摘要：本文總結了礦物摻合料在混凝土材料中的作用，指出了活性效應的地位及其對其它效應的影響。分析激發(fā)膠凝材料活性的方法及其作用方式，從對混凝土材料性能的影響出發(fā)，提出激發(fā)膠凝材料活性時(shí)應注意的問(wèn)題。在此基礎上提出目前在化學(xué)活化膠凝材料領(lǐng)域的一個(gè)研究方向，實(shí)現這一目標所面臨的困難，以及解決這一問(wèn)題的一些思路。

　　關(guān)鍵詞：膠凝材料；活化；作用；思路

　　1、引言

　　在混凝土材料中，膠凝材料是不可缺少的一個(gè)重要的組成部分。膠凝材料通過(guò)水化等反應，將砂、石等材料膠結在一起，形成具有較好力學(xué)性能和耐久性能的混凝土材料。袁潤章等在分析水泥礦物的膠凝性時(shí)曾指出[1]，水泥礦物具有膠凝能力的本質(zhì)與條件可以歸結為三點(diǎn)：

　�。�1）水泥熟料礦物的活性決定于其結構的不穩定性，這種結構不穩定性的原因或者是由于它是介穩的高溫型結構，或者是由于在礦物中形成了有限的固熔體，或者是由于微量元素的摻雜使晶格排列的規律性受到某種程度的影響，或者是這些原因兼而有之；

　�。�2）在晶體結構中存在著(zhù)活性陽(yáng)離子。結構中活性陽(yáng)離子存在的原因或者是由于不規則的配位和配位數降低，或者是由于結構的變形，或者是由于它們在結構中電場(chǎng)分布的不均勻性，或者是這些原因兼而有之；

　�。�3）膠凝材料硬化的決定性條件是能否形成足夠數量的穩定的水化物，以及這些水化物能否彼此連生并形成網(wǎng)狀結構。然而，除了水泥以外，一些工業(yè)廢渣，如礦渣、粉煤灰、硅灰等也是在高溫下形成的，甚至在一些天然礦物（如沸石等）中，也具有這些不穩定的結構特征。這些潛在能量的存在表明，這些礦物和工業(yè)廢渣具有潛在的活性，這些材料也可以通過(guò)一些反應將砂、石等材料膠結在一起，形成具有較好性能的混凝土材料。因此，它們也可以作為一種膠凝材料，或者與其它組分結合，構成新的膠凝材料體系。目前，這些礦物摻合料已經(jīng)成為混凝土材料中的一個(gè)重要組分，而且是膠凝材料的一個(gè)重要的組成部分。但是，由于組成和形成過(guò)程的差異，這些材料的活性遠不及水泥熟料礦物。

　　從化學(xué)動(dòng)力學(xué)角度看，礦物摻合料的反應速度較慢，尤其在冬季及北方地區，由于氣溫低，當在混凝土中摻入礦物摻合料時(shí)，因其活性發(fā)揮較慢，使得早期強度降低，凝結時(shí)間延長(cháng)，脫模時(shí)間延長(cháng)，影響施工進(jìn)度，不能滿(mǎn)足實(shí)際工程的需要。正是由于這一原因，使得礦物摻合料在混凝土中的應用受到很大的限制。近幾十年來(lái)，一些研究者們開(kāi)展了大量的工作，以尋求提高礦物摻合料活性的方法，但在怎樣把這些礦物摻合料的潛能全部發(fā)揮出來(lái)，使之由被動(dòng)的填充材料愈來(lái)愈多地轉向質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的寶貴資源方面還有待進(jìn)一步創(chuàng )新。

　　本文從礦物摻合料在混凝土中的作用入手，分析礦物摻合料的活性效應與其它效應的關(guān)系和激發(fā)礦物摻合料活性的方式方法，提出選擇激發(fā)方法時(shí)應注意的問(wèn)題，以及對激發(fā)礦物摻合料活性方法的一些新構思，試圖通過(guò)多學(xué)科相互借鑒與交叉的思維方式，尋找充分活化礦物摻合料新的突破點(diǎn)。

　　2、在混凝土材料中礦物摻合料的作用及對其性能的影響

　　沈旦申在研究粉煤灰在混凝土中的作用時(shí)提出了粉煤灰效應假說(shuō)[2]，把粉煤灰對混凝土可能發(fā)生的效應歸結為“形態(tài)效應”、“活性效應”和“微集料效應”三項基本效應。

　　所謂形態(tài)效應，泛指各種應用于混凝土中的礦物質(zhì)粉料，由其顆粒的外觀(guān)形貌、內部結構、表面性質(zhì)、顆粒級配等物理性狀所產(chǎn)生的效應。

　　所謂活性效應，是指混凝土中礦物摻合料的活性成分所產(chǎn)生的化學(xué)效應。

　　所謂微集料效應，是指礦物摻合料微細顆粒均勻分布于水泥漿體的基相中，就象微細集料一樣，改善混凝土的結構和性能。

　　實(shí)際上，上述三種基本效應是所有礦物摻合料在混凝土中的作用形式，不僅粉煤灰如此，其它礦物摻合料也是如此，差別僅僅是作用程度的不同�；钚孕�應是礦物摻合料在混凝土中作用的一個(gè)重要組成部分。礦物摻合料之所以得到普遍的應用，就是因為它具有一定的反應能力，形成類(lèi)似于水泥熟料水化產(chǎn)物的反應產(chǎn)物，這些反應產(chǎn)物的形成，使混凝土材料的結構得到改善。勿容置疑，活性效應是礦物摻合料對混凝土材料性能貢獻的一個(gè)重要方面�；钚孕�應是微集料效應發(fā)揮的基本保證。礦物摻合料的微集料效應來(lái)自于三個(gè)方面：一是這些礦物微粉顆粒本身具有較高的強度；二是這些礦物微粉顆粒與水化產(chǎn)物之間具有較好的粘結性能；三是這些礦物微粉顆粒在水泥漿體中分散狀態(tài)良好，有助于新拌混凝土和硬化混凝土均勻性的改善，也有助于混凝土中孔隙的填充與“細化”。其中礦物微粉顆粒與水化產(chǎn)物之間具有較好的粘結性能是其它兩者的基礎。只有當微集料顆粒與水化產(chǎn)物緊密結合時(shí)它較高的自身強度才能發(fā)揮作用，使孔細化的效果才能得以體現。只有在這一前提下，它的優(yōu)越的性能才能得到利用和發(fā)揮。微集料顆粒的界面反應是提高其界面性能的一個(gè)重要途徑。因此，礦物質(zhì)粉料活性效應的發(fā)揮是微集料效應發(fā)揮的前提和保證�；钚孕�應是形態(tài)效應作用效果的延續。礦物摻合料的形態(tài)效應僅僅決定了混凝土材料的初始結構，隨著(zhù)礦物摻合料各種反應的進(jìn)行，可以使混凝土材料的結構得到進(jìn)一步的改善，而這些反應的程度和速度則取決于它的活性效應。從對混凝土材料性能的影響上看，活性效應是形態(tài)效應的延續和發(fā)展，它使混凝土性能得到進(jìn)一步的改善。由此可見(jiàn)，充分挖掘礦物摻合料的活性潛力有著(zhù)特別重要的意義。同時(shí)，也應該看到，礦物摻合料在混凝土中的作用是由三個(gè)效應組成的，在挖掘它的活性效應潛力的同時(shí)也應該注意兼顧它的其它效應。

　　3、激發(fā)水泥基膠凝材料的方式

　　在摻有礦物摻合料水泥基材料的水化反應過(guò)程中存在著(zhù)兩類(lèi)反應：一是水化反應，主要是指水泥熟料礦物的水化反應。由于礦渣中也存在著(zhù)一些水泥熟料礦物，它們也可以直接與水反應，這一反應也屬于水化反應；二是火山灰反應。作者在研究粉煤灰水泥水化動(dòng)力學(xué)時(shí)發(fā)現[3]，這兩類(lèi)反應并非是孤立進(jìn)行的，而是相互影響、相互促進(jìn)。因此，激發(fā)水泥基膠凝材料的方式也可以分成兩類(lèi)：一是促進(jìn)水化反應；二是促進(jìn)火山灰反應。促進(jìn)水化反應方式的作用對象是水泥熟料礦物，通過(guò)適當的措施，促進(jìn)熟料礦物的水化。盡管這一類(lèi)措施不直接作用于火山灰反應，但由于水化反應與火山灰反應的相互影響，也會(huì )間接地加速火山灰反應過(guò)程。促進(jìn)火山灰反應方式的作用對象是火山灰質(zhì)礦物。同樣，盡管這一類(lèi)措施不直接作用于水化反應，也可以通過(guò)這兩類(lèi)反應間的相互作用來(lái)加速水化反應。盡管這兩類(lèi)激發(fā)方式對兩類(lèi)反應都會(huì )產(chǎn)生影響，但它們的作用點(diǎn)、對兩類(lèi)反應的作用程度都是不同的。從對水泥基膠凝材料性能的影響來(lái)看，激發(fā)水化反應的措施對水泥基膠凝材料性能的影響在早期較顯著(zhù)，而激發(fā)火山灰反應的措施對水泥基膠凝材料性能的影響則在后期比在早期更顯著(zhù)。

　　不同的礦物摻合料由于組成的差異，它們的反應方式也不完全相同，因此，也應采取不同類(lèi)型的激發(fā)措施。對于礦渣，由于存在著(zhù)相當數量的水泥熟料礦物，這些礦物必將發(fā)生水化反應過(guò)程。因此，應著(zhù)重采取激發(fā)水化反應的措施。對于一些火山灰質(zhì)材料，如低鈣粉煤灰、硅灰等，則是以火山灰反應為主，特別是當火山灰材料摻量較大時(shí)，更應該注重激發(fā)火山灰反應活性。當火山灰材料摻量較小時(shí)，可以考慮采用激發(fā)水化反應的措施，以加速水化反應來(lái)帶動(dòng)火山灰反應，這對改善水泥基材料的早期性能有一定的作用。

　　4、激發(fā)膠凝材料的方法

　　為了激發(fā)膠凝材料的活性，研究者們開(kāi)展了大量的研究工作，開(kāi)辟了各種激發(fā)途徑，這些方法大體可分為三類(lèi)。

　�。�1）機械活化

　　機械活化是一種物理激發(fā)方法，通過(guò)機械力的作用，將膠凝材料磨細，增加新的活性表面，加速反應過(guò)程。機械活化的作用方式取決于機械力的作用對象。如果粉磨對象是火山灰質(zhì)材料，其作用方式則是激發(fā)火山灰反應。同樣，也可以通過(guò)粉磨具有水泥熟料礦物的微粒來(lái)激發(fā)水化反應。值得注意的是機械作用可能改變顆粒的形貌，因此，可能影響其形態(tài)效應。采取這一方法時(shí)應綜合考慮對活性效應和形態(tài)效應的影響，平衡其得失。

　�。�2）化學(xué)活化

　　所謂化學(xué)活化，是通過(guò)一些有機或無(wú)機的化學(xué)激發(fā)劑來(lái)激發(fā)其活性�；瘜W(xué)激發(fā)劑大體有以下幾類(lèi)：

　　堿性激發(fā)劑

　　常用的堿性激發(fā)劑有氫氧化鈣、氫氧化鈉等。這類(lèi)激發(fā)劑由于它比水分子較易進(jìn)入礦渣、粉煤灰等礦物摻合料網(wǎng)狀結構的內部孔穴，并能與活性陰離子比較激烈地互相作用，因而促進(jìn)結構的解體和溶解。另外，溶液中Ca₂+離子濃度增加，又促進(jìn)了Ca（OH）₂與礦物摻合料中活性SiO₂和活性Al₂O₃化合，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等水化物。一般來(lái)說(shuō)，堿金屬離子比堿土金屬離子更容易進(jìn)入膠凝材料結構的內部，因此，具有更強的激發(fā)作用。但堿金屬離子的存在有可能導致堿集料反應。

　　硫酸鹽類(lèi)激發(fā)劑

　　常用的硫酸鹽激發(fā)劑有石膏、硫酸鈉等。只有在一定的堿性環(huán)境中，再加入一定的石膏，礦渣活性才能充分發(fā)揮出來(lái)。但在生產(chǎn)過(guò)程中同時(shí)加入兩種外加劑，難度較大，生產(chǎn)不好控制，計量也難以精確。此外，加入硫酸鈉等一些含堿金屬離子的硫酸鹽激發(fā)劑也會(huì )對混凝土的耐久性帶來(lái)不利的影響。

　　常用的硅酸鹽類(lèi)激發(fā)劑有水玻璃或固體硅酸鈉。一些研究表明，這一類(lèi)激發(fā)劑對礦渣有較好的激發(fā)效果，但對一些火山灰質(zhì)材料激發(fā)效果較差。

　　碳酸鹽類(lèi)激發(fā)劑

　　碳酸鹽激發(fā)劑常用碳酸鈉，這種激發(fā)劑通常用于激發(fā)礦渣的活性，對于火山灰質(zhì)材料的激發(fā)效果并不明顯。

　　其它類(lèi)型激發(fā)劑

　　除上述四類(lèi)激發(fā)劑外，也有采用明礬石（主要成分為K₂SO₄.Al₂（SO₄）₃.4Al（OH）₃）、亞硝酸鹽和一些鋁酸鹽作為激發(fā)劑，但其激發(fā)效果并不理想。