柳钢矿渣和粉煤灰胶凝材料水化机理研究成果

通过本章前面几节的研究和讨论，我们对矿渣胶凝材料的水化过程和水化机理进行初步探讨。

矿渣的潜在水硬活性与其玻璃体的含量及玻璃体的结构有关。矿渣玻璃体在微观上的分相为富钙相和富硅相，富硅相以颗粒状分散与富钙相中间。即富钙相包裹和连接着富硅相，使矿渣玻璃体成为一个较为致密的整体。

矿渣在中性环境中，只能使其表面发生轻微的化学反应，使其中的很少一部分物质溶解和水化形成C-S-H凝胶。这是因为水分子的作用比较弱，不足以克服富钙相的水解活化能，故不能再进一步水化[92]。

但是在碱性环境中，由于OH-离子的强烈作用能够克服富钙相的水解活化能而激发矿渣的潜在活性，则会发生水化反应。矿渣玻璃质在受到碱的作用时，涉及Si-O-Si、Al-O-Al、Si-O-Al等多种键的性质[93]。

首先，矿渣玻璃质表面的Ca2+、Mg2+在OH-离子的作用下生成Ca（OH）2和Mg（OH）2，使玻璃质表面破坏，促使矿渣的进一步水化；其次，玻璃质内部连续的富钙相为OH-离子提供由已被破坏的表面结构进入玻璃质内部的必要通道，从而发生如下反应：导致富钙相的水化和解体，进而导致矿渣玻璃质的解体；最后，暴露于碱性环境中的富硅相与碱性介质再进一步发生反应。

在Si-O-Si氧桥结构中，Si4+可以把O拉向它的周围，从而使Si-O键断裂，其作用过程如下：Al-O-Al键也有同样的作用。Al3+有两种状态：一种是X型（形成四面体），另一种是Y型（形成八面体）。X型的4个氧结合键均与Al相连，当受OH-的侵蚀时将转变成Y型，后者受水的作用，同时使OH-再生，而且Y型Al3+与水反应是加速的，OH-是控制反应的因素。

酸性矿渣受OH-和水作用时，发生一致溶解反应，从饱和溶液中沉淀出絮状结构的水化物，并随时间增长而增多；碱性矿渣受OH-作用时为不一致溶解，同时生成阳离子较少的水化产物凝胶（与未水化矿渣比）。矿渣经OH-作用，是阴离子解聚—聚合的过程，总的是单体量减少，高聚物的量增多，双聚物及其他低聚物则有从单体聚合、多聚体解聚生成以及自身又解聚的两重反应，因此含量变化比较缓慢。

按照分相的观点，矿渣可以分为富钙相和富硅相[94-95]。在碱性条件下，矿渣解体，发生如下反应：(www.xing528.com)

结构中的Al2O3将会最终解离成和Al（OH）2+。在碱性条件下，与体系中的Ca（OH）2反应生成水化铝酸钙凝胶：

在CaO浓度较低的情况下，生成的水化铝酸钙以C3AH6的形式存在，与溶液中的石膏反应生成钙矾石。

在本次试验激发剂体系中，Na2SO4是溶解度最大的原料，其次是CaO+H2O→Ca（OH）2，具有较高的溶解度，因此可以认为化学反应

是引起胶凝材料具有较高早期强度的主要诱因。一方面反应所生成的NaOH会使空隙溶液的p H值大幅度升高，加速矿渣中硅（铝）氧四面体的解聚和C-S-H凝胶的形成；另一方面，新生成的CaSO4·2H2O粒度极细，活性很高，要比原料中加入的二水石膏具有更强的早期活性。这种高活性的CaSO4·2H2O能够加速钙矾石的形成：

由于硫酸盐的加入，促使反应向形成钙矾石的方向进行，降低了Ca2+和Al3+等离子浓度，使矿渣中含CaO和Al2O3成分与液相中Ca2+和Al3+等离子的浓度平衡破坏，从而加快了矿渣粉中含CaO和Al2O3成分的溶出，即激发了矿渣粉的水化活性。

在碱性条件下，矿渣发生解聚和再聚合，其中Al3+的溶出、迁移和再结合起着重要作用，类沸石网络聚合体和复盐的形成是Na+的稳定化及强度增长的重要基础。