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摘 要：从物理、化学和热力激发等方面介绍了目前钢渣活性激发的方法，并阐述了各种方法的激发机理。今后的研究方向应着重于多种方式相结合的激发方法。
关键词：钢渣；活性；激发
0 前 言
钢渣是炼钢过程中产生的废渣，排出量约为粗钢产量的 15%～20%[1]。钢渣的化学组成及矿物组成与硅酸盐水泥熟料较接近，从理论上分析，钢渣在水泥混凝土中的应用潜力很大。但由于钢渣生成温度较水泥熟料煅烧温度更高，矿物晶体致密，晶格稳定，水化活性相对较低，故阻碍了其在建材领域的规模化应用。虽然我国目前大力提倡钢渣的综合利用，但钢渣利用率仍然很低，且所利用的钢渣仍主要集中于传统的筑路、工程回填等方面。当前我国钢渣综合利用率不足 60%，大量钢渣的存放既浪费土地资源，又会给当地生态环境、钢铁企业造成极大负担。因此，将钢渣的潜在活性激发出来，提高钢渣的有效利用率，有着重要的经济和社会意义。本文对钢渣活性激发技术及其机理进行了综述。
1 钢渣的本征特性
钢渣依炉型分为转炉渣、平炉渣、电炉渣，我国转炉渣排放量占总量的 80% 左右。受原材料以及炼钢工艺等因素的影响，钢渣的化学成分含量也会随之不同。钢渣主要化学成分为 CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3、MgO，另外还存在少量其他氧化物及硫化物，如 P2O5、MnO、CaS、FeS 等，表 1 列出了国内转炉钢渣的主要化学成分。
表 1 转炉钢渣化学成分
Mason B[5]提出用钢渣化学组成计算得到的碱度值（M）来评价钢渣的活性，定义钢渣碱度 M=w(CaO)/[(SiO2)+(P2O5)]。按碱度将钢渣分为低碱度渣（M<1.8）、中碱度渣（M=1.8~2.5）及高碱度渣（M>2.5）3 种，如果碱度＞1.8，则认为是胶凝材料。但是，碱度只能在一定程度上评价钢渣的活性，例如，如果钢渣中的 SiO2、CaO 含量均较低，通过上述碱度计算公式得到的碱度值较高，但由于 C2S、C3S的含量较低，钢渣的活性可能仍较低。现行国标[6]中规定用活性指数表征钢渣的活性。
2 钢渣的活性激发
钢渣活性低、水化慢的特性限制其资源化利用途径的拓展。通过活性激发可以改善这种情况。目前主要的活性激发方法有物理激发、化学激发与热力激发。
2.1 物理激发
物理激发是采用机械的方法提高钢渣的细度，是较常用的一种激发方式。钢渣在粉磨过程中，随着颗粒粒径的减小，比表面积增大，钢渣颗粒与水接触面积增大，加速
水化反应速率，从而提高了钢渣活性。同时，在强机械力作用下，矿物晶格产生错位、缺陷、重结晶，结晶度下降，表面形成易溶于水的非晶态结构。当钢渣的比表面积达到400~500 m2/kg时，其内在活化性能较充分地发展。温金保等通过 XRD、SEM、DSC-TG 等测试钢渣粉磨过程的结构变化，结果表明钢渣粉磨后，其原有的完整晶形结构发生塑性变形，不同程度的产生晶体缺陷、晶格畸变、晶粒尺寸变小、结构无序化、表面形成无定形或非
晶态物质以及位错等现象，使钢渣变得不稳定，钢渣的活性得到激发。
陈益民等研究磨细钢渣作为高活性水泥掺合料。结果表明磨细钢渣粉的活性指数随其比表面积增加而提高，用磨细钢渣粉可以制成普通硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥等，水泥的各项性能均符合相应标准要求。
仲晓林和李军华将磨细钢渣粉作为混凝土矿物掺合料进行研究。结果表明，随着钢渣比表面积的增大，钢渣的活性提高，磨细钢渣粉可作为一种高活性矿物掺合料来使用。磨细钢渣粉作为矿物掺合料在混凝土中应用时，还能起到物理填充的作用。钢渣粉中的细小颗粒可以填充混凝土的孔隙，改善混凝土过渡区的微结构，从而提高混凝土强度。
虽然钢渣比表面积越大，钢渣活性越高，但随着钢渣细度不断降低，钢渣颗粒间作用力增大使钢渣颗粒产生团聚，物料处于磨细-团聚的动态平衡状态，细度不再显着减小，粉磨效率降低，粉磨成本大幅提高。因此需要根据实际应用的需要，确定最优钢渣比表面积大小。在实际使用过程中，可将钢渣先磨至合适细度，再与熟料、激发剂及其他混合材混合磨细，对钢渣活性的发挥大有益处。
2.2 化学激发
钢渣的化学激发是通过引入化学组分创造一个能使钢渣中玻璃体充分解聚并水化环境的方法来提高钢渣活性。从机理来看，碱性水溶液是激发活性的首要条件，其次是硫酸盐激发。
2.2.1 碱激发
碱激发是指采用碱金属的硅酸盐和碳酸盐来激发钢渣活性，是应用最为广泛的化学激发方式。钢渣在高温急冷处理过程中会产生大量的玻璃体，这些在热力学上不稳定的玻璃体在碱性物质的作用下，会迅速的溶解并释放出铝硅和铝氧体，进而参与生产水化产物，提高体系的致密性与强度。
徐彬等研究了硅酸钠碱激发剂对钢渣水泥的影响。研究结果表明，碱激发剂能够提高钢渣水泥的抗压强度，当激发剂掺量达到6% 时，钢渣水泥 28 d 强度达到 56.4 MPa。
胡曙光等研究水玻璃对钢渣水泥的激发效果。结果表明，水玻璃掺量从 0 增大到 3% 时，钢渣水泥的强度增长速度较快，但当掺量超过 3%时，强度增长速度放缓，28 d 强度甚至有一定的下降。
Cengiz等研究了三种化学激发剂对钢渣的激发效果，分别是水玻璃、氢氧化钠和碳酸钠。结果表明，采用碳酸钠为激发剂是最佳选择，因为使用碳酸钠为激发剂能够达到足够的压强，而且凝结时间与熟料相似。
2.2.2 硫酸盐激发
常见的硫酸盐激发剂有二水石膏(CaSO4.2H2O)、半水石膏(CaSO4.1/2H2O)、无水石膏(CaSO4)和硫酸钠。当用石膏作激发剂时，可促进水化硅酸钙和钙矾石的形成。柯昌君[15]采用 XRD、SEM 以及 DTG 等手段，并利用纯石膏掺杂等方法研究了不同纯度二水石膏对低碱度钢渣蒸压制品强度的影响。结果表明，低纯度石膏中二水石膏的低浓度均匀分布，有利于激发钢渣的水化和强度发展。
闾文等研究了改性后的烧结烟气脱硫石膏用作矿渣粉、钢铁渣复合粉激发剂。试验结果表明，矿渣粉掺脱硫石膏后作混凝土掺合料配制的混凝土早期强度和后期强度
都得到提高。
高建荣等[17]研究了两种类型石膏对矿渣水泥激发效果。结果表明，同等掺量下，二水石膏明显优于硬石膏。两种石膏对矿渣水泥抗折强度早期影响大于后期，二水石膏对 28 d 抗压强度影响优于硬石膏。另外，范付忠、J D Bapat等采用适量的石膏作激发剂的钢渣水泥硬化浆体，能显着提高其抗硫酸盐性。
2.2.3 复合激发
通常单独使用一种化学激发剂激活钢渣的活性，并不能取得很好的效果。在实际应用中，常采取两种或多种化学激发剂的激活方法，即复合激发。李东旭提出了钠钙硫复合活化的方法，这是目前钢渣活化技术常采用的方法。在钢渣水泥水化的早期，激发剂可生成氢氧化钠，提高水化环境的碱度，促进钢渣本身的水化生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等，并在硫酸盐存在的条件下进一步反应生成钙矾石。
郝润霞采用复合激发剂来激发脱硫石膏基钢渣水泥，结果表明，当硫酸铝掺量为 1%、水泥掺量为 3%、三乙醇胺掺量为 0.8% 时可以有效激发钢渣的潜在活性，提高胶凝材料的力学性能。
2.3 热力激发
热力激发是指向体系中提供热量来提高钢渣的活性。钢渣中玻璃体的网络结构受热应力的作用，其化学键 Si-O 键和 Al-O 键更容易发生断裂，有利于玻璃体解聚，水化
反应的速率加快，从而使钢渣的活性得到了显着提高。
林宗寿等将磨细后的钢渣、粉煤灰、石膏按拟定比例混合均匀，加水成型、压蒸养护、陈化、烘干、磨细后作为预处理料。压蒸温度 100℃，压蒸时间 12 h，陈化12 h，烘干温度 110℃。经过测试可知,采用热力激发可得到活性相当高的钢渣预处理料。当钢渣掺入量达 35%~40% 时，仍可稳定生产 42.5R 钢渣水泥。
Alaa M R 等研究了碱激发钢渣在压蒸条件下的活性研究。结果表明，压蒸可激发出钢渣活性，压蒸处理过的试样的抗压强度要高于未处理过的试样；前 1 h 抗压强度随压蒸时间的提高而增大，但 1 h 后抗压强度略微有所下降。
3 结 论
钢渣作为一种年排放量极大的工业固体废弃物，具有和硅酸盐水泥熟料相类似的化学矿物组成，有较大的潜在活性。已有研究中利用物理、化学以及热力学等方法对钢渣进行活性激发虽然已经取得了一定的效果，但还远没有达到充分利用钢渣用于建筑材料中的目标。物理激发方式对钢渣细度的要求很高，往往需要长时间的粉磨，必然就会加大钢渣处理的成本；化学激发方式也同样存在激发剂成本高的问题。因此，今后的研究方向着重于多种激发方式相结合的方式来激发钢渣，既能够达到钢渣活性的充分激发，同时能够降低处理的成本。
王 琼 上海市建筑科学研究院(集团)有限公司
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