渣胶凝活性的主要来源。 C2S与C3S与水发生如下反应：

钢渣中硅酸二钙（C2S）和硅酸三钙（C3S）的总含量一般在50%以上，因此又将钢渣称为过烧硅酸盐水泥熟料。 它们的区别在于：钢渣的实际生成温度达到1 560 ℃以上， 而硅酸盐水泥熟料的锻烧温度一般只有1 450 ℃左右。因此，钢渣的生成温度相对较高， 其矿物结晶也较致密并且晶粒直径也较大，从而导致其水化反应速度缓慢，表现出较低的胶凝活性。

2 钢渣的活性激发

目前，国内外学者研究钢渣的活性激发，主要从以下3方面着手：①物理激发；②高温激发；③化学激发。

2.1 物理激发

物理激发实质上是指通过机械对钢渣进行研磨，提高钢渣的比表面积和细度，从而提高钢渣的活性。在物理激发的过程中，发生了能量的转换，即有一部分机械能会转化成钢渣颗粒的表面能和内能。一般来说，当晶体的键能发生改变，其晶格也会随之发生损伤， 可能在相应的位置产生晶格错位、缺陷或者重结晶。颗粒表面生成不稳定的非晶态结构，矿物颗粒与水分子间的作用力增大，矿物晶体的结合键减少，水化反应加剧。

赵鸿[3]研究了钢渣的细度及掺量对钢渣胶凝活性的影响，结果表明，钢渣的掺入量为30%时,粉磨时间从30 min延长至50 min时,28 d抗折强度和抗压强度均有所增加。

Kumar S等[4]将钢渣用磨机研磨然后，替代部分水泥。研究发现釆用磨细的钢渣替代部分胶凝材料可以显著地提高胶凝材料整体强度，特别是对提高早期强度效果较明显。

Binici H等[5]通过研究钢渣细度因素对钢渣复合水泥性能的影响，发现掺加比表面积较大的钢渣颗粒，对抗压强度和抗硫酸盐侵蚀性能均有较显著的改善作用。

理论上，钢渣越细，钢渣的活性越高，但要得到更细的钢渣，研磨时间必然要加长，经济成本也就相应地增加。 因此，应根据实际需要来确定钢渣的最优比表面积和粉磨时间。 同时，如果钢渣比表面积增大到一定程度，颗粒的表面能就会增加，钢渣颗粒容易产生团聚现象， 反而会降低粉磨的效果。谷振国等[6]针对不同细度的钢渣粉做了大量的研究工作， 发现当钢渣比表面积增加到一定程度时，试件的强度不仅没有增加反而降低，并且当钢渣掺量较大时，强度下降更明显。

2.2 高温激发

高温激发是指在养护过程中，通过提高养护温度向胶凝体系中提供一定的能量，以激发钢渣的活性。 钢渣玻璃晶体中含有化学键Si-O和Al-O，这两种化学键在热应力的作用下极有可能发生断裂，加快玻璃晶体的解聚作用， 从而加速水化反应速率，提高钢渣的活性。

肖琪仲等[7]在高温蒸养的条件下，对试块进行养护，试块的抗压强度明显提高。同时，从微观的角度分析论证了提高养护温度能加速钢渣体系的水化反应。

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阁培渝等[8]采用微观分析的方法研究了高温养护条件对钢渣类胶凝材料的水化特性的影响，结果发现高温养护可以加快钢渣颗粒的水化反应速率，优化胶凝材料的孔隙结构，减少不利于强度发展的粗孔隙，而中孔隙相应地增大。

Bamett S J等[9]研究了钢渣掺量、养护温度等因素对钢渣粉试块的强度发展。 研究发现，在高温条件下，所有试块的强度增长都很快。 当养护温度为达到40 ℃时， 掺加钢渣粉试块的3 d强度与不掺钢渣粉的试块强度几乎一致。

2.3 化学激发

化学激发是指通过添加化学外加剂来加速钢渣中活性矿物的水化。由于钢渣的活性激发必须要在碱性环境下进行，所以大部分外加剂为碱性激发剂。 常用的化学激发剂以石膏和碱金属盐为主。

2.3.1 石膏激发

石膏激发剂主要有无水石膏(CaSO4)、半水石膏(CaSO4·1/2H2O)以及二水石膏(CaSO4·2H2O)。 石膏作为钢渣的激发剂，加快了水化产物钙矾石的生产速率。无水石膏的溶解速度与溶解度在三种石膏中最大，更能提高钙矾石的形成速度，对试块早期强度的提高十分有利。

Mun等[10]在研究无水石膏对钢渣活性的影响时发现， 添加2.5%无水石膏的试块的3 d抗压强度比未添加激发剂的试块提高了24%，说明无水石膏能有效地激发钢渣的活性， 提高钢渣水泥的早期强度。

Chang等[11]研究了石膏和磷酸两种物质对碱激发钢渣性能的影响，提出石膏类激发剂可以缩短胶凝材料的凝结时间，且石膏激发剂用量越多，试块的抗压强度就越大。

柯昌君[12]从微观结构角度研究了不同纯度的二水石膏对钢渣胶凝材料的力学性能的影响作用。发现，灰色的二水石膏能够显著提高强度，但是白色的二水石膏对强度没有改善作用，并且强度会出现下降现象。

碱金属盐类激发剂主要是指硅酸钠、硅酸钾、碳酸钠、碳酸钾等，其中硅酸钠即水玻璃（R2O·nSiO2），使用最为广泛。 钢渣中含有介稳态的玻璃体，这类玻璃体通常都具有较高的化学内能。当它们受到外界作用时，能够释放出一定的能量，从而表现出具有活性。 玻璃体中的主要存在两种化学键，即Si-O和Al-O，当玻璃体受到外界作用时，这两种化学键会断开，生成正负两种离子。在碱性环境下，这些离子之间会发生反应：

Duran Atis C等[13]分别研究了水玻璃、氢氧化钠和碳酸钠分别对钢渣的激发效果，发现碳酸钠对钢渣的激发效果最好，不仅强度符合要求，而且凝结时间与硅酸盐水泥熟料几乎一致。Bilim C等[14]研究了碱激发剂在不同掺量的钢渣水泥中的活性激发效果。 提出，对于液体硅酸钠，钠含量越高，钢渣水泥胶凝材料的力学性能就越好。 Bakharev T等[15]研究了碱性激发剂对澳大利亚国内生产的钢渣的激发效果，主要基于抗压强度和标准稠度需水量两个参数，发现模数低的硅酸钠激发效果比模数高的好。

与其他激发剂相比，水玻璃的激发效果较好且成本比较低，在实际中得到了广泛的应用。 实验表明，水玻璃模数在1.25～1.50时，才能发挥最好的骨架网络结构和激发效果。

2.3.3 复合激发

实际应用中发现仅仅使用单一品种激发剂时，钢渣的活性激发效果不一定能达到要求，因此可以考虑采用复合激发方法， 即加入双重或多重激发剂。同时，各类激发剂的价格也不完全一样，可以将低价格的激发剂部分替代高价格的激发剂，组成复合激发剂，既可以达到想要的激发效果，又能节约成本。

Sajedi F等[16]采用氢氧化钠、氢氧化钾和硅酸钠三种活性激发剂，结果表明，硅酸钠对钢渣的活性激发效果最好， 而氢氧化钠的激发效果最差；如果采用复合激发剂，则氢氧化钠和氢氧化钾两种激发剂复合的效果最好，其次是氢氧化钠和硅酸钠组成的复合激发剂，且复合激发的效果显著优于单一激发效果。

李丙明等[17]以活性指数为指标评价激发剂的效果，研究了复合激发剂对钢渣复合材料活性的激发效果。 发现当钢渣复合材料掺入量为50%，复合激发剂用量为2%时,7 d和28 d的活性指数都比使用单独一种激发剂的活性指数高。

3 钢渣的活性评价方法

我国绝大部分钢渣是转炉钢渣，不同厂家生产的转炉钢渣的胶凝活性差异很大，需研究找出能够有效评价钢渣活性的方法。

Mason基于钢渣的化学组成定义钢渣的碱度M，并用M来评价钢渣的活性：

我国同样参照Mason的方法对钢渣的碱度进行了定义，并将钢渣按照碱度由高到低分为高碱度渣(M＞2.5)、中碱度渣(M=1.8～2.5)以及低碱度渣(M＜1.8)。一般情况下，钢渣的碱度大于1.8时，才能用于制备钢渣矿渣水泥。 但是，钢渣的胶凝活性并不是随着钢渣碱度的提高而一直提高，用碱度评价钢渣的活性具有一定的局限性。

对于高碱度钢渣，王强提出了将钢渣中胶凝组分与惰性组分之间的比例作为高碱度钢渣活性的活性系数(hydration activity idex，简写为HAI)：

活性指数HAI越高，钢渣的活性就越高。 该方法十分简单，但只能用来比较不同种类钢渣之间的活性高低。

规范是以胶砂强度活性指数（A）来表征钢渣的胶凝活性：

式中：A为钢渣粉的活性指数，Rt为受检胶砂7 d或28 d的强度，R0为比对胶砂7 d或28 d的强度。

该方法实质上反映的是水泥与钢渣粉的叠加效应，钢渣粉本身的活性效应并未有效分离，因此它并不能全面真实地反映钢渣粉本身的活性。

4 结语

目前， 虽然我国钢渣的利用率有走高趋势，但是“高利用率”并不等同于“高效利用”，有些钢渣的活性并未得到有效激发，钢渣的高附加值利用也就无法实现。本文综述了国内外对钢渣活性激发及其活性评价的研究， 试图在前人研究成果的基础上，探究出新的活性激发及活性评价方法。 今后，在钢渣的活性激发方面，应以“效果优，成本低”为原则，注重将多种激发方式相结合；在钢渣的活性评价方面，应以“快、准”为原则，找出一种精确有效、操作简单的活性评价方法。

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