柳钢矿渣和粉煤灰胶凝材料的研究进展

AAC水泥（alkali-activated cement）[34-37]，即碱激发水泥，是指具有火山灰活性或潜在水硬性原料与碱性激发剂反应而生成的一类胶凝材料。这些原料一般属于天然硅铝酸盐矿物和工业副产品或废渣，常见的有粉煤灰、高炉矿渣、钢渣、铜渣、磷渣、烧黏土、赤泥、天然火山灰、尾矿等。

20世纪40年代，比利时化学家Purdon发表了一篇题为《The activation of alkalis on blast furnace slag》的文章[38]，对碱性材料对矿渣的激发作用进行了讨论。后来，苏联乌克兰共和国基辅建筑工学院Glukhovskii教授从古代混凝土良好耐久性中得到启发，用碎石、磨细的锅炉渣、高炉矿渣与石灰和部分水泥熟料混合，用水玻璃或氢氧化钠溶液调制成强度达120MPa、稳定性极好的碱矿渣胶结材，其水化产物结构类似于自然界的沸石、长石和霞石，该技术的开发是碱激发胶凝材料发展史上的一个里程碑。1960年，苏联完成了碱矿渣水泥和混凝土的生产性试验，1964年实现工业化生产，1965年制订了土壤水泥的技术条件，并于1976年取得该种材料方面的第一份专利。

我国对化学激发胶凝材料的研究始于20世纪60年代。起初，我国建材工作者进行了低碱度激发硫酸盐矿渣体系的研究，取得了不少成果。该体系主要基于石膏矿渣水泥，与高铝水泥相似，具有较高的早期强度。其主要缺点是低温施工时，强度较低和表面容易起砂。由于该体系的碱度较低，没有将其纳入碱激发胶凝材料体系。20世纪90年代以来，人们对该体系又产生了极大的兴趣，并进行了不少改进，通过控制体系的碱度和添加少量的助剂，改善了体系的强度和低温使用性能[39]。

我国对强碱激发胶凝材料的研究始于20世纪80年代初期，研究多集中在高等院校和科研机构，并取得了不少科研成果。南京化工学院的钟白茜、杨南如[40]等在碱矿渣水泥的性能、碱骨料反应、碱矿渣水泥的水化特征等方面进行了大量的研究。南京化工大学的吴学权、周焕海等对碱矿渣水泥的水化动力学和早期水化行为进行了研究。重庆大学的蒲心诚在碱激发胶凝材料的方面做了深入的研究，并且应用于实际工程。

经过半个多世纪的开发应用，世界各国科技工作者在碱激发胶凝材料领域取得了令人注目的成就，基本上奠定了碱胶凝材料的物理化学基础。碱激发多组分体系中又包括碱激发波特兰矿渣水泥、碱激发粉煤灰矿渣水泥、碱激发火山灰-石灰水泥、碱激发矿渣菱苦土水泥等。

但是，由于研究开发工作还不够系统深入，加上碱胶凝材料的原料来源广、组成与性能差异大，使得碱胶凝材料的性能稳定性不够，并且缺乏必要的国家标准和技术标准来规范碱胶凝材料的生产、设计和应用，使得碱胶凝材料在我国还没有被广泛应用。

从矿渣的溶出性试验来看，当矿渣处于p H值大于12或p H值小于3的水溶液中时，从矿渣中溶出硅的量明显增加，说明矿渣在这两种情况下均可以溶解，并且可能生成新的物质或形成新的结构。但从胶凝材料学的观点来看，激发剂的作用不仅仅要能使矿渣的潜在活性激发出来，而且还要有利于稳定的水化产物的形成和水化产物网络结构的形成。因此，当矿渣处于碱性溶液中时，会明显地显现出水硬性能，而在酸性溶液中，虽然矿渣也能溶解，但由于其水化产物在酸性介质中是不稳定的，故不能显示出水硬性能。因此，作为矿渣激发剂应该同时满足下述三个条件[41]：

（1）能在空气中具有较好的稳定性，不易吸潮或潮解。

（2）有利于稳定的水化产物的生成。

（3）有利于水化产物形成网状凝聚结构。(www.xing528.com)

Glukhowsky[42]教授对矿渣激发剂研究后发现，碱金属氢氧化物（ROH），碳酸盐、硫酸盐等类（R2CO3，M2SO4），碱土硅酸盐[R2O（0.5～2.5）SiO2]，碱土铝酸盐[M2OAl2O3（2～6）SiO2]等均可以实现对矿渣的激发而发挥其水硬性能。

Limenez[43]等利用Ca（OH）2、Na（OH）、Na2CO3、CaSO4·2 H2O 4种激发剂对矿渣进行激发，研究发现钠离子溶液可缩短诱发期，而钙离子溶液则延长诱发期。

Caijun Shi[44]和Tatiana Bakharev[45]等采用硅酸钠、氢氧化钠、碳酸钠、磷酸钠、组合激发剂等对矿渣进行激发，通过力学性能测试其激发效果，研究表明液体硅酸钠激发剂激发效果最好。

在我国，许多研究者对碱激发剂也进行了大量研究。李永德[46]通过单独使用不同碱溶液对矿渣粉体进行激发，重点对相同浓度的碱溶液以及将两者的组合溶液做了较详细的试验研究。结果表明，组合碱对矿渣粉体混合料的作用效果优于分别单独使用相同浓度的碱。

李立坤和唐修仁[47]采用不同碱度的系列钠盐作激发试验，其中激发剂包括Na（OH）、Na2SO4、Na2CO3、Na2SiO3·9H2O等。研究发现，硅酸盐类Na2SiO3·9H2O激发效果最佳。

吴其胜[48]通过调节水玻璃的模数和掺量，研究了水玻璃模数和掺量对碱矿渣胶凝材料性能的影响。结果表明当水玻璃的模数从0.4增加到1.2时，胶凝体的强度随水玻璃模数的增加而增加；当水玻璃的模数大于1.6时，胶凝体的强度随着水玻璃模数的增加而降低；另外当水玻璃的模数小于1.2时，胶凝体的凝结时间正常。当水玻璃模数为0.8～1.2，水玻璃掺量为6%～8%时，胶凝体强度最高且凝结时间正常。

唐美红和周萍等[49]采用水玻璃作激发剂，在激发矿渣活性、获得强度方面作了一些探索性研究。研究表明：水玻璃模数和掺量、试体养护条件以及龄期的不同，都会对强度产生影响；水玻璃模数较小（0.8）的净浆试样，水养条件下的各龄期强度大于非水养条件下的强度。高模数（2.0）的净浆试样，在水中养护条件下，强度非常低，非水养条件下，早期强度较低，但后期强度增长很快；水玻璃模数0.8和2.0，掺量均为10%的样品强度理想。

目前，对碱激发类胶凝材料激发剂的研究常常采用液体碱（最常用的为水玻璃）作碱性激发剂，其缺点在于：一方面，无法直接生产出碱激发类胶凝材料，使用起来十分不便；另一方面，凝结时间难以控制，缓凝问题有待研究。