高炉矿渣制备胶凝材料的影响因素综述

刘新波，房 杰，纪召毅

(山东泰山钢铁集团有限公司，山东 莱芜 271119)

随着社会经济的进步，钢铁需求量日益增大，钢铁行业发展迅速，因此产生较多的废渣。粒化高炉矿渣(简称矿渣)是高炉产生的废渣熔融体经冷水冷却后形成的海绵状浮石类物质。矿渣堆积造成环境污染，资源浪费，从节能环保，资源循环利用角度考虑，矿渣的回收利用具有重大的意义。高炉矿渣是一种经高温烧制形成的玻璃体结构材料，与硅酸盐水泥熟料具有相似的化学组成。研究表明其存在潜在活性，是碱激发制备胶凝材料的重要原料[1-2]，本文分析了碱激发矿渣水化特性的影响因素。

1 矿渣化学成分的影响

矿渣主要由CaO、SiO2、Al2O3和MgO组成，各组分的含量与矿石性质、冶炼工艺及原料配比密切相关，导致了其水化特性的差异，进而影响了碱激发矿渣胶凝材料水化反应特性。

Bernal等[3]研究矿渣中MgO含量对矿渣胶凝材料性能的影响规律。研究结果表明，随着MgO含量的增加，水化产物中生成了类水滑石物相，MgO含量的增加可以提高胶凝材料水化反应程度。除MgO含量外，矿渣中的Al2O3含量也会影响矿渣的水化反应特性。Haha等[4]研究了矿渣中Al2O3含量对矿渣胶凝材料水化反应特性影响。结果表明，Al2O3含量的提高不利于矿渣胶凝材料早期的水化反应，但随着养护时间的延长，Al2O3含量的变化对抗压强度的影响逐渐降低。Jambunathan等[5]考察了不同Al2O3含量对胶凝材料水化反应特性的影响，指出Al2O3含量高时体系中会生成水化铝酸钙，但随所处环境温度的提高，Al2O3含量的降低则有利于稳定试样的强度。

2 激发剂种类的影响

大量资料报道，pH值是影响矿渣水化性能的关键因素，矿渣的水化反应活性随pH值提高而升高[6-7]。由此可见，激发剂成为影响碱激发矿渣胶凝材料性能的重要因素。

王聪[8]研究水玻璃激发剂对矿渣水化性能的影响规律，结果表明凝结时间比NaOH的短得多，因为水玻璃加快了硅酸根阴离子缩聚的速率，因此凝结时间比NaOH短。Brough等[9]利用硅酸钠及添加NaCl来激发高炉矿渣水化性能，结果表明在添加量小于4%时，NaCl对矿渣水化有速凝作用。Bakharev[10]等对比硅酸钠、氢氧化钠、碳酸钠等不同活化剂对矿渣活化性能的影响规律，结果表明，硅酸钠的效果最好。Živica[11]研究结果表明，水玻璃对矿渣的激发效果要优于硫酸钠，因为在碱激发矿渣体系中更有利于水化产物的形成。

与采用传统的激发剂相比，采用Na2CO3和Na2SO4激发的矿渣胶凝材料具有成本低、收缩率低的优势，成为关注的热点。吴其胜[12]等研究利用Na2CO3激发矿渣粉煤灰胶凝材料性能规律，结果表明当Na2CO3含量增加时，胶凝材料的强度明显增加，这说明Na2CO3提高溶液碱度的同时，也形成复杂的水化产物。Rashad等[13]则利用Na2SO4激发矿渣的水化性能规律，结果表明，单独使用Na2SO4作为激发剂时存在试样早期强度低的缺点。

张西玲等[14]利用生石灰及消石灰激发矿渣探究水化性能，结果表明一起激发时，试样的强度较高，单独利用消石灰激发，试样的强度随含量的增加呈现先增大后降低的趋势。Jeong等[15]考察了二水石膏、NaOH、Na2CO3和Na2SO4对试样水化性能的影响。研究结果表明，二水石膏的效果明显优于其他三种激发剂。贺孝一[16]利用水玻璃和NaOH激发偏高岭土和矿渣混合料,结果表明复合激发剂的效果优于单一激发剂。因此，若单一激发剂效果不理想，可以利用复合激发剂改善胶凝材料的性能。

激发剂种类在碱激发的过程中起着决定性作用，不仅影响水化产物的种类，还会影响试样的强度，因此，需要根据实际过程中的要求，选择合适的激发剂体系，既要满足性能要求，也要考虑经济因素。

3 矿渣细度的影响

大量文献表明矿渣比表面积与胶凝材料水化程度成正比关系[17-18]。矿渣细度的提高，可以使矿渣玻璃体结构得到均匀化，颗粒产生微裂缝，碱激发剂中的离子或分子可以进入裂缝，促进玻璃体的溶解，提高活化性能。Wang等[19]考察了矿渣细度与矿渣水化性能的关系，研究表明，矿渣粒径小于等于20 μm时，对提高试样抗压强度具有重要的作用，而粒径大于20 μm时，矿渣的水化活性会降低，影响试样的强度。Obuzor等[20]研究表明，矿渣复合水泥比表面积的增加加速了水泥的水化反应速率，随着养护龄期的延长，比表面积的增大对水泥水化反应程度的影响逐渐减小。

张永娟[21]考察了矿渣细度对矿渣水泥早期水化性能的影响，研究表明矿渣细度越大，其表面活化能越高，因此活性愈高。赵爽[22]采用比表面积为387 m2/g、456 m2/g、512 m2/g的矿渣研究细度对矿渣水化性能的影响，结果表明在碱激发剂量一定的情况下，试样水化产物的含量增加，矿渣水泥活性随细度的增加而提高。Shen等[22]研究比表面积为600 m2/kg、800 m2/kg及1000 m2/kg的碱矿渣水泥的水化程度，表明3天时矿渣水化程度为38%～44%，28天时仅增加了3%左右。

矿渣细度主要影响胶凝材料的水化速率，在生产过程中要考虑细度对胶凝材料强度和稳定性的影响。

4 外加剂的影响

可以通过添加外加剂提高碱激发矿渣胶凝材料的性能，目前应用于碱激发胶凝材料的外加剂主要有无机和有机两大类。其中有机类主要为有机酸、聚丙二醇以及聚羧酸类减水剂，无机类添加剂按化学组成又可分为CaCO3、SiO2、TiO2、MgO等。

Rashad等[23]研究添加石灰石粉对Na2SO4激发矿渣水化性能的影响，结果表明掺入5%石灰石粉可以提高试样的抗压强度。Sato等[24]研究指出纳米CaCO3的加入，可以起到良好的填充作用，降低孔隙率，促进水化产物C-S-H凝胶的生成，进而提高试样的强度。潘莉莎等[25]在硅酸盐水泥中添加木素磺酸钙减水剂，研究结果表明，减水剂对颗粒物具有分散作用，可以增大与水的接触面积，提高水化速率。雷西萍[26]在矿渣水泥中添加不同量聚羧酸减水剂验证对水化性能的影响，结果表明，矿渣水泥3天水化程度被抑制，28天试样强度超过空白样，因此随着养护龄期的延长，水化程度不断在增加。有机酸类外加剂通常为了延长胶凝材料的凝结时间以保证施工性能。Zhao等[27]的研究表明，酒石酸可以延缓早期的水化速率并限制了钙矾石在水化初期的生成，保证了砂浆试样在水化初期的流动性。

5 结语

目前粒化高炉矿渣在国内仅限于生产矿渣水泥、混凝土掺合料等方面，从环保和节能方面考虑，利用粒化高炉矿渣生产水泥的过程不仅会消耗大量的能量，还会对空气环境造成一定的危害，作为一种高附加价值的二次“资源”利用率较低，开发粒化高炉矿渣利用的新途径，实现这一资源的再利用具有重要意义。

利用矿渣开发新型胶凝材料代替硅酸盐水泥是当前研究的热点，矿渣胶凝材料具有早强、耐酸碱腐蚀等优异性能，大量研究表明，利用化学的方法可以有效地提高粒化高炉矿渣活性，获得优质胶凝材料，这不仅可以降低矿渣堆放对环境造成的危害，还可以为矿山采空区充填等行业提供胶凝材料，使矿渣得到再利用。目前关于粒化高炉矿渣应用及活化的研究较多，但对矿渣的水化机理认识甚少，导致粒化高炉矿渣的利用受到制约，矿渣的开发利用存在很大潜力，因此，加强对粒化高矿渣水化机理的研究是今后的重点。