简述矿渣的活性及影响其活性的因素

简述矿渣的活性及影响其活性的因素
吴兴
【摘要】矿渣作为辅助胶凝材料引入混凝土已有近百年的历史，本文主要从矿渣
的化学成分成入手，研究分析矿渣的潜在活性，并从化学组成，冷却条件，成粒方式及玻璃体含量探讨了影响其活性的因素。

【期刊名称】《科技风》
【年(卷),期】2012(000)008
【总页数】1页(P59-59)
【关键词】矿渣;混凝土;潜在活性
【作者】吴兴
【作者单位】湖北工业大学,湖北武汉 430068
【正文语种】中文
矿渣作为辅助胶凝材料引入混凝土已有近百年的历史，对矿渣的研究也已经取得了巨大的发展。

混凝土是当今用量最大的建筑材料，其性能很大程度上受水泥所影响，而矿渣是一种活性混合材，具有独特的水化活性，能显著改善水泥和混凝土的各方面性能。

从化学成分来看，高炉矿渣属于硅铝酸盐质材料。

矿渣的主要化学成分与水泥熟料相似，只是氧化钙含量略低，即由CaO和MgO（碱性氧化物）、SiO2和Al2O3（酸性氧化物）、以及MnO、Fe2O3、S等微量成分组成的硅酸盐和铝酸盐，上述四种主要成分在高炉矿渣中占95%以上。

矿渣的成分在CaO-SiO2-Al2O3三元
相图中的位置见图1。

大量研究表明，矿渣与水泥和水混合后，其水化产物与水泥的水化产物相同，均为水化硅酸钙凝胶（CSH）和水化铝酸钙。

潜在活性是指本身不具有或只有很弱胶凝性质的硅质或铝硅质材料，在水存在的情况下与CaO反应形成水硬性固体的能力。

高炉矿渣品质的优劣，主要是根据它活性的大小来评定的。

矿渣粉潜在活性的评定有多种方法，为了能比较迅速地测定出矿渣的活性，研究工作者们应用了许多测定方法，如石膏吸收值法、NaOH激发法、热化学法、显微镜观察法、差热分析法等，目前世界上应用较为普遍的是采用化学成分的组成来鉴别矿渣活性的方法，我国GB/T203中采用质量系数来评价矿渣粉的质量：
1）化学组成。

CaO是影响矿渣活性的重要因素，一般不会以f-CaO形式存在，
它与酸性氧化物全部结合成不同的矿物，如硅酸二钙、硅铝酸二钙。

由于冷却条件不同，硅酸二钙又常以不同结晶形态存在，在缓冷的矿渣中，具有水硬性的β-
2CaO·SiO2就转变为γ-2CaO· SiO2而失去活性。

Al2O3在矿渣中是决定活性大
小的重要氧化物之一。

它除了以硅铝酸二钙的形式存在以外，而且还以不规则状的铝酸根出现在玻璃体内。

在水和Ca（OH）2的激发作用下能与CaO和MgO化合。

SiO2在矿渣中含量较高，能促进玻璃体的形成。

如果SiO2含量相对地太高，矿渣活性就会降低。

在碱性矿渣中，由于有充分的CaO存在，能够生成具有高活性的硅酸二钙。

但在酸性矿渣中，由于CaO的含量不足，只能生成低钙性的硅酸一钙，部分SiO2并处在游离状态，这对矿渣活性是不利的。

S在矿渣中常以硫化钙（CaS）形式存在。

CaS的存在对矿渣活性是有好处的，因为它在水解后能生成Ca（OH）2，对矿渣具有激发作用。

MnO是矿渣中的有害成分，它在酸性或低
碱性矿渣中代替一部分CaO，生成了低活性的化合物（MnO·SiO2，
2MnO·SiO2）。

其次，MnO在矿渣中能与S生成MnS，使CaS的生成造成困难。

此外，MnS进行水化时还引起很大的体积变化。

2）冷却条件。

高炉矿渣的活性
与化学成分有关，但更取决于冷却条件。

慢冷的矿渣具有相对均衡的结晶结构，主要矿物为钙铝黄长石、镁黄长石、钙长石、硫化钙、硅酸二钙等。

除硅酸二钙具有缓慢水硬化性外，其他矿物成分常温下水硬性很差。

为了使矿渣发挥最大的胶凝活性，需要将熔融态的矿渣进行淬冷处理，将熔融态的矿渣转变为最大粒径不超过5mm的颗粒，即所谓的粒化高炉矿渣。

淬冷阻止了矿物结晶，形成大量的无定形活性玻璃体结构或网络结构，具有较高的潜在活性。

在激发剂的作用下，其活性被激发出来，能起水化硬化作用而产生强度。

最常用的处理方式是水淬处理。

高炉矿渣水淬处理就是将热熔状态的高炉矿渣置于水中急速冷却，限制其结晶，并发生粒化。

急剧冷却以提高矿渣的活性，对碱性矿渣尤为重要。

因为，碱性矿渣的结晶能力与晶形的转变是较为强烈的。

只有使熔融物迅速冷却，急剧增加矿渣的粘度，才会使矿渣失去或大大减少结晶、晶型转变中的分子重新排列的可能性。

而酸性矿渣（特别是强酸性的）则本身就有着很大的粘度，它即使在自然条件下缓慢冷却，这样的粘度已足以阻碍分子重新排列，可以完全凝固成玻璃状的矿渣。

所以急剧冷却对酸性矿渣活性的提高是不十分显著的。

3）成粒方式。

矿渣的成粒方式对其活性有一定影响。

半干法成粒的水渣的水硬活性基本与湿法相同，或者要高于湿法生产的水渣。

研究表明：半干法成粒对提高酸性矿渣的活性有一定的作用。

酸性矿渣比碱性矿渣有较大的粘度，采用水池法生产时就有可能发生水淬不良的情况；而采用半干法成粒时，除有水冷作用之外，尚受着机械和水流的物理冲击作用，通过这种作用可以使矿渣水淬更为充分，相应也就提高了活性。

4）玻璃体含量。

经淬冷成粒后，矿渣中含有呈疏松的玻璃体结构。

有关玻璃体结构的研究很多，并提出了不少假说。

现在较多的观点认为玻璃体是“冻结”下来的熔融状态的结构。

在矿渣玻璃体内有相当多的末端硅氧四面体和铝氧四面体。

末端硅氧四面体与硅氧骨架的结合力较弱，具有较高的“潜在”化学活性。

由Al3+替代Si4+所形成的铝氧四面体与周围金属离子间的键力更弱。

玻璃体中还有一部分Al3+构成了铝氧八面体，而
不参加硅氧骨架的网状结构，其键力较铝氧四面体还要弱。

故铝酸根往往具有较高的活性。

习惯上把矿渣中具有“潜在”活性的硅酸根和铝酸根，称为活性氧化硅和活性氧化铝。

矿渣中玻璃体含量越多，活性氧化硅和氧化铝含量越多，矿渣活性越高。

矿渣中玻璃体含量主要取决于出渣温度及淬冷条件。

实践证明，在矿渣成分相同的条件下，出渣温度和水淬起始温度越高，降温速度越快，所得矿渣玻璃体含量越多。

5）粉磨细度。

矿渣粒化后需要脱水、干燥、磨细等处理，也需要通过磨细前后的磁选以去除残余的金属铁，为了增加矿渣的早期活性，矿渣需要粉磨至足够的细度。

矿渣粉的活性受其比表面积的影响很大，普通细度的矿渣由于颗粒较粗，水化慢；而磨细矿渣由于颗粒较细，水化快，并发挥了磨细矿渣的填充和改善集料界面作用，相应的其活性就高。