鋼渣火山灰活性激發(fā)研究進(jìn)展

摘要：簡述鋼渣的基本理化性質(zhì)，提出鋼渣的活性判定方法，進(jìn)而歸納鋼渣所具有的物理激發(fā)、化學(xué)激發(fā)和高溫激發(fā)三種主要激發(fā)方式。鋼渣活性激發(fā)的核心思想是通過提高鋼渣粉磨后的細(xì)度、提高鋼渣主要礦物組分的活性以及加速其水化反應(yīng)速度，從而提高鋼渣用作活性礦物摻合料拌制混凝土的早期強(qiáng)度及耐久性能。通過歸納與總結(jié)，為今后進(jìn)一步優(yōu)化鋼渣膠凝材料及其在水泥混凝土領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼渣；火山灰活性；激發(fā)方式；固體廢棄物；活性礦物摻合料

中圖分類號：TU526" "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" "文章編號：２０９６-2118（2024）04-0101-05

Research Progress on Activation of Steel Slag Pozzolanic Activity

DING Rui1，WANG Hongen1？鄢，ZHANG Shiting1，F(xiàn)U Ditian2

（1：School of Materials Science and Engineering，Jilin Jianzhu University，Changchun Jilin 130118，China；2：Changchun Wall Material Iinnovation and Building Bnergy-Saving Promotion Center（Changchun Bulk Cement Promotion Center），Changchun Jilin 130000，China）

Abstract：Briefly describe the basic physicochemical properties and activity determination methods of steel slag，then，three main excitation modes of steel slag including physical excitation，chemical excitation and high temperature excitation are summarized.The core idea of activating steel slag activity is to improve the fineness of steel slag after grinding，enhance the activity of the main mineral components of steel slag，and accelerate its hydration reaction rate，thereby improving the early strength and durability of steel slag used as an active mineral admixture in concrete mixing.Through induction and summary，this paper provides reference for further optimization of steel slag cementing material and its application in cement concrete field.

Keywords：steel slag；pozzolanic activity；excitation method；solid waste；active mineral admixture

0 引言

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2022年國內(nèi)的鋼渣產(chǎn)量約為1.69億t，堆存量約為14.46億t。鋼渣是冶金工業(yè)中伴生的主要固體廢棄物，其產(chǎn)量約為粗鋼產(chǎn)量的15%～20%，而鋼渣有效利用率僅為20%～30%[1]。鋼渣的主要氧化物含量包括CaO，SiO2，Al2O3，MgO，F(xiàn)eO和f-CaO，f-MgO等，且富含C3S，C2S等與普通硅酸鹽水泥相似的礦物組成[1]，因此對于水泥及混凝土行業(yè)具有潛在應(yīng)用價值。然而鋼渣存在一些明顯的缺點或不足，包括易磨性差、水化膠凝活性低以及存在體積安定性不良等問題，極大限制了鋼渣在水泥及混凝土行業(yè)中的推廣應(yīng)用[2-3]，因此亟需尋找高效的鋼渣處置方法。

目前，國內(nèi)工業(yè)排放鋼渣以轉(zhuǎn)爐鋼渣為主。近幾年，國內(nèi)外對鋼渣的處置技術(shù)進(jìn)行不斷完善，目前以熱燜處理工藝為主，該方法對影響鋼渣穩(wěn)定性的主要因素如f-CaO，f-MgO等進(jìn)行了有效控制[2-3]。使用熱燜處理工藝后的鋼渣具有粒徑小、易于研磨的優(yōu)點，為其在水泥及混凝土行業(yè)中的推廣應(yīng)用和后續(xù)加工創(chuàng)造了有利條件。由于鋼渣中的C2S，C3S，C4AF，C2F決定了鋼渣具有膠凝性質(zhì)，但其活性明顯低于硅酸鹽水泥。特別是C2S和C3S的活性較低，造成鋼渣水化速率低、RO相存在相對惰性[4]，這也是鋼渣早期強(qiáng)度不高的原因。

因此，當(dāng)前要解決的關(guān)鍵問題是如何提高鋼渣的火山灰活性。利用鋼渣作為混凝土活性礦物摻合料替代部分水泥，既能變廢為寶，又能減輕環(huán)境污染，還能減少水泥用量，從而減少生產(chǎn)過程中的能耗和碳排放，響應(yīng)國家“雙碳”政策的號召。針對這一問題，本文著重探討鋼渣火山灰活性激發(fā)的研究進(jìn)展。

1 鋼渣基本性質(zhì)及活性判定方法

1.1 鋼渣基本性質(zhì)

鋼渣的礦物組成主要受煉鋼時的鋼鐵原料及冶煉工藝的影響，但其主要化學(xué)成分基本相同。GUO等[5]的研究結(jié)果顯示，鋼渣主要化學(xué)成分包括CaO，SiO2，Al2O3，MgO，F(xiàn)e2O3以及少量的MnO，P2O5，F(xiàn)eO和金屬Fe。其化學(xué)組成與硅酸鹽水泥熟料相比確實表現(xiàn)出一些差異，鋼渣的CaO含量較低，主要是因為鋼渣是由冶金過程中的礦石和冶煉副產(chǎn)物形成，其中Ca2+的含量相對較少。而Al2O3和SiO2含量影響鋼渣中玻璃相的含量，并決定鋼渣的水硬活性。當(dāng)SiO2與CaO的比例較高時，熔融物的黏度會增加。這是因為SiO2具有高的熔點和黏度，并且在熔融物中形成了較為穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。CaO的加入會與SiO2發(fā)生反應(yīng)，形成C-S-H，進(jìn)一步增加了熔融物的黏度。由于黏度的增加，熔融物在冷卻時更容易形成高硅玻璃體[6]。

此外，GUO等[5]的研究表明，鋼渣的主要礦物組成包括C2S，C3S，C4AF，RO相（MgO，F(xiàn)eO和MnO的固溶體）以及少量的f-CaO。C2S在冷卻結(jié)晶階段會發(fā)生β-C2S轉(zhuǎn)變?yōu)棣?C2S。C3S在溫度＞1 250 ℃時是穩(wěn)定的，若緩慢冷卻，C3S會出現(xiàn)分解現(xiàn)象。而急速冷卻時，C3S的分解速度很慢，幾乎可以忽略，所以C3S處于介穩(wěn)狀態(tài)。綜合以上分析，可以將鋼渣視為一種低活性硅酸鹽水泥熟料。

1.2 鋼渣活性判定方法

根據(jù)鋼渣的礦物組成等指標(biāo)，可用堿度公式對其活性進(jìn)行判別。由常仕琦等[7]提出的堿度公式：M=CaO/（SiO2+P2O5）可以得出結(jié)論，如果M＞1.8，可以認(rèn)為鋼渣具有膠凝活性，同時按照鋼渣堿度的不同，將鋼渣分為低堿度鋼渣（M＜1.8）、中堿度鋼渣（1.8＜M＝2.5）和高堿度鋼渣（M＞2.5）。僅通過堿度公式只能在一定程度上評估鋼渣的活性，因此在評價鋼渣的活性時僅使用堿度指標(biāo)是不夠全面的。

在堿度公式的基礎(chǔ)上，還可以結(jié)合其他指標(biāo)來評估鋼渣的活性。王強(qiáng)[8]采用活性系數(shù)（HAI）來評價鋼渣的活性，HAI=（SiO2+Al2O3）/（FeO+Fe2O3+MgO+MnO），其中SiO2+Al2O3為鋼渣中膠凝組分的含量，F(xiàn)eO+Fe2O3+MgO+MnO為惰性組分的含量，HAI實際上為鋼渣中膠凝組分與惰性組分的比例，該方法相較于堿度公式能更精確地反映鋼渣的膠凝活性，但也存在著成分相同的鋼渣由于礦物成分和結(jié)構(gòu)的差異而引起的活性差別很大的問題。

2 鋼渣火山灰活性激發(fā)方式

鋼渣的火山灰活性的激發(fā)主要通過以下三種方式實現(xiàn)。

1） 物理激發(fā)：通過機(jī)械物理粉磨以改善鋼渣細(xì)度，提高鋼渣水化速度。

2） 化學(xué)激發(fā)：引入適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)激發(fā)組分（堿激發(fā)劑或酸激發(fā)劑），促進(jìn)鋼渣的水化反應(yīng)，增強(qiáng)火山灰活性。

3） 高溫激發(fā)：提高鋼渣水化時外部環(huán)境溫度以加速水化反應(yīng)的進(jìn)行，促進(jìn)膠凝產(chǎn)物的形成和生長過程。

2.1 物理激發(fā)

物理激發(fā)是對鋼渣進(jìn)行粉磨處理。采用物理手段提升鋼渣的細(xì)度，引起鋼渣晶格錯位、缺陷甚至重結(jié)晶，并在其表面生成水溶性無定形結(jié)構(gòu)[9]。通過改變鋼渣礦物表面的結(jié)構(gòu)，增加與水的接觸面，增強(qiáng)與水的相互作用力，促進(jìn)水分子的滲入，加速水化過程，從而提高鋼渣膠凝活性。

受鋼渣的易磨性較差的影響，在鋼渣粉磨的過程中需要消耗較高的能量。隨著鋼渣細(xì)度的提高，其比表面積隨之增加，延長粉磨時間不僅增加比表面積，還會增加位于邊緣、頂角排列不正常的原子數(shù)量和鑲嵌在其他活性中心的原子數(shù)量[10]。

根據(jù)邦德功指數(shù)（Bond Work Index）的比較，鋼渣的邦德功指數(shù)達(dá)到31.2 kW·h，遠(yuǎn)高于水泥的17.25 kW·h[11]，這意味著鋼渣在粉磨過程中，需要更多的能量來粉磨成鋼渣微粉。鋼渣在進(jìn)行粉碎時，高反應(yīng)性的正負(fù)電荷會生成于鋼渣新破碎的表面。鋼渣固體顆粒由于范德華力和靜電引力發(fā)生凝聚現(xiàn)象，從而降低鋼渣的粉磨效率。為了提高鋼渣的粉磨效率、降低能耗并改善其水化活性，可采用助磨劑。助磨劑會與鋼渣顆粒進(jìn)行物理/化學(xué)作用，從而將其吸附于鋼渣顆粒表面。通過改變鋼渣粉體的表面形態(tài)，新的電荷被中和，使其具有較強(qiáng)的表面作用力被排除出來，從而降低鋼渣顆粒表面硬度，提高其分散性。

目前常用的助磨劑包括三乙醇胺（TEA）、三異丙醇胺（TIPA）、乙二醇（EG）、二甘醇（DEG）以及工業(yè)副產(chǎn)物，如玉米糖漿、糖蜜、聚合物醇混合物等。GAO等[12]對6種商業(yè)助磨劑進(jìn)行了性能測試，并對它們的易磨性進(jìn)行了研究。從試驗結(jié)果來看，以TEA，TIPA為主要成分的助磨材料，其易磨性指數(shù)可分別增加14%和26%。

通過改善鋼渣的物理屬性和礦物結(jié)構(gòu)，增大與水的接觸面積，從而加速水化反應(yīng)，改善其活性及膠凝性能。由于鋼渣粉磨到一定程度時，鋼渣顆粒會發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，使其很難進(jìn)一步細(xì)化。為了解決這個問題，采用助磨劑來有效抑制團(tuán)聚現(xiàn)象，幫助繼續(xù)磨細(xì)鋼渣顆粒[13]。助磨劑可以改善粉體顆粒的分散性，減少顆粒間的吸附力，從而防止顆粒團(tuán)聚，提高鋼渣的粉磨效果。

2.2 化學(xué)激發(fā)

化學(xué)激發(fā)是指使用鋼渣作為活性摻合料拌制混凝土?xí)r加入堿激發(fā)劑或酸激發(fā)劑以提高鋼渣活性、比表面積，從而提高鋼渣混凝土早期強(qiáng)度及耐久性。由于鋼渣晶體結(jié)構(gòu)較為密實，導(dǎo)致其水化速率較為緩慢，通過添加適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)激發(fā)劑來破壞鋼渣礦物晶體結(jié)構(gòu)，并使其生成無定型水化硅酸鈣凝膠（C-S-H）和鈣礬石（AFt），填充混凝土中存在的孔隙，提高混凝土強(qiáng)度，達(dá)到提高鋼渣火山灰活性的效果。

2.2.1 堿激發(fā)

Si-O鍵和Al-O鍵是鋼渣中玻璃體的主要化學(xué)鍵，鋼渣中的硅氧四面體與鋁氧四面體在堿性環(huán)境內(nèi)發(fā)生解聚，生成H3SiO4－和H3AlO42－，同時Na+和Ca2+會與生成的H3SiO4－和H3AlO42－發(fā)生反應(yīng)，生成沸石類水化產(chǎn)物，從而破壞玻璃體中的網(wǎng)絡(luò)形成鍵Si-O鍵和Al-O鍵，最終導(dǎo)致鋼渣玻璃體的完全解聚。所以堿激發(fā)機(jī)制，即在鋼渣基體中引入化學(xué)成分，為其提供一種堿性環(huán)境激發(fā)條件，促使其充分解聚和水化。堿激發(fā)劑主要包括堿金屬硅酸鹽、堿金屬碳酸鹽等，如NaOH，Na2SiO3，Na2SO4和Na2CO3[14]。在實驗室研究中，也曾經(jīng)探討過一些鉀鹽的激發(fā)效果，但由于價格較高，限制了其在工程中的應(yīng)用。此外，由于鉀和鈉化合物的特性較為相似，因此鈉的堿金屬鹽是最常用的激發(fā)劑。

根據(jù)SINGH等[15]的研究，Na2SiO3能加速鋼渣的水化進(jìn)程，并能提高水化產(chǎn)物中C-S-H的含量。LIU等[16]研究表明，在堿激發(fā)條件下，鋼渣水化產(chǎn)物主要為C-S-H，C-A-S-H，其中C-A-S-H的存在可以由Si-O-Si鍵轉(zhuǎn)化為Si-O-Al鍵的現(xiàn)象來證實。SUN等[17]研究在Na2O的摻量一致的情況下，不同Na2SiO3模數(shù)（SiO2/Na2O）對鋼渣水化活性的影響。水玻璃可以充當(dāng)鋼渣膠凝體系的骨架網(wǎng)絡(luò)，其中Na+的存在是保持體系 pH并促進(jìn)玻璃體分解的重要因素。鋼渣膠凝材料的初始網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由水玻璃模數(shù)確定。研究結(jié)果表明，高模數(shù)的水玻璃可有效改善鋼渣孔隙結(jié)構(gòu)，提高其抗壓強(qiáng)度。由于鋼渣與高爐礦渣的水化作用是互相促進(jìn)的，因此，在適當(dāng)?shù)呐浔葪l件下：鋼渣的用量、水玻璃模數(shù)及摻量，可制得優(yōu)良的無熟料堿礦渣水泥。當(dāng)模數(shù)一定，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有一定的斷裂時，水玻璃的激發(fā)效果最好。

在鋼渣中，硅酸鹽相的水化過程和水泥的水化相似。鋼渣水化產(chǎn)物中除了形成C-S-H凝膠外，還存在Ca（OH）2和Ca（OH）2，因此不利于鋼渣混凝土的強(qiáng)度發(fā)展。但是，堿性激發(fā)劑可與Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，使其含量下降。如Na2SiO3與Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)可形成C-S-H凝膠；Na2SO4與Ca（OH）2反應(yīng)可生成石膏，加速AFt生成。這種反應(yīng)對強(qiáng)度的發(fā)展起到積極作用[18]。

2.2.2 酸激發(fā)

在鋼渣火山灰活性激發(fā)的研究中，酸激發(fā)比堿激發(fā)的研究少。常用的酸激發(fā)劑包括甲酸（CH2O2）、乙酸（CH3COOH）、硫酸（H2SO4）和磷酸（H3PO4）等。這些酸激發(fā)劑可以通過中和鋼渣中的堿性物質(zhì)，改變鋼渣體系的酸堿系數(shù)，從而影響鋼渣的水化反應(yīng)速度。然而，酸激發(fā)在鋼渣的研究和應(yīng)用上還有較大的發(fā)展空間，需要進(jìn)一步深入探索和研究。

張浩等[19]采用磷酸水溶液對鋼渣進(jìn)行處理。經(jīng)過處理后鋼渣的比表面積得到了增大。除了增大鋼渣的比表面積，磷酸還可以與鋼渣中的f-CaO和Ca（OH）2等堿性成分發(fā)生反應(yīng)，降低f-CaO和Ca（OH）2的含量。需要注意的是，過量的磷酸可能會導(dǎo)致鋼渣的結(jié)構(gòu)坍塌。

為解決水在磷酸水溶液中對鋼渣水化反應(yīng)的影響，霍彬彬等[20]利用磷酸采用干法刻蝕技術(shù)將鋼渣與磷酸-乙醇溶液反應(yīng)，使其表面發(fā)生刻蝕反應(yīng)，改變其表面形態(tài)與結(jié)構(gòu)?；舯虮虻萚21]采用相同的干法刻蝕技術(shù)分別用甲酸和冰醋酸對鋼渣進(jìn)行預(yù)處理，得到了近似一致的效果。其不同之處在于，經(jīng)過甲酸改性的鋼渣-水泥漿體在28 d內(nèi)有一定程度的強(qiáng)度增加，冰乙酸改性的鋼渣-水泥漿體在90 d內(nèi)仍然有一定程度的強(qiáng)度增加。酸還可以與鋼渣中的f-CaO反應(yīng)，改善鋼渣-水泥體系的體積安定性。過量的酸會和鋼渣中的活性膠凝物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。另外，酸和鈣離子或類似物的作用可能會阻礙水化凝膠產(chǎn)物的生成[22]。因此，在使用酸進(jìn)行改性時，需要控制酸的用量，以避免發(fā)生不良反應(yīng)。

通過化學(xué)激發(fā)的方法，可以針對鋼渣的化學(xué)組成和細(xì)度進(jìn)行改善，選擇合適的激發(fā)劑類型，以提高鋼渣的火山灰活性。這種方法可以有效地改善鋼渣的膠凝性能，并拓展其在水泥及混凝土中的應(yīng)用領(lǐng)域。

2.3 高溫激發(fā)

高溫激發(fā)是指提高鋼渣的水化反應(yīng)溫度從而達(dá)到鋼渣水化膠凝性能提高的效果。在高溫下，由于溫度的影響，-Si-O-鍵和-Al-O-鍵更易斷裂，這對玻璃體解聚轉(zhuǎn)變有利。提高水化反應(yīng)速度，增加水化作用強(qiáng)度，是提高鋼渣活性的有效途徑。

宋學(xué)鋒等[23]的研究表明，在處理鋼渣試塊時使用蒸汽養(yǎng)護(hù)可以促進(jìn)C-S-H凝膠的形成，從而提高鋼渣試塊的早期強(qiáng)度。蒸汽養(yǎng)護(hù)提供了充足的濕度和較高的溫度，在理想的水化環(huán)境下有利于C-S-H凝膠的形成和生長，C-S-H凝膠的形成可以填充孔隙，提高試塊的致密性，并增強(qiáng)試塊內(nèi)部的結(jié)構(gòu)連接，從而提高試塊的早期抗壓強(qiáng)度。鄭翠紅等[24]的研究表明，蒸汽養(yǎng)護(hù)提供了適當(dāng)?shù)臐穸群蜏囟葪l件，有助于C-S-H凝膠形成和水化反應(yīng)的進(jìn)行。C-S-H凝膠的形成可以包裹和穩(wěn)定f-CaO，防止其過度水化和析出。殷素紅等[25]采用石灰石作為校正物質(zhì)，對鋼渣進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，研究其在重構(gòu)過程中的物相轉(zhuǎn)化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)其RO相先被分解，隨后析出 FeO，形成高膠凝活性的C4AF，C2S再經(jīng) CaO轉(zhuǎn)化為C3S，使其活化指數(shù)從65%上升至94%。通過對鋼渣的高溫激發(fā)，可以增加對水化反應(yīng)程度有利的水化產(chǎn)物（如C-S-H）的含量，同時降低f-CaO，f-MgO和RO相等低膠凝活性或穩(wěn)定性較差的礦物的含量[26]。KUBO[27]的專利顯示，將鋼渣（45%）+石膏（10%）+高爐礦渣（45%）的混合料經(jīng)水?dāng)嚢韬?，?0 ℃條件下進(jìn)行40 min蒸養(yǎng)，蒸養(yǎng)后獲得一個硬化體，其強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到6.7 MPa。高溫激發(fā)需要控制水化反應(yīng)溫度，如果溫度過高，水化反應(yīng)速率太快，則會引起AFt分解，從而在鋼渣漿體內(nèi)部形成大量的孔隙，造成更多的裂縫。

高溫激發(fā)是提高鋼渣水化溫度以達(dá)到提高鋼渣火山灰活性的處理方式，適當(dāng)?shù)乃瘻囟瓤梢源龠M(jìn)C-S-H凝膠的形成，并降低穩(wěn)定性較差的物質(zhì)的含量。

3 結(jié)語

針對鋼渣的火山灰活性研究，在鋼渣及其活性摻合料的實際應(yīng)用中仍存在一些技術(shù)問題，如鋼渣中存在一些較硬的礦物相，造成鋼渣難以僅通過機(jī)械研磨達(dá)到適當(dāng)?shù)募?xì)度，并且難以去除f-CaO和f-MgO等缺陷，這些問題容易引起體積安定性不良。此外，目前鋼渣火山灰活性激發(fā)技術(shù)價格昂貴，嚴(yán)重制約了其資源化利用。為此，對鋼渣資源化利用的下一步研究得出如下結(jié)論。

1） 物理激發(fā)是通過機(jī)械力的作用對鋼渣進(jìn)行粉磨，從而增加其比表面積和顆粒細(xì)度。通過增加鋼渣的比表面積、破壞其晶體結(jié)構(gòu)來提高鋼渣的活性和膠凝性能。然而鋼渣中玻璃相和硬質(zhì)礦物相難以通過物理粉磨得到很好的破碎和細(xì)化，從而限制了鋼渣的活性提高。為了克服這些限制，可以探索開發(fā)具有更高助磨效果的無機(jī)/有機(jī)外加劑，助磨劑與鋼渣顆粒之間的相互作用可以改變顆粒表面的電荷，提高顆粒的分散能力。

2） 化學(xué)激發(fā)包括堿激發(fā)和酸激發(fā)。堿激發(fā)是通過破壞玻璃體中的網(wǎng)絡(luò)形成-Si-O鍵和-Al-O鍵導(dǎo)致鋼渣玻璃體的解聚，達(dá)到提高鋼渣火山灰活性的效果。酸激發(fā)比堿激發(fā)的研究少，酸激發(fā)劑可以通過中和鋼渣中的堿性物質(zhì)，改變鋼渣體系的酸堿系數(shù)，從而影響鋼渣的水化產(chǎn)物和水化反應(yīng)速度。

3） 高溫激發(fā)是改變外界條件來促進(jìn)鋼渣的水化反應(yīng)的方法。通過提高溫度加速鋼渣中水化反應(yīng)的進(jìn)行，促使水化產(chǎn)物更快形成。此外，高溫激發(fā)也可能導(dǎo)致AFt的分解。因此，在使用高溫激發(fā)鋼渣火山灰活性時，需要提前制定溫度控制策略，以最大程度地減少AFt的分解，并降低空洞的引入，避免鋼渣混凝土強(qiáng)度降低。

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編輯：楊 洋