鋼渣是冶煉鋼鐵時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)品，約占粗鋼產(chǎn)量的15%~20%，是在冶煉過程中由于石灰、螢石等造渣材料的加入，爐襯的浸蝕以及鐵水中硅、鐵等物質(zhì)氧化而成的復(fù)合固溶體。我國(guó)鋼渣累積堆積已經(jīng)超過10 億t，但鋼渣的綜合利用率約為22%，遠(yuǎn)低于歐美等西方發(fā)達(dá)國(guó)家。國(guó)外對(duì)鋼渣開展研究時(shí)間雖然早，但主要是將鋼渣作為道路材料等低附加值的使用，在水泥混凝土中的利用率較低；國(guó)內(nèi)很早就將鋼渣作為鐵質(zhì)校正原料在水泥生料配料中進(jìn)行使用，以及利用鋼渣生產(chǎn)鋼渣水泥，在混凝土中可替代部分石子作為骨料使用，經(jīng)過加工磨細(xì)后的可作為礦物摻合料進(jìn)行利用，尚建麗等人研究表明，鋼渣與礦渣、硅灰復(fù)合之后，在鋼渣摻量高達(dá)60%，仍可穩(wěn)定生產(chǎn)C30 混凝土。鋼渣的大量堆積存在諸多問題，如占用著大量的耕地；鋼渣中含有一定量的鐵，造成鐵資源的浪費(fèi)；鋼渣中含有一些重金屬元素，不進(jìn)行處理直接進(jìn)行堆積會(huì)造成地下水的污染；鋼渣影響著鋼鐵行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。將如果能將鋼渣應(yīng)用于水泥混凝土行業(yè)中，對(duì)提高鋼渣資源利用率有很大的幫助。

膠凝活性差是鋼渣利用率較低的主要原因。研究表明，鋼渣中具有和水泥熟料相似的礦物組分C3S、C2S，是一種具有潛在活性的礦物摻和料。但是由于礦物的結(jié)晶致密、晶粒較大，使得膠凝活性礦物水化速度較緩慢，進(jìn)而降低了早期強(qiáng)度。選擇合適的激發(fā)劑對(duì)鋼渣進(jìn)行活化處理，激發(fā)鋼渣潛在活性，對(duì)于鋼渣在水泥混凝土行業(yè)中的廣泛使用具有重要意義。

目前鋼渣活性手段主要有機(jī)械激發(fā)、化學(xué)激發(fā)、熱力激發(fā)等手段?；瘜W(xué)激發(fā)目前研究取得一定的成果，主要的激發(fā)劑有酸激發(fā)劑、堿激發(fā)劑、硫酸鹽激發(fā)劑，如水玻璃、NaOH、硫酸、醋酸、石膏、Na2SO4等。但由于利用化學(xué)試劑成本過高，而且與水泥混凝土協(xié)調(diào)性差，一旦加入量過多會(huì)對(duì)混凝土造成致命的傷害。赤泥中含有大量的堿，電解錳渣中含有大量的硫酸鹽，將二者復(fù)合對(duì)鋼渣進(jìn)行活性激發(fā)，不僅原料價(jià)格低廉易得，而且三者的協(xié)調(diào)性非常好，對(duì)提高電解錳渣、赤泥資源利用率有一定的幫助。

本研究擬采用赤泥與電解錳渣復(fù)合激發(fā)鋼渣活性，將堿激發(fā)與硫酸鹽激發(fā)同時(shí)進(jìn)行，最大程度激發(fā)鋼渣活性。赤泥在鋼渣水化時(shí)提供堿性環(huán)境，促進(jìn)鋼渣的水化；電解錳渣在鋼渣水化過程中可溶解出SO42-，可以加快鋼渣水化速率，促進(jìn)水化產(chǎn)物中AFt 的形成。結(jié)合相應(yīng)試樣的XRD、SEM水化產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果，探索復(fù)合激發(fā)劑的活性激發(fā)機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

廣西柳鋼集團(tuán)生產(chǎn)的熱燜鋼渣，密度3.57 g/cm3，比表面積（535±5）m2/kg，主要化學(xué)成分如表1 所示。

水泥：柳州魚峰P·I 42.5 級(jí)水泥，密度3.18 g/cm3，比表面積（350±5）m2/kg，純水泥7、28 d 抗壓強(qiáng)度分別為39.1、46.1 MPa，其化學(xué)成分如表1 所示。

廣西平果鋁業(yè)公司赤泥拜耳法赤泥密度為3.0 g/cm3，比表面積為（360±5）m2/kg，化學(xué)成分如表1 所示。

電解錳渣密度為2.61 g/cm3，比表面積為（380±5）m2/kg，化學(xué)成分如表1 所示。

1.2 試驗(yàn)方案

利用小型試驗(yàn)球磨機(jī)將烘干的原料粉磨至相應(yīng)細(xì)度，按表2 配合比稱量原料，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17671—1999成型水泥膠砂試件，膠砂流動(dòng)度參照國(guó)標(biāo)GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》進(jìn)行測(cè)定，試件在溫度22 ℃、濕度90%的濕氣養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h 后脫模，放入溫度（20±2）℃的養(yǎng)護(hù)池內(nèi)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)按GB 177—1992 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。凈漿試塊按照試驗(yàn)配合比準(zhǔn)確稱量混合料共60 g，成型后在溫度22 ℃、濕度90%的濕氣養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h 后脫模，放入溫度（20±2）℃的養(yǎng)護(hù)池內(nèi)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期取出，烘干后利用振動(dòng)磨進(jìn)行粉磨，過200 目方孔篩再進(jìn)行XRD 射線衍射分析。SEM 微觀形貌分析則采用壓碎的膠砂試塊進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同比例復(fù)合激發(fā)劑對(duì)鋼渣試樣強(qiáng)度的影響

利用赤泥、電解錳渣復(fù)合激發(fā)鋼渣活性，以水泥、鋼渣、赤泥、電解錳渣、標(biāo)準(zhǔn)砂為主要原料制備不同配合比的膠砂試樣，試樣性能測(cè)試結(jié)果如表3 所示。

從表2 可以看出，與未加入激發(fā)劑的A 組相比，加入復(fù)合激發(fā)劑后鋼渣試樣的強(qiáng)度均有所提高，而早期強(qiáng)度提高較快，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)速度較慢。其中，當(dāng)赤泥與電解錳渣比例為1∶2時(shí)，試樣F 早期強(qiáng)度增加最明顯，7 d 抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到31.9 MPa，當(dāng)赤泥與電解錳渣比例為3∶2、3∶1 時(shí)，試樣G、H 的強(qiáng)度也有明顯提高，而當(dāng)赤泥與電解錳渣的比例為2∶3、1∶1 時(shí)，試樣B、D 強(qiáng)度沒有得到提高。整體而言，赤泥與電解錳渣復(fù)合激發(fā)鋼渣的活性，對(duì)鋼渣的早期強(qiáng)度影響較大，而后期強(qiáng)度的增長(zhǎng)不明顯。

2.2 不同比例復(fù)合激發(fā)劑對(duì)鋼渣試樣水化礦物相的影響

采用不同質(zhì)量配合比激發(fā)劑制備的鋼渣凈漿試樣養(yǎng)護(hù)28 d 后，對(duì)其水化產(chǎn)物進(jìn)行XRD 分析，如圖1 所示。

從圖1 中可以看出，未加入復(fù)合激發(fā)劑的試樣A 的水化產(chǎn)物主要有C-S-H 凝膠、AFt 和Ca（OH）2，同時(shí)還有未水化的C2S，鋼渣水化程度低，加入激發(fā)劑后，水化產(chǎn)物的種類基本沒有變化，但礦物相變化較大。Ca（OH）2的衍射峰變?nèi)?，C-S-H 凝膠衍射峰變強(qiáng)。其中試樣F 中C-S-H 和AFt 的衍射峰較高，而Ca（OH）2的衍射峰明顯降低，說明該配合比下，赤泥、電解錳渣可加快鋼渣的水化速率，促進(jìn)Ca2+的吸收，使Ca（OH）2含量減少。試樣B、D 中Ca（OH）2衍射峰較強(qiáng)，而C-S-H 衍射峰較低，說明鋼渣的水化速率低，水化產(chǎn)物少，密實(shí)度較低。不同比例激發(fā)劑制備的鋼渣試樣水化28 d 的XRD 結(jié)果與28 d 抗折抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

2.3 不同比例激發(fā)劑對(duì)鋼渣試樣微觀結(jié)構(gòu)的影響

不同比例激發(fā)劑制備的鋼渣試樣水化28 d 的SEM照片如圖2 所示。

對(duì)圖2 中個(gè)點(diǎn)進(jìn)行能譜分析可知圖B、C、D、H 中的a是薄片狀礦物的Ca（OH）2晶體，圖2 各照片中b 為珊瑚狀、花絮狀、許多粒子構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)狀的C-S-H，圖2 各照片中c 是棒狀的鈣礬石晶體，圖2 各照片中不規(guī)則花瓣形狀的礦物d 是單硫型水化鋁酸鈣。對(duì)比各組試樣的微觀結(jié)構(gòu)照片發(fā)現(xiàn)，試樣A 在28 d 水化后C-S-H 較少，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不密實(shí)，強(qiáng)度降低；而加入激發(fā)劑的其他試樣在28 d 水化后，AFt 晶體、C-S-H 凝膠較多，Ca（OH）2晶體減少，這與28 d抗折抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

赤泥屬于堿性廢渣，可以為鋼渣的水化提供堿性環(huán)境，鋼渣經(jīng)過破碎和粉磨之后存在斷鍵，在赤泥提供的堿性環(huán)境中會(huì)發(fā)生形成鍵Si-O 和Al-O 鍵的不斷破壞，玻璃體解體，釋放出Ca2+與硅（鋁）氧四面體，不斷生成C-S-H 凝膠，并反應(yīng)生成AFt 晶體，從而提高了鋼渣的活性。電解錳渣中含有較多的硫酸鹽，可以加快鋼渣在水化過程中鈣礬石的生成速率，從而可以提高鋼渣在水中的水化，對(duì)于鋼渣試樣早期強(qiáng)度的提高比較有利。將赤泥與電解錳渣復(fù)合激發(fā)鋼渣活性，一方面赤泥可以為鋼渣的水化提供堿性環(huán)境，另一方面，電解錳渣促進(jìn)鋼渣水化過程中鈣礬石的形成。在赤泥、電解錳渣較多的B、D 中，由于赤泥、電解錳渣膠凝活性較低，而少量的鋼渣不能在赤泥提供的堿性環(huán)境中釋放出大量的Ca2+與硅（鋁）氧四面體，因此生成的C-S-H 凝膠以及AFt 晶體也不多；造成鋼渣試樣的密實(shí)度較低，因此強(qiáng)度難以提高。

3 結(jié)論

（1）加入激發(fā)劑后，鋼渣早期強(qiáng)度得到不同程度的提高，而后期強(qiáng)度大部分得到提高。在微觀表征方面，從XRD中可以看出水化產(chǎn)物中Ca（OH）2的衍射峰變?nèi)?，而C-S-H凝膠、AFt 衍射峰變強(qiáng)；從SEM中可以看出，加入激發(fā)劑后，鋼渣試樣水化產(chǎn)物中片狀的Ca（OH）2減少了，而絮凝狀的C-S-H 凝膠以及棒狀的AFt 晶體數(shù)量明顯較多，說明加入激發(fā)劑能夠激發(fā)鋼渣的活性，加快鋼渣的水化速率。

（2）當(dāng)鋼渣、赤泥、電解錳渣三者的質(zhì)量配合比為3∶1∶2時(shí)，鋼渣7 d 的活性指數(shù)從46%提高到82%， 28 d 的活性指數(shù)從61%提高到82%，激發(fā)效果最好。

（3）當(dāng)引入復(fù)合激發(fā)劑時(shí)，對(duì)鋼渣潛在的活性有一定的激發(fā)作用，加快了鋼渣的水化速率，同時(shí)水化產(chǎn)物中Ca（OH）2數(shù)量明顯減少，C-S-H 凝膠、AFt 晶體的數(shù)量增加明顯，使鋼渣膠凝材料結(jié)構(gòu)密實(shí)性更好，因而抗折抗壓強(qiáng)度明顯提高。