曹巍 ，宗蘭，張士萍，朱秀

（1.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

0 引言

2014年我國粗鋼產(chǎn)量為82 269.78萬t，而鋼渣約為鋼總產(chǎn)量的10%~12%[1]。鋼渣作為一種工業(yè)廢渣，存儲量大，并且每年呈遞增趨勢增長，若不將其充分利用起來，不僅會造成資源浪費，還會給周邊環(huán)境造成不可估量的危害。 與世界其它用鋼大國相比，我國的鋼渣綜合利用率相對比較低，僅為50%~60%[2]。

由于生產(chǎn)粗鋼時所采用的工藝和原料都不完全一樣，不同廠產(chǎn)出的鋼渣化學(xué)組分存在差異性，但其膠凝活性成分與水泥基本相同， 并且活性低于水泥。 鋼渣的活性具有潛在性，活性問題限制了其在建筑業(yè)的應(yīng)用。 因此，研究如何有效地激發(fā)鋼渣的活性以及如何準確評價其活性大小， 具有十分重要的現(xiàn)實意義。 本文綜述了鋼渣的活性激發(fā)及評價方法。

1 鋼渣的成分及其活性

鋼渣的化學(xué)組成主要是由煉鋼的初始原材料及相關(guān)冶煉工藝所決定的，盡管鋼渣的化學(xué)成分波動相對較大，但其主要的化學(xué)成分基本相似，一般以CaO和SiO2為主， 其中CaO的含量大概在50%左右，SiO2的含量大概在15%左右， 其余為Al2O3、Fe2O3、MgO以及極少量的f-CaO等。

鋼渣種類不同，其礦物組成也不同。 對于精煉渣來說，其礦物組成主要是硅酸二鈣（C2S）、硅酸三鈣（C3S）、RO相、2CaO·Fe2O3、CaO·Fe2O3，而平爐渣的礦物組成主要有橄欖石、 薔薇輝石和固溶體等。但我國大部分鋼渣的礦物組成是以C2S、C3S和固溶體為主，其中硅酸鹽礦物（即C2S、C3S）是鋼渣膠凝活性的主要來源。 C2S與C3S與水發(fā)生如下反應(yīng)：

鋼渣中硅酸二鈣（C2S）和硅酸三鈣（C3S）的總含量一般在50%以上，因此又將鋼渣稱為過燒硅酸鹽水泥熟料。 它們的區(qū)別在于：鋼渣的實際生成溫度達到1 560 ℃以上， 而硅酸鹽水泥熟料的鍛燒溫度一般只有1 450 ℃左右。因此，鋼渣的生成溫度相對較高， 其礦物結(jié)晶也較致密并且晶粒直徑也較大，從而導(dǎo)致其水化反應(yīng)速度緩慢，表現(xiàn)出較低的膠凝活性。

2 鋼渣的活性激發(fā)

目前，國內(nèi)外學(xué)者研究鋼渣的活性激發(fā)，主要從以下3方面著手：①物理激發(fā)；②高溫激發(fā)；③化學(xué)激發(fā)。

2.1 物理激發(fā)

物理激發(fā)實質(zhì)上是指通過機械對鋼渣進行研磨，提高鋼渣的比表面積和細度，從而提高鋼渣的活性。在物理激發(fā)的過程中，發(fā)生了能量的轉(zhuǎn)換，即有一部分機械能會轉(zhuǎn)化成鋼渣顆粒的表面能和內(nèi)能。一般來說，當晶體的鍵能發(fā)生改變，其晶格也會隨之發(fā)生損傷， 可能在相應(yīng)的位置產(chǎn)生晶格錯位、缺陷或者重結(jié)晶。顆粒表面生成不穩(wěn)定的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，礦物顆粒與水分子間的作用力增大，礦物晶體的結(jié)合鍵減少，水化反應(yīng)加劇。

趙鴻[3]研究了鋼渣的細度及摻量對鋼渣膠凝活性的影響，結(jié)果表明，鋼渣的摻入量為30%時,粉磨時間從30 min延長至50 min時,28 d抗折強度和抗壓強度均有所增加。

Kumar S等[4]將鋼渣用磨機研磨然后，替代部分水泥。研究發(fā)現(xiàn)釆用磨細的鋼渣替代部分膠凝材料可以顯著地提高膠凝材料整體強度，特別是對提高早期強度效果較明顯。

Binici H等[5]通過研究鋼渣細度因素對鋼渣復(fù)合水泥性能的影響，發(fā)現(xiàn)摻加比表面積較大的鋼渣顆粒，對抗壓強度和抗硫酸鹽侵蝕性能均有較顯著的改善作用。

理論上，鋼渣越細，鋼渣的活性越高，但要得到更細的鋼渣，研磨時間必然要加長，經(jīng)濟成本也就相應(yīng)地增加。 因此，應(yīng)根據(jù)實際需要來確定鋼渣的最優(yōu)比表面積和粉磨時間。 同時，如果鋼渣比表面積增大到一定程度，顆粒的表面能就會增加，鋼渣顆粒容易產(chǎn)生團聚現(xiàn)象， 反而會降低粉磨的效果。谷振國等[6]針對不同細度的鋼渣粉做了大量的研究工作， 發(fā)現(xiàn)當鋼渣比表面積增加到一定程度時，試件的強度不僅沒有增加反而降低，并且當鋼渣摻量較大時，強度下降更明顯。

2.2 高溫激發(fā)

高溫激發(fā)是指在養(yǎng)護過程中，通過提高養(yǎng)護溫度向膠凝體系中提供一定的能量，以激發(fā)鋼渣的活性。 鋼渣玻璃晶體中含有化學(xué)鍵Si-O和Al-O，這兩種化學(xué)鍵在熱應(yīng)力的作用下極有可能發(fā)生斷裂，加快玻璃晶體的解聚作用， 從而加速水化反應(yīng)速率，提高鋼渣的活性。

肖琪仲等[7]在高溫蒸養(yǎng)的條件下，對試塊進行養(yǎng)護，試塊的抗壓強度明顯提高。同時，從微觀的角度分析論證了提高養(yǎng)護溫度能加速鋼渣體系的水化反應(yīng)。

穿襪子時，易非發(fā)現(xiàn)腳上起了幾個拇指大小的燎泡，原來是昨晚太冷，她灌了熱水袋，當時腳太冰了，擱在腳上不覺得，后來迷迷糊糊睡著了，竟慢慢燙起了泡。

閣培渝等[8]采用微觀分析的方法研究了高溫養(yǎng)護條件對鋼渣類膠凝材料的水化特性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)高溫養(yǎng)護可以加快鋼渣顆粒的水化反應(yīng)速率，優(yōu)化膠凝材料的孔隙結(jié)構(gòu)，減少不利于強度發(fā)展的粗孔隙，而中孔隙相應(yīng)地增大。

Bamett S J等[9]研究了鋼渣摻量、養(yǎng)護溫度等因素對鋼渣粉試塊的強度發(fā)展。 研究發(fā)現(xiàn)，在高溫條件下，所有試塊的強度增長都很快。 當養(yǎng)護溫度為達到40 ℃時， 摻加鋼渣粉試塊的3 d強度與不摻鋼渣粉的試塊強度幾乎一致。

2.3 化學(xué)激發(fā)

化學(xué)激發(fā)是指通過添加化學(xué)外加劑來加速鋼渣中活性礦物的水化。由于鋼渣的活性激發(fā)必須要在堿性環(huán)境下進行，所以大部分外加劑為堿性激發(fā)劑。 常用的化學(xué)激發(fā)劑以石膏和堿金屬鹽為主。

2.3.1 石膏激發(fā)

石膏激發(fā)劑主要有無水石膏(CaSO4)、半水石膏(CaSO4·1/2H2O)以及二水石膏(CaSO4·2H2O)。 石膏作為鋼渣的激發(fā)劑，加快了水化產(chǎn)物鈣礬石的生產(chǎn)速率。無水石膏的溶解速度與溶解度在三種石膏中最大，更能提高鈣礬石的形成速度，對試塊早期強度的提高十分有利。

Mun等[10]在研究無水石膏對鋼渣活性的影響時發(fā)現(xiàn)， 添加2.5%無水石膏的試塊的3 d抗壓強度比未添加激發(fā)劑的試塊提高了24%，說明無水石膏能有效地激發(fā)鋼渣的活性， 提高鋼渣水泥的早期強度。

Chang等[11]研究了石膏和磷酸兩種物質(zhì)對堿激發(fā)鋼渣性能的影響，提出石膏類激發(fā)劑可以縮短膠凝材料的凝結(jié)時間，且石膏激發(fā)劑用量越多，試塊的抗壓強度就越大。

柯昌君[12]從微觀結(jié)構(gòu)角度研究了不同純度的二水石膏對鋼渣膠凝材料的力學(xué)性能的影響作用。發(fā)現(xiàn)，灰色的二水石膏能夠顯著提高強度，但是白色的二水石膏對強度沒有改善作用，并且強度會出現(xiàn)下降現(xiàn)象。

堿金屬鹽類激發(fā)劑主要是指硅酸鈉、硅酸鉀、碳酸鈉、碳酸鉀等，其中硅酸鈉即水玻璃（R2O·nSiO2），使用最為廣泛。 鋼渣中含有介穩(wěn)態(tài)的玻璃體，這類玻璃體通常都具有較高的化學(xué)內(nèi)能。當它們受到外界作用時，能夠釋放出一定的能量，從而表現(xiàn)出具有活性。 玻璃體中的主要存在兩種化學(xué)鍵，即Si-O和Al-O，當玻璃體受到外界作用時，這兩種化學(xué)鍵會斷開，生成正負兩種離子。在堿性環(huán)境下，這些離子之間會發(fā)生反應(yīng)：

Duran Atis C等[13]分別研究了水玻璃、氫氧化鈉和碳酸鈉分別對鋼渣的激發(fā)效果，發(fā)現(xiàn)碳酸鈉對鋼渣的激發(fā)效果最好，不僅強度符合要求，而且凝結(jié)時間與硅酸鹽水泥熟料幾乎一致。Bilim C等[14]研究了堿激發(fā)劑在不同摻量的鋼渣水泥中的活性激發(fā)效果。 提出，對于液體硅酸鈉，鈉含量越高，鋼渣水泥膠凝材料的力學(xué)性能就越好。 Bakharev T等[15]研究了堿性激發(fā)劑對澳大利亞國內(nèi)生產(chǎn)的鋼渣的激發(fā)效果，主要基于抗壓強度和標準稠度需水量兩個參數(shù)，發(fā)現(xiàn)模數(shù)低的硅酸鈉激發(fā)效果比模數(shù)高的好。

與其他激發(fā)劑相比，水玻璃的激發(fā)效果較好且成本比較低，在實際中得到了廣泛的應(yīng)用。 實驗表明，水玻璃模數(shù)在1.25～1.50時，才能發(fā)揮最好的骨架網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和激發(fā)效果。

2.3.3 復(fù)合激發(fā)

實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)僅僅使用單一品種激發(fā)劑時，鋼渣的活性激發(fā)效果不一定能達到要求，因此可以考慮采用復(fù)合激發(fā)方法， 即加入雙重或多重激發(fā)劑。同時，各類激發(fā)劑的價格也不完全一樣，可以將低價格的激發(fā)劑部分替代高價格的激發(fā)劑，組成復(fù)合激發(fā)劑，既可以達到想要的激發(fā)效果，又能節(jié)約成本。

Sajedi F等[16]采用氫氧化鈉、氫氧化鉀和硅酸鈉三種活性激發(fā)劑，結(jié)果表明，硅酸鈉對鋼渣的活性激發(fā)效果最好， 而氫氧化鈉的激發(fā)效果最差；如果采用復(fù)合激發(fā)劑，則氫氧化鈉和氫氧化鉀兩種激發(fā)劑復(fù)合的效果最好，其次是氫氧化鈉和硅酸鈉組成的復(fù)合激發(fā)劑，且復(fù)合激發(fā)的效果顯著優(yōu)于單一激發(fā)效果。

李丙明等[17]以活性指數(shù)為指標評價激發(fā)劑的效果，研究了復(fù)合激發(fā)劑對鋼渣復(fù)合材料活性的激發(fā)效果。 發(fā)現(xiàn)當鋼渣復(fù)合材料摻入量為50%，復(fù)合激發(fā)劑用量為2%時,7 d和28 d的活性指數(shù)都比使用單獨一種激發(fā)劑的活性指數(shù)高。

3 鋼渣的活性評價方法

我國絕大部分鋼渣是轉(zhuǎn)爐鋼渣，不同廠家生產(chǎn)的轉(zhuǎn)爐鋼渣的膠凝活性差異很大，需研究找出能夠有效評價鋼渣活性的方法。

Mason基于鋼渣的化學(xué)組成定義鋼渣的堿度M，并用M來評價鋼渣的活性：

我國同樣參照Mason的方法對鋼渣的堿度進行了定義，并將鋼渣按照堿度由高到低分為高堿度渣(M＞2.5)、中堿度渣(M=1.8～2.5)以及低堿度渣(M＜1.8)。一般情況下，鋼渣的堿度大于1.8時，才能用于制備鋼渣礦渣水泥。 但是，鋼渣的膠凝活性并不是隨著鋼渣堿度的提高而一直提高，用堿度評價鋼渣的活性具有一定的局限性。

對于高堿度鋼渣，王強提出了將鋼渣中膠凝組分與惰性組分之間的比例作為高堿度鋼渣活性的活性系數(shù)(hydration activity idex，簡寫為HAI)：

活性指數(shù)HAI越高，鋼渣的活性就越高。 該方法十分簡單，但只能用來比較不同種類鋼渣之間的活性高低。

規(guī)范是以膠砂強度活性指數(shù)（A）來表征鋼渣的膠凝活性：

式中：A為鋼渣粉的活性指數(shù)，Rt為受檢膠砂7 d或28 d的強度，R0為比對膠砂7 d或28 d的強度。

該方法實質(zhì)上反映的是水泥與鋼渣粉的疊加效應(yīng)，鋼渣粉本身的活性效應(yīng)并未有效分離，因此它并不能全面真實地反映鋼渣粉本身的活性。

4 結(jié)語

目前， 雖然我國鋼渣的利用率有走高趨勢，但是“高利用率”并不等同于“高效利用”，有些鋼渣的活性并未得到有效激發(fā)，鋼渣的高附加值利用也就無法實現(xiàn)。本文綜述了國內(nèi)外對鋼渣活性激發(fā)及其活性評價的研究， 試圖在前人研究成果的基礎(chǔ)上，探究出新的活性激發(fā)及活性評價方法。 今后，在鋼渣的活性激發(fā)方面，應(yīng)以“效果優(yōu)，成本低”為原則，注重將多種激發(fā)方式相結(jié)合；在鋼渣的活性評價方面，應(yīng)以“快、準”為原則，找出一種精確有效、操作簡單的活性評價方法。

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