摘要：本文總結(jié)了礦物摻合料在混凝土材料中的作用，指出了活性效應(yīng)的地位及其對其它效應(yīng)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)膠凝材料活性時應(yīng)注意的問題。在此基礎(chǔ)上提出目前在化學(xué)活化膠凝材料領(lǐng)域的一個研究方向，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)所面臨的困難，以及解決這一問題的一些思路。

　　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重要的組成部分。膠凝材料通過水化等反應(yīng)，將砂、石等材料膠結(jié)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(jié)為三點(diǎn)：

　　（1）水泥熟料礦物的活性決定于其結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，這種結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性的原因或者是由于它是介穩(wěn)的高溫型結(jié)構(gòu)，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(guī)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(jié)構(gòu)中存在著活性陽離子。結(jié)構(gòu)中活性陽離子存在的原因或者是由于不規(guī)則的配位和配位數(shù)降低，或者是由于結(jié)構(gòu)的變形，或者是由于它們在結(jié)構(gòu)中電場分布的不均勻性，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(shù)量的穩(wěn)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(jié)構(gòu)。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(wěn)定的結(jié)構(gòu)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一些反應(yīng)將砂、石等材料膠結(jié)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(jié)合，構(gòu)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重要組分，而且是膠凝材料的一個重要的組成部分。但是，由于組成和形成過程的差異，這些材料的活性遠(yuǎn)不及水泥熟料礦物。

　　從化學(xué)動力學(xué)角度看，礦物摻合料的反應(yīng)速度較慢，尤其在冬季及北方地區(qū)，由于氣溫低，當(dāng)在混凝土中摻入礦物摻合料時，因其活性發(fā)揮較慢，使得早期強(qiáng)度降低，凝結(jié)時間延長，脫模時間延長，影響施工進(jìn)度，不能滿足實(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(yīng)用受到很大的限制。近幾十年來，一些研究者們開展了大量的工作，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，使之由被動的填充材料愈來愈多地轉(zhuǎn)向質(zhì)優(yōu)價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(yīng)與其它效應(yīng)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)方法時應(yīng)注意的問題，以及對激發(fā)礦物摻合料活性方法的一些新構(gòu)思，試圖通過多學(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提出了粉煤灰效應(yīng)假說[2]，把粉煤灰對混凝土可能發(fā)生的效應(yīng)歸結(jié)為“形態(tài)效應(yīng)”、“活性效應(yīng)”和“微集料效應(yīng)”三項基本效應(yīng)。

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

　　所謂活性效應(yīng)，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(yīng)。

　　所謂微集料效應(yīng)，是指礦物摻合料微細(xì)顆粒均勻分布于水泥漿體的基相中，就象微細(xì)集料一樣，改善混凝土的結(jié)構(gòu)和性能。

　　實(shí)際上，上述三種基本效應(yīng)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。活性效應(yīng)是礦物摻合料在混凝土中作用的一個重要組成部分。礦物摻合料之所以得到普遍的應(yīng)用，就是因為它具有一定的反應(yīng)能力，形成類似于水泥熟料水化產(chǎn)物的反應(yīng)產(chǎn)物，這些反應(yīng)產(chǎn)物的形成，使混凝土材料的結(jié)構(gòu)得到改善。勿容置疑，活性效應(yīng)是礦物摻合料對混凝土材料性能貢獻(xiàn)的一個重要方面。活性效應(yīng)是微集料效應(yīng)發(fā)揮的基本保證。礦物摻合料的微集料效應(yīng)來自于三個方面：一是這些礦物微粉顆粒本身具有較高的強(qiáng)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(jié)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(xì)化”。其中礦物微粉顆粒與水化產(chǎn)物之間具有較好的粘結(jié)性能是其它兩者的基礎(chǔ)。只有當(dāng)微集料顆粒與水化產(chǎn)物緊密結(jié)合時它較高的自身強(qiáng)度才能發(fā)揮作用，使孔細(xì)化的效果才能得以體現(xiàn)。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(yīng)是提高其界面性能的一個重要途徑。因此，礦物質(zhì)粉料活性效應(yīng)的發(fā)揮是微集料效應(yīng)發(fā)揮的前提和保證。活性效應(yīng)是形態(tài)效應(yīng)作用效果的延續(xù)。礦物摻合料的形態(tài)效應(yīng)僅僅決定了混凝土材料的初始結(jié)構(gòu)，隨著礦物摻合料各種反應(yīng)的進(jìn)行，可以使混凝土材料的結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步的改善，而這些反應(yīng)的程度和速度則取決于它的活性效應(yīng)。從對混凝土材料性能的影響上看，活性效應(yīng)是形態(tài)效應(yīng)的延續(xù)和發(fā)展，它使混凝土性能得到進(jìn)一步的改善。由此可見，充分挖掘礦物摻合料的活性潛力有著特別重要的意義。同時，也應(yīng)該看到，礦物摻合料在混凝土中的作用是由三個效應(yīng)組成的，在挖掘它的活性效應(yīng)潛力的同時也應(yīng)該注意兼顧它的其它效應(yīng)。

　　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(yīng)過程中存在著兩類反應(yīng)：一是水化反應(yīng)，主要是指水泥熟料礦物的水化反應(yīng)。由于礦渣中也存在著一些水泥熟料礦物，它們也可以直接與水反應(yīng)，這一反應(yīng)也屬于水化反應(yīng)；二是火山灰反應(yīng)。作者在研究粉煤灰水泥水化動力學(xué)時發(fā)現(xiàn)[3]，這兩類反應(yīng)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：一是促進(jìn)水化反應(yīng)；二是促進(jìn)火山灰反應(yīng)。促進(jìn)水化反應(yīng)方式的作用對象是水泥熟料礦物，通過適當(dāng)?shù)拇胧�，促進(jìn)熟料礦物的水化。盡管這一類措施不直接作用于火山灰反應(yīng)，但由于水化反應(yīng)與火山灰反應(yīng)的相互影響，也會間接地加速火山灰反應(yīng)過程。促進(jìn)火山灰反應(yīng)方式的作用對象是火山灰質(zhì)礦物。同樣，盡管這一類措施不直接作用于水化反應(yīng)，也可以通過這兩類反應(yīng)間的相互作用來加速水化反應(yīng)。盡管這兩類激發(fā)方式對兩類反應(yīng)都會產(chǎn)生影響，但它們的作用點(diǎn)、對兩類反應(yīng)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看，激發(fā)水化反應(yīng)的措施對水泥基膠凝材料性能的影響在早期較顯著，而激發(fā)火山灰反應(yīng)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。

　　不同的礦物摻合料由于組成的差異，它們的反應(yīng)方式也不完全相同，因此，也應(yīng)采取不同類型的激發(fā)措施。對于礦渣，由于存在著相當(dāng)數(shù)量的水泥熟料礦物，這些礦物必將發(fā)生水化反應(yīng)過程。因此，應(yīng)著重采取激發(fā)水化反應(yīng)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(yīng)為主，特別是當(dāng)火山灰材料摻量較大時，更應(yīng)該注重激發(fā)火山灰反應(yīng)活性。當(dāng)火山灰材料摻量較小時，可以考慮采用激發(fā)水化反應(yīng)的措施，以加速水化反應(yīng)來帶動火山灰反應(yīng)，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，研究者們開展了大量的研究工作，開辟了各種激發(fā)途徑，這些方法大體可分為三類。

　�。�1）機(jī)械活化

　　機(jī)械活化是一種物理激發(fā)方法，通過機(jī)械力的作用，將膠凝材料磨細(xì)，增加新的活性表面，加速反應(yīng)過程。機(jī)械活化的作用方式取決于機(jī)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(yīng)。同樣，也可以通過粉磨具有水泥熟料礦物的微粒來激發(fā)水化反應(yīng)。值得注意的是機(jī)械作用可能改變顆粒的形貌，因此，可能影響其形態(tài)效應(yīng)。采取這一方法時應(yīng)綜合考慮對活性效應(yīng)和形態(tài)效應(yīng)的影響，平衡其得失。

　　（2）化學(xué)活化

　　所謂化學(xué)活化，是通過一些有機(jī)或無機(jī)的化學(xué)激發(fā)劑來激發(fā)其活性�；瘜W(xué)激發(fā)劑大體有以下幾類：

　　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(jié)構(gòu)的內(nèi)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(jié)構(gòu)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。一般來說，堿金屬離子比堿土金屬離子更容易進(jìn)入膠凝材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，因此，具有更強(qiáng)的激發(fā)作用。但堿金屬離子的存在有可能導(dǎo)致堿集料反應(yīng)。

　　硫酸鹽類激發(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。但在生產(chǎn)過程中同時加入兩種外加劑，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)劑也會對混凝土的耐久性帶來不利的影響。

　　常用的硅酸鹽類激發(fā)劑有水玻璃或固體硅酸鈉。一些研究表明，這一類激發(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。

　　其它類型激發(fā)劑

　　除上述四類激發(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。