钢渣胶凝活性与体积稳定性优化研究现状

随着粗钢产量的逐年递增，我国钢渣累积存放量也不断上升，将钢渣用作辅助胶凝材料是提高钢渣综合利用率、降低水泥混凝土行业碳排放的有效措施。然而， 钢渣存在的胶凝组分含量少且活性低、膨胀组分含量较高等问题 限制了其在水泥和混凝土中的应用。

目前，用于改善钢渣胶凝活性与体积稳定性的方法主要有 机械粉磨 、 高温活化 、 碱活化 、 酸活化 、 有机物活化 及 碳化活化 等。 机械粉磨 主要通过物理方式破坏钢渣晶体结构、减小颗粒粒径，但其能耗较高且仅对早期强度有利。 高温活化 主要包括高温养护和高温调质/重构：高温养护通过改变钢渣水化所处的外界环境促进水化，但较高温度会使钙矾石分解并引入孔洞；高温调质/重构工艺直接改变了钢渣的矿物组成，但存在能耗高和匀质性差的问题。 碱活化 可以促进离子溶出并消耗氢氧化钙，但存在碱骨料反应和泛碱等问题。 酸活化 也可以促进离子溶出，增大钢渣比表面积，但过量酸会消耗钢渣中活性组分。 有机物活化 中，醇胺可以通过络合作用促进离子溶出，但不同分子结构的醇胺作用机理仍不明确。 碳化活化 通过钙镁矿物与CO ₂ 反应形成碳酸盐填充孔隙，但CO ₂ 向试块内部的扩散阻力使内外碳化程度不均匀。

通过钢渣的来源和组成，分析钢渣活性低和体积稳定性差的原因，归纳目前常见的改善钢渣胶凝活性和体积稳定性的方法，指出各方法目前面临的困境并作出展望，以期为钢渣性能的进一步优化和在水泥混凝土工业中的进一步应用提供参考。

按照炼钢炉的类型，钢渣可分为氧气顶吹转炉渣、电弧炉渣和钢包炉渣等。在我国，近90％粗钢是由氧气顶吹转炉生产，另外约10％由电弧炉生产，钢包炉主要是对氧气顶吹转炉渣及电弧炉渣生产的钢水进行精炼。以2019年为例，氧气顶吹转炉渣炼钢占比为89.4％，电弧炉渣炼钢占比10.6％。通常氧气顶吹转炉是将铁水（占比约3/4）和部分废钢（占比约1/4）熔融并转炼成钢；电弧炉的主要熔炼对象是废钢，这些废料会在石墨电极的作用下融化并被精炼成钢。为了除去铁水或废钢中的杂质，通常会在炼钢炉中加入造渣料（生石灰、白云石）、熔剂（萤石、氧化铁）和冷却剂（铁矿石、石灰石）等，这些物质会在炼钢炉中与钢水中的杂质（Si、Fe、Mn、P、S等）反应，从而除去钢水中的杂质并形成钢渣。

根据钢渣的水化活性和矿物相组成，可对钢渣碱度进一步细分为橄榄石渣（Ｍ=0.9~1.4）、镁蔷薇辉石渣（Ｍ=1.4~1.6）、硅酸二钙渣（Ｍ=1.6~2.4）及硅酸三钙渣（Ｍ＞2.4）。钢渣按碱度的分类汇总见表２。钢渣的化学组成与矿物组成和水泥相似，Ｓ钢渣中含有一定量具有胶凝性能的矿物相，如C ₃ S、C ₂ S、C ₄ AF、C ₁₂ A ₇ 等，这些胶凝相的存在使其被视为劣质的水泥熟料，可以用作辅助胶凝材料。

基于钢渣自身活性低和体积稳定性差导致其在水泥工业中难以广泛利用的问题，本文从钢渣的来源与组成出发，综述了常用活化方式对钢渣胶凝活性的提高和体积稳定性的影响研究现状。从不同的角度解释钢渣作为辅助胶凝材料存在的问题及解决方案，为进一步提高钢渣资源化利用率与降低水泥工业碳排放做铺垫。现对其作结语并提出展望如下：

（１）机械粉磨可以提高钢渣比表面积、破坏其晶体结构、增加细钢渣颗粒群中Ca、Si等元素的含量，从而提高其活性，改善钢渣体积稳定性，但仅通过机械粉磨对钢渣活性提升有限，且对钢渣超细粉磨会造成高能耗。开发具有更高助磨效果同时又能改善钢渣胶凝活性与体积稳定性的无机-有机外加剂和／或生产制备粉磨效率更高同时更节能的粉磨设备是机械粉磨的发展方向之一。

（２）高温养护可以通过改变合适的外界条件促进水化反应，而高温调质/重构直接改变了钢渣的矿物组成提高了胶凝组分的含量。但是，高温养护可能会使钙矾石分解、引入空洞或使水化产物分布不均匀；高温调质/重构存在高能耗及不同材料混合的匀质性问题。如何解决上述问题是促使高温改性在钢渣中应用的关键。

（３）碱活化可以促进离子溶出从而水化反应，硅酸盐类碱活化剂可为水化提供反应物。部分部分碱活化剂可与CH反应并生成有利于钢渣强度发展的C-S-H凝结与石膏等组分。然而，碱活化也存在泛碱、潜在的碱骨料反应等问题。此外，不同碱活化剂的作用机理及碱与其他外加剂的相容性也是碱活化钢渣有待研究的问题。

（４）酸活化可以促进离子溶出并消耗钢渣中的膨胀组分，特别是干法刻蚀技术对钢渣比表面积及早期强度的促进能很好地提高钢渣活性，但仍需注意酸的过度侵蚀、与活性组分反应及部分酸对水化的影响等问题。如何在不过度影响钢渣水化的基础上将酸引入钢渣体系，不同无机、有机酸对钢渣影响机理及对不同化学/矿物组成的钢渣如何选择其所适用的酸等是酸在钢渣体系中的研究方向之一。

（５）关于有机物尤其是醇胺类有机物，虽然常用于水泥外加剂，其对水泥水化、力学性能的促进作用现已得到了广泛研究，但此类有机物在钢渣中的应用还较少。钢渣具有与水泥相近的矿物组成，将此类有机物引入钢渣体系有助于钢渣的进一步利用，然而醇胺对钢渣体系水化及体积稳定性的作用机理和分子结构略有不同的醇胺对钢渣水化的影响机制仍需进一步研究。

（６）碳化活化既可以产生可以填补孔隙的微集料碳化产物，又可以产生二次C-S-H凝胶，这对钢渣/钢渣-水泥复合体系力学性能有利。但碳化活化的苛刻的高CO ₂ 浓度压力环境及CO ₂ 向内扩散的阻力是限制碳化广泛应用的瓶颈。如何促进钢渣在低CO ₂ 浓度与压力下的碳化并保证钢渣试件内外碳化的一致性与均匀性是碳化钢渣未来的研究方向之一。除碳化活化是通过微集料填充作用促使钢渣试样致密化外，其他各种活化方式都是通过促进水化反应进程提高钢渣活性的，如提高钢渣反应活性、增加反应物浓度、改变外界条件等促进反应正向进行。对通过促进生成物析出或在增加反应物含量的同时促进生成物析出促进反应正向进行的方式需要进一步研究。此外，通过多种活化方式的联合使用以推进反应进程也是进一步提高钢渣活性的有效途径。