高爐礦渣制備膠凝材料的影響因素綜述

劉新波，房 杰，紀(jì)召毅

(山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司，山東 萊蕪 271119)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步，鋼鐵需求量日益增大，鋼鐵行業(yè)發(fā)展迅速，因此產(chǎn)生較多的廢渣。?；郀t礦渣(簡(jiǎn)稱礦渣)是高爐產(chǎn)生的廢渣熔融體經(jīng)冷水冷卻后形成的海綿狀浮石類物質(zhì)。礦渣堆積造成環(huán)境污染，資源浪費(fèi)，從節(jié)能環(huán)保，資源循環(huán)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(jīng)高溫?zé)菩纬傻牟Ａw結(jié)構(gòu)材料，與硅酸鹽水泥熟料具有相似的化學(xué)組成。研究表明其存在潛在活性，是堿激發(fā)制備膠凝材料的重要原料[1-2]，本文分析了堿激發(fā)礦渣水化特性的影響因素。

1 礦渣化學(xué)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(zhì)、冶煉工藝及原料配比密切相關(guān)，導(dǎo)致了其水化特性的差異，進(jìn)而影響了堿激發(fā)礦渣膠凝材料水化反應(yīng)特性。

Bernal等[3]研究礦渣中MgO含量對(duì)礦渣膠凝材料性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，隨著MgO含量的增加，水化產(chǎn)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(yīng)程度。除MgO含量外，礦渣中的Al2O3含量也會(huì)影響礦渣的水化反應(yīng)特性。Haha等[4]研究了礦渣中Al2O3含量對(duì)礦渣膠凝材料水化反應(yīng)特性影響。結(jié)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(yīng)，但隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，Al2O3含量的變化對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響逐漸降低。Jambunathan等[5]考察了不同Al2O3含量對(duì)膠凝材料水化反應(yīng)特性的影響，指出Al2O3含量高時(shí)體系中會(huì)生成水化鋁酸鈣，但隨所處環(huán)境溫度的提高，Al2O3含量的降低則有利于穩(wěn)定試樣的強(qiáng)度。

2 激發(fā)劑種類的影響

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

王聰[8]研究水玻璃激發(fā)劑對(duì)礦渣水化性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明凝結(jié)時(shí)間比NaOH的短得多，因?yàn)樗ＡЪ涌炝斯杷岣庪x子縮聚的速率，因此凝結(jié)時(shí)間比NaOH短。Brough等[9]利用硅酸鈉及添加NaCl來(lái)激發(fā)高爐礦渣水化性能，結(jié)果表明在添加量小于4%時(shí)，NaCl對(duì)礦渣水化有速凝作用。Bakharev[10]等對(duì)比硅酸鈉、氫氧化鈉、碳酸鈉等不同活化劑對(duì)礦渣活化性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明，硅酸鈉的效果最好。?ivica[11]研究結(jié)果表明，水玻璃對(duì)礦渣的激發(fā)效果要優(yōu)于硫酸鈉，因?yàn)樵趬A激發(fā)礦渣體系中更有利于水化產(chǎn)物的形成。

與采用傳統(tǒng)的激發(fā)劑相比，采用Na2CO3和Na2SO4激發(fā)的礦渣膠凝材料具有成本低、收縮率低的優(yōu)勢(shì)，成為關(guān)注的熱點(diǎn)。吳其勝[12]等研究利用Na2CO3激發(fā)礦渣粉煤灰膠凝材料性能規(guī)律，結(jié)果表明當(dāng)Na2CO3含量增加時(shí)，膠凝材料的強(qiáng)度明顯增加，這說(shuō)明Na2CO3提高溶液堿度的同時(shí)，也形成復(fù)雜的水化產(chǎn)物。Rashad等[13]則利用Na2SO4激發(fā)礦渣的水化性能規(guī)律，結(jié)果表明，單獨(dú)使用Na2SO4作為激發(fā)劑時(shí)存在試樣早期強(qiáng)度低的缺點(diǎn)。

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

激發(fā)劑種類在堿激發(fā)的過(guò)程中起著決定性作用，不僅影響水化產(chǎn)物的種類，還會(huì)影響試樣的強(qiáng)度，因此，需要根據(jù)實(shí)際過(guò)程中的要求，選擇合適的激發(fā)劑體系，既要滿足性能要求，也要考慮經(jīng)濟(jì)因素。

3 礦渣細(xì)度的影響

大量文獻(xiàn)表明礦渣比表面積與膠凝材料水化程度成正比關(guān)系[17-18]。礦渣細(xì)度的提高，可以使礦渣玻璃體結(jié)構(gòu)得到均勻化，顆粒產(chǎn)生微裂縫，堿激發(fā)劑中的離子或分子可以進(jìn)入裂縫，促進(jìn)玻璃體的溶解，提高活化性能。Wang等[19]考察了礦渣細(xì)度與礦渣水化性能的關(guān)系，研究表明，礦渣粒徑小于等于20 μm時(shí)，對(duì)提高試樣抗壓強(qiáng)度具有重要的作用，而粒徑大于20 μm時(shí)，礦渣的水化活性會(huì)降低，影響試樣的強(qiáng)度。Obuzor等[20]研究表明，礦渣復(fù)合水泥比表面積的增加加速了水泥的水化反應(yīng)速率，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，比表面積的增大對(duì)水泥水化反應(yīng)程度的影響逐漸減小。

張永娟[21]考察了礦渣細(xì)度對(duì)礦渣水泥早期水化性能的影響，研究表明礦渣細(xì)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(xì)度對(duì)礦渣水化性能的影響，結(jié)果表明在堿激發(fā)劑量一定的情況下，試樣水化產(chǎn)物的含量增加，礦渣水泥活性隨細(xì)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(shí)礦渣水化程度為38%～44%，28天時(shí)僅增加了3%左右。

礦渣細(xì)度主要影響膠凝材料的水化速率，在生產(chǎn)過(guò)程中要考慮細(xì)度對(duì)膠凝材料強(qiáng)度和穩(wěn)定性的影響。

4 外加劑的影響

可以通過(guò)添加外加劑提高堿激發(fā)礦渣膠凝材料的性能，目前應(yīng)用于堿激發(fā)膠凝材料的外加劑主要有無(wú)機(jī)和有機(jī)兩大類。其中有機(jī)類主要為有機(jī)酸、聚丙二醇以及聚羧酸類減水劑，無(wú)機(jī)類添加劑按化學(xué)組成又可分為CaCO3、SiO2、TiO2、MgO等。

Rashad等[23]研究添加石灰石粉對(duì)Na2SO4激發(fā)礦渣水化性能的影響，結(jié)果表明摻入5%石灰石粉可以提高試樣的抗壓強(qiáng)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(jìn)水化產(chǎn)物C-S-H凝膠的生成，進(jìn)而提高試樣的強(qiáng)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(jié)果表明，減水劑對(duì)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(yàn)證對(duì)水化性能的影響，結(jié)果表明，礦渣水泥3天水化程度被抑制，28天試樣強(qiáng)度超過(guò)空白樣，因此隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，水化程度不斷在增加。有機(jī)酸類外加劑通常為了延長(zhǎng)膠凝材料的凝結(jié)時(shí)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(dòng)性。

5 結(jié)語(yǔ)

目前?；郀t礦渣在國(guó)內(nèi)僅限于生產(chǎn)礦渣水泥、混凝土摻合料等方面，從環(huán)保和節(jié)能方面考慮，利用?；郀t礦渣生產(chǎn)水泥的過(guò)程不僅會(huì)消耗大量的能量，還會(huì)對(duì)空氣環(huán)境造成一定的危害，作為一種高附加價(jià)值的二次“資源”利用率較低，開(kāi)發(fā)?；郀t礦渣利用的新途徑，實(shí)現(xiàn)這一資源的再利用具有重要意義。

利用礦渣開(kāi)發(fā)新型膠凝材料代替硅酸鹽水泥是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，礦渣膠凝材料具有早強(qiáng)、耐酸堿腐蝕等優(yōu)異性能，大量研究表明，利用化學(xué)的方法可以有效地提高?；郀t礦渣活性，獲得優(yōu)質(zhì)膠凝材料，這不僅可以降低礦渣堆放對(duì)環(huán)境造成的危害，還可以為礦山采空區(qū)充填等行業(yè)提供膠凝材料，使礦渣得到再利用。目前關(guān)于?；郀t礦渣應(yīng)用及活化的研究較多，但對(duì)礦渣的水化機(jī)理認(rèn)識(shí)甚少，導(dǎo)致粒化高爐礦渣的利用受到制約，礦渣的開(kāi)發(fā)利用存在很大潛力，因此，加強(qiáng)對(duì)?；叩V渣水化機(jī)理的研究是今后的重點(diǎn)。