摘要

为了研究矿渣成分和细度对其活性的影响，本文对六种不同种类的矿渣进行了化学成分分析和不同比表面积下活性指数的测定，并且对其水化产物进行微观结构分析。结果表明：细度和成分是影响矿渣活性的主要因素，矿渣细度变细，活性指数明显增大，并且矿渣的成分对活性的影响要低于细度对活性的影响；微观结构分析发现，矿渣颗粒表面被严重水化侵蚀，并且生成一些低C/S(Ca/Si)比的水硅酸钙凝胶和低C/A(Ca/Al)比的水化铝酸钙等物质。

高炉矿渣是生铁冶炼过程中从高炉排出的一种工业废渣，我国高炉矿渣的产量十分巨大，如果不经合理的处理，既会造成堆存所带来的环境污染，又会造成严重的资源浪费。近些年来，随着国家可持续发展战略的推行，如何解决矿渣问题越来越受到重视，有关矿渣的研究也随之越来越多，目前，矿渣主要应用在胶凝材料工业领域，世界各国对其也十分重视。经过大量的研究表明，高炉矿渣的化学成分与硅酸盐水泥熟料相似，经水淬急冷后的高炉矿渣以玻璃态非晶物质为主，结构处于高能状态而不稳定，具有很大的潜在胶凝活性，但是这种胶凝活性必须经过磨细后才可以借助化学活化的方法发挥出来。

目前，应用于生产矿渣硅酸盐水泥的矿渣的细度较低，一般情况下其比表面积都在300～350m2/kg左右，这使得矿渣的潜在胶凝活性不能够充分发挥出来。陆敬寒曾经在研究中指出，矿渣越细，越有利于提高和改善水泥的性能，我国也有一些研究人员指出，矿渣太细或太粗都将不利于矿渣潜在胶凝活性的发挥，矿渣只有在适当的粒度时其潜在胶凝活性才能得到最大程度的发挥。然而这些研究都有一定的局限性，对于矿渣细度和成分对胶凝性能的影响规律仍然不明确，为了进一步探明这些问题，本文做了一定的研究。

3.1 矿渣细度对活性指数的影响

3.1.1 WF矿渣细度对活性指数的影响

由图1可知，对于3d和7d的活性指数，当矿渣比表面积在400～520m2/kg之间时，随着矿渣比表面积的增大，活性指数基本保持不变，当大于520m2/kg时，随着细度的增加，活性指数有明显的提高，这主要是因为当矿渣比表面积大于520m2/kg时，由于矿渣在粉磨过程中强烈的机械冲击、剪切、磨削作用和颗粒之间相互的挤压、碰撞作用，在颗粒表面和内部产生微裂纹，从而使极性分子或离子更容易进入玻璃体结构的内部空穴，促进矿渣的分散和溶解，从而提高矿渣的水化反应速度，再加上微细粒物理填充效应的作用，进一步促进矿渣的活性指数随着比表面积的增大而迅速增大；当矿渣比表面积在400～520m2/kg之间时，矿渣的微细粒物理填充效应不明显，矿渣水化反应形成的一些微细孔道得不到填充，造成强度的降低，再加上细度增大对活性指数带来的有利影响，使得两者相互抵消，宏观上表现为在这个细度范围内，矿渣活性指数基本保持不变。

对于28d的活性指数，当矿渣比表面积在400～520m2/kg之间时，随着矿渣细度的增加，活性指数基本保持不变，在520～565m2/kg之间时，随着矿渣细度的增加，活性指数增加，当矿渣细度达到565m2/kg时，随着矿渣细度的增加其活性指数又基本保持不变，甚至稍微有点降低，这主要是由于当矿渣细度达到565m2/kg时，矿渣已经完全发生水化反应，再增加细度，只能提高早期的水化反应速度，对后期强度不会有影响；稍微有点降低这主要是由于细度越细，早期反应越激烈，形成的孔道越多，微细粒不足以完全填充这些孔道，从而使得后期活性指数稍微降低。

3.1.2 RZ矿渣细度对活性指数的影响

图1 WF矿渣活性指数与比表面积的关系

图2 RZ矿渣活性指数与比表面积的关系

由图2可知，对于RZ矿渣3d和7d的活性指数，随着细度的增加，活性指数明显提高；对于28d的活性指数，当矿渣比表面积小于495m2/kg时，随矿渣细度的增加，活性指数增加，大于495m2/kg时，随着矿渣细度的增加，活性指数基本保持不变。

3.1.3 LX矿渣细度对活性指数的影响

图3 LX矿渣活性指数与比表面积的关系

图4 不同矿渣活性指数的对比

由图3可知，LX矿渣3d和7d的活性指数随着矿渣细度的增加而明显提高；在矿渣比表面积小于685m²/kg时，28d的活性指数随着矿渣细度的增加而增加，当矿渣细度达到685m²/kg时，随着矿渣细度的增加其活性指数基本保持不变。

3.2 矿渣成分对活性指数的影响

实验用的六种矿渣的化学成分分析如表1所示，在比表面积同为410m2/kg条件下不同矿渣活性指数的对比如图4所示。

表1 矿渣化学成分分析

由表1可知，这六种矿渣主要由SiO2、CaO、Al2O3、MgO组成，其含量占93%以上，从成分上看，它们对矿渣的活性起着决定性的作用。这六种矿渣Ca0的含量均在31%～40%之间，其中RZ矿渣最低为31.54%，BX矿渣最高为40%；Si02的含量均在32%～37%之间，其中WF矿渣最低32.05%，RZ矿渣最高36.95%；Al203的含量均在12%～19%之间，其中BX矿渣最低为12.82%，WF矿渣最高为18.31%；Mg0的含量均在8～11%之间，其中LW矿渣最低为8.25%，WF矿渣最高为10.78%。由图4可知：

（1）这六种矿渣的化学成分虽然有一定的差别，但是在细度相同的条件下，矿渣成分对活性指数的影响并不是特别显著，其影响程度要低于细度对活性指数的影响；

（2）3d不同矿渣活性指数的变化规律与7d和28d有较大不同，这表明矿渣成分在不同养护龄期对矿渣活性的影响规律是不一致的；

（3）对比3d不同矿渣的活性指数发现，WF矿渣的活性指数最高，并且WF矿渣含Al203和MgO最高，这表明Al203和MgO的含量对矿渣的早期活性有较大的影响，其含量越高，矿渣的活性越高；RZ矿渣含SiO2最多，但是其3d活性要明显低于其它几种矿渣，这表明Si02含量越多对矿渣早期活性越不利；

（4）对比7d和28d不同矿渣的活性指数发现，BX矿渣的活性指数最高，且BX矿渣具有最高的CaO含量，这表明CaO对矿渣中后期的活性起主导作用，并且其含量越高对矿渣活性越有利。

综上所述，Al203和MgO对矿渣的早期活性有较大的影响，其含量越高对矿渣活性越有利；SiO2含量越多对矿渣的早期活性越不利；CaO是矿渣活性的主要来源，对矿渣中后期的活性起主导作用。

3.3 矿渣水化产物的微观结构分析

为了研究矿渣颗粒在水化反应过程中形貌的变化情况以及新生成水化产物的形貌，对不同龄期的水化产物做了SEM分析，测试分析结果如图5所示。

图5 不同龄期矿渣水化产物的SEM图谱（x1000)

结果表明，当胶凝材料水化1d时，胶结体就像是由许多大小不一的颗粒简单堆积而成的，看不出有明显的水化产物生成，绝大多数的矿渣颗粒仍然保持原来的形貌，呈“碎石”状，但是矿渣颗粒表面的棱角已经消失，开始被侵蚀，特别是一些小颗粒，这表明矿渣颗粒已经处于水化反应的初期，矿渣颗粒在溶液中逐步开始分解、水化，整体来看要比简单的颗粒堆积要更密实一些，宏观上展现为在此时胶凝材料具有一定的抗压强度，但是强度值很低。

随着养护龄期的延长，胶凝材料水化反应不断进行，当养护至3d时，颗粒之间的界限就变得很模糊，颗粒间无定形的凝胶状物质增多，这些凝胶状的物质将较小的矿渣颗粒和水泥颗粒粘结成团状，充斥在大颗粒之间，增加了胶结体的密实度，从而降低胶结体的孔隙率，而大颗粒的边缘则被侵蚀的越来越严重，有的部分被无定形的凝胶状物质跟其它的颗粒粘结在一起，使整个胶结体具有网状结构，在宏观上表现为抗压强度较1天时明显增大。随着水化反应的进一步进行，当养护至7d时，胶结体已经由原来的颗粒状被水化生成的无定形的凝胶状水化产物粘结成了“片”状，在胶结体内部趋向于形成一个均一的整体，颗粒与颗粒之间的缝隙已经变为片与片之间的缝隙，绝大多数颗粒之间已经没有了界限。多数团状的小颗粒不断的团聚、融合，而粒度在10μm以上的大颗粒仅边缘部分发生了溶解水化反应，中间部分仍然保持原来的未水化状态，这些大颗粒四周充满了反应生成的水化产物，使大颗粒边缘完全模糊，与凝胶状水化产物混为一体，在宏观上表现为在此时的抗压强度已经达到一个相当高的水平。当养护龄期到28d时，胶结体的内部基本形成一个均一的整体，而在前期所出现的一些“陨坑”在此时也均被水化产物填平，胶结体的密实度进一步提高，抗压强度也得到相应的提高。

为了进一步研究矿渣水化后水化产物的种类，对其28d水化产物进行了EDS分析，其分析测试结果如表2和图6所示。

图6 28d水化产物EDS谱

表2 28d水化产物EDS谱图分析结果

由EDS分析结果和SEM图谱可知，矿渣水化后以凝胶类水化产物为主，这些凝胶类水化产物的Ca/Si(C/S)为0.98，Ca/Al(C/A)为2.14，属于低钙类的凝胶水化产物，其主要凝胶物质为含有MgO的低C/S比的CSH凝胶和低C/A比的C3AH凝胶。