摘要:钢渣是冶炼过程的附带产品，化学成分与硅酸盐水泥大体相同，具有潜在的胶凝活性。但由于钢渣的活性较低，抑制了钢渣的大规模应用。本文综述了目前激发活化钢渣的主要方式:物理激发、化学激发和热力学激发。
关键词:钢渣;活性;激发剂
1引言
钢渣是炼钢过程中的一种副产品，由生铁中的硅、锰、磷、硫等杂质在熔炼过程中氧化而成的各种氧化物以及这些氧化物与溶剂反应生成的盐类所组成。钢铁生产工艺以及原料不同，使得所产生的钢渣的化学成分也不尽相同。尽管具体成分有波动，但主要几种成分大体相同，表1是取自湘钢的钢渣样的化学成分。钢渣的主要矿物组成为橄榄石、硅酸二钙、硅酸三钙、铁酸二钙，除此之外，还有部分氟磷灰石和游离氧化钙，所以可以作为水泥生产的混合材来达到综合利用的目的。
我国是钢铁产量居世界第一，每年产生的钢渣量占钢铁产量的10%～12%。据统计，年我国钢渣排放量近亿吨。这些大量钢渣，常年积累，堆积如山，不仅占据大量场地，而且严重污染环境。钢渣作为一种潜在的资源未能得到充分利用，如果能够采取有效的利用措施，不仅能够解决环境问题，而且还能够为钢厂带来一定的收益。目前我国钢渣利用率大概在50%～60%之间，与世界其他主要钢渣生产国家的综合利用率还有很大的差距。
现在钢厂的钢渣占有大量农田和土地，造成了很大的环境污染，若能够最大限度的利用钢渣，则可以给社会带来极大的社会效益和经济效益。武钢采用一种钢渣综合利用的方法处理完武钢的全部钢渣，节约土地近千亩。西欧国家很早就有用高磷钢渣作肥料的历史。铁钢渣由于含有许多对农作物有益的元素如硅、镁及铝，因而极可能成为植物养分的来源，林立恒验证了从渣中萃取活性硅作为农作物的营养肥料。因此钢渣在农业领域的应用也是一个热门方向。
虽然钢渣的化学成分与水泥熟料很相似，具有一定的潜在胶凝性，但由于钢渣较难研磨以及自身的活性较低等原因，导致其未能大量应用于建筑行业。所以，为了提高钢渣的利用率，激发钢渣的活性是一个重要的途径，目前钢渣的激发活化主要分为三类:物理激发、化学激发和热力激发。本文综述了钢渣的激发活化方法，以期为今后的研究提供参考。
2物理激发
物理激发也称为机械激发，是指采用机械方法将物料磨细，提高其细度和比表面积，是较常用的一种激发方式。随着比表面积的增大，即物料与周围水分接触的面积增大，能够加快钢渣的水化速度，从而提高了钢渣的活性。
当采用粉磨设备对物料进行粉磨时，物料比表面积增大，粉磨能量中的一部分转为新生颗粒的内能和表面能，同时晶格产生缺陷、错位和重结晶，在表面形成非晶态结构，使水分子容易进入矿物内部，加速水化反应，从而提高钢渣的活性。温金保等通过XＲD、HＲTEM、DSC-TG等测试钢渣在粉磨过程中发生的结构变化，可以发现钢渣粉磨后，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，使其晶形发生变化，钢渣变得不稳定，钢渣的活性得到激发。本文采用研磨设备来磨细钢渣，研磨时间分为3min、4min、5min、7min和8min，研磨后的钢渣与其它原料混合，按照水泥胶砂强度检验方法制得钢渣水泥，试验结果见表2。由表2可以看出，随着研磨时间的增加，比表面积增大，各龄期的抗压、抗折强度都有不同程度的提高，即研磨能够激发钢渣的活性。
周惠群等研究分别粉磨熟料钢渣再混合的方法，制得钢渣水泥。结果表明，钢渣细度在m2·kg-1以上时，掺量在10%～40%，均可生产32．5级以上的钢渣硅酸盐水泥。钢渣细度达m2·kg-1及以上时，即使掺量达35%以上，也可生产42．5级以上的钢渣硅酸盐水泥。
赵鸿通过研究钢渣细度及掺量对复合水泥力学性能的影响，分析各个影响因素的作用。结果表明，随着磨细钢渣粒度的减小，钢渣复合水泥的抗折、抗压强度会有不同程度的提高。
潘如意研究不同的粉磨时间制备出不同细度的钢渣粉，并对其活性进行研究。试验结果表明，在一定的细度范围内，钢渣的细度对其3d的活性几乎无影响，对其28d活性略有影响，随着时间的推移，钢渣的细度对其活性的影响逐渐显现。
Hanifi等研究细度对钢渣复合水泥各性能的影响。结果表明，与比表面积较小的试验样相比，物料比表面积较大的试验样能够得到更大的抗压强度和抗硫酸盐腐蚀能力。
Lubica等研究物理激发对钢渣水化特性的影响。结果表明，钢渣经过粉磨后，平均粒径可以减小至3μm以下，比表面积增大至十倍以上;机械作用能极大的提高钢渣的水化反应;若单独使用钢渣为混合材，尽管经过物理激发后活性有所增强，但强度的发展对大部分的实际应用来说还是不够的。
随着粉磨时间的延长，钢渣比表面积逐渐增大，但同时粉磨效率也会下降，因此在粉磨过程中，可以考虑加入一定量的助磨剂来提高粉磨效率。李伟峰等研究了5种助磨剂对钢渣粉磨的作用效果，并探讨了助磨剂对钢渣微粉活性、流动度等性能的影响。结果表明，助磨剂对钢渣微粉的粉磨均有一定的助磨作用，80μm筛余显著降低，45μm筛余量变化不明显;同时使初凝时间延长，终凝时间缩短。掺入0．05%酰胺化合物的7、28d活性指数较空白样增加了8．64%和5．93%。
虽然从理论上看，比表面积越大，钢渣的活性越高，但要得到较大比表面积必然需要长时间的粉磨过程，使得成本也相应的增加，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。另外，随着比表面积增大到一定程度，由于微细颗粒的表面能明显增大，会产生钢渣颗粒团聚的趋势，从而降低粉磨效率。
3化学激发
化学激发是通过添加某些外加剂来提高钢渣的活性，化学激发剂种类很多，但它们都是通过改变矿物形成过程来激发钢渣活性的。常见的化学激发剂有碱金属盐、石膏等。
3．1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。钢渣的活性较低，是由于钢渣在形成过程中经历了高温和急冷过程，主要含有介稳态的玻璃体。玻璃体的主要化学键是Si-O键和Al-O键，在碱金属盐类激发剂作用下，化学键发生断裂，并与Ca2+、Na+反应生成沸石类水化产物，沸石类水化产物的生成又促使玻璃体的Si-O键和Al-O键不断被破坏，最终使玻璃体彻底解聚。
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28d强度达到56．4MPa。
胡曙光等研究水玻璃对钢渣水泥的激发效果，结果表明，外加剂掺量从0%增大到3%时，钢渣水泥的强度增长速度较快，但激发剂掺量超过3%时，强度增长速度放缓，28d强度甚至有一定的下降。
范立瑛等研究了碱金属硫酸盐对脱硫石膏基钢渣胶凝材料的影响，硫酸钠掺量为1%时可以较好的激发钢渣的活性，提高复合胶凝材料的力学性能;若采用硫酸铝为激发剂，则掺量为3%时可以较好地激发钢渣的活性，提高复合材料的力学性能。
Atis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。
3．2石膏
石膏激发钢渣的原理是:石膏可以加快钢渣水化产物钙矾石的生成速率，从而提高钢渣的水化速率。石膏激发剂分为:无水石膏、半水石膏和二水石膏。
柯昌君采用XＲD、SEM以及TG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，采用低纯度二水石膏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。
张波等在研究钢渣的组成对其性能的影响规律中发现，掺入少量无水石膏能够激发钢铁渣的早期活性，对于提高掺钢渣的砂浆的早期强度有积极作用。
高建荣等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28d抗压强度影响优于硬石膏。
3．3其他激发剂
上述几类激发剂是最常见的，近些年也有学者提出了一些其他的激发剂。方旭彬等研究酸性激发剂激发掺入钢渣和矿渣的复合渣水泥，结果表明，适当浓度的酸激发复合渣水泥可以有效的提高水泥强度。综合来看，采用0．05mol/L的醋酸激发可以对强度提高达到最佳效果。
李玉祥等选用几种激发剂，系统研究了不同类别激发剂对钢渣活性的影响和激发机理。结果表明，硅灰作为激发剂对钢渣活性的激发效果最好，制备的水泥试块28d抗压强度能达15．9MPa。
董涛等研究了芒硝对钢渣早期水化活性的影响，结果表明，在激发钢渣早期水化活性方面，芒硝的效果优于水玻璃。配制复合激发剂时，要优先考虑芒硝的掺量，以2%～3%为宜。
3．4复合激发
复合激发是指同时使用两种或多种化学激发剂的方法。采用复合激发剂活化钢渣，优化胶凝材料组成体系，实现钢渣胶凝材料活性的超叠加效应。某些激发剂成本较高，通过复合激发可以减少高成本激发剂的用量，提高激发剂的使用效率，降低激发的成本。
李丙明等采用三种激发剂对钢渣-矿渣-粉煤灰复合微粉进行了化学激发试验，结果表明，三种激发剂复合效果要优于单独一种激发剂。
李义凯等研究采用复合激发剂活化钢渣制备复合胶凝材料，实验采用正交实验法确定复合激发剂的最优组合，并研究复合激发剂掺入量对材料抗压强度的影响。结果表明，复合激发剂最佳掺量为3%，复合激发剂可激发制得净浆3d抗压强度28MPa、28d抗压强度45MPa的复合胶凝材料。
朱伶俐等研究了四种碱性激发剂对钢渣活性影响及变化规律，得到了复合激发剂的最佳组成为:生石灰∶石膏∶明矾∶水玻璃为3∶1∶2∶1。
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，有效提高胶凝材料的力学性能(14d抗压强度为16．14MPa、抗折强度为5．83MPa)。
Fathollah等采用氢氧化钠、氢氧化钾和水玻璃三种激发剂来激发钢渣的活性，结果表明，单独使用一种激发剂时，水玻璃效果最好，氢氧化钠效果最差;若复合使用激发剂则效果要优于任何一种激发剂。
4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著提高。
陈鹏研究不同热力活化粉煤灰工艺对采用同样活化粉煤灰配制的35型复合硅酸盐水泥强度的影响，实验结果表明:(1)采用热力活化工艺处理的粉煤灰所配制的35型复合硅酸盆水泥强度可达到27．5～42．5标号;(2)采用早强剂直接加入到原状粉煤灰中的“只轻烧不蒸”的热力活化工艺，既经济又能满足配制的35型复合硅酸盆水泥达到32．5Ｒ及42．5Ｒ水平。
林宗寿等研究了采用热力激发钢渣-粉煤灰-石膏体系的效果，结果表明，压蒸温度为℃，预处理料掺量为35%时，28d抗压强度达到46．8MPa;掺量为40%时，28d抗压强度仍可达到43．5MPa，都能达到42．5水泥标准。
Alaa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1h抗压强度随压蒸时间的提高而增大，但1h后抗压强度略微有所下降。
5复合活化
复合活化就是同时采用两种或两者以上激发方法来激发钢渣的活性。随着钢渣资源化利用的深入研究和钢渣应用要求的提高，往往需要使钢渣的活性提到更高，这就需要同时采用多种活化措施才能够实现。
高建荣等采用化学激发和物理激发两种方法来提高转炉钢渣的活性，制备高强度、高掺量的钢渣胶凝材料。结果表明，通过化学激发和物理激发的综合效应，能够利用转炉钢渣制备出高活性辅助胶凝材料。转炉钢渣最适宜粉磨时间为60min;激发剂M(三异丙醇胺、聚乙二醇与去离子水的复配质量比为6∶4∶10)的激发效果最好，转炉钢渣在水泥中的掺量可达33%，其28d抗压强度可达50．4MPa。
施惠生等采用物理激发和化学激发手段来改善钢渣的活性，结果表明，钢渣胶凝材料在物理激发和化学激发双重激发下，28d抗压强度最高达到54．3MPa。
6展望
进入21世纪，我国钢铁产业飞速发展，产量的增长导致了钢渣排放量的增长，给我们带来了极大的环境压力。钢渣作为一种工业副产品，具有和硅酸盐水泥熟料大体相同的矿物结构，有较大的潜在活性，可以将钢渣应用于水泥、混凝土等建筑材料领域。目前我国在钢渣的资源利用上有片面追求高利用率的趋势。但是“利用率高”不能等同于“高效利用”，由于有些钢渣的活性未能得到充分地激发，而导致未能实现钢渣的高附加值利用。因此如何有效地激发钢渣的活性也成为国内外的研究热门，本文综述了近年来国内外对钢渣活性激发方面的研究。以上叙述的主要激发方式都能够一定程度激发钢渣的活性，但也得同时考虑到其中的一些不足。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，今后的研究方向应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。
易龙生，温建(中南大学资源加工与生物工程学院，长沙483)
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