硫酸盐与氧化镁协同激发矿渣：强度、水化与微观结构

《Journal of Cleaner Production》：Synergetic activation of slag by sodium sulphate and magnesium oxide: Strength, hydration, and microstructure

　　

硫酸盐（Na2SO4，SST）激发矿渣已被认为是一种环境友好型胶凝材料，但其存在凝结缓慢与强度发展慢的问题。本研究引入氧化镁（MgO）作为硫酸钠（SST）的协同激发剂以应对上述挑战。结果表明，SST-MgO激发矿渣（SSTMS）浆体具备良好的新拌与力学性质，最快凝结时间约12 h，28 d抗压强度最高达55 MPa。水化过程中，MgO部分溶解，主要通过提供碱性环境引发矿渣溶解；随后SST积极参与碱激发过程，与矿渣释放的Ca2+和Al(OH)4-离子反应，早期生成钙矾石（ettringite）。这不仅通过自碱化促进矿渣溶解，还借助钙矾石的孔填充与桥接效应增强强度。然而，钙矾石与C-A-S-H凝胶对铝源的竞争导致初始凝胶聚合略有延缓。当孔隙液碱度超过抑制钙矾石析出的水平后，SSTMS浆体水化逐渐接近含MgO的碱激发矿渣（AAS）浆体；过量Al(OH)4-离子转而与Mg2+反应，后期生成水滑石（hydrotalcite）。综上，阐明SSTMS体系水化机理为其力学性能优化提供理论基础。作为一种弱AAS体系，SSTMS浆体相较传统AAS体系具备良好的长期抗压强度与更优的施工安全性。

研究背景方面，普通硅酸盐水泥（OPC）生产高能耗、高CO₂排放，碱激发材料（AAMs）以富铝硅工业固废为原料可减排55–75%，但传统高碱激发剂（氢氧化钠、硅酸钠）制造能耗高、腐蚀性强、安全风险大。弱碱激发采用碳酸钠或硫酸钠（SST）等弱碱盐，借助阴离子与碱土金属沉淀反应诱导自碱化，但单掺SST溶液pH≈8，矿渣难以溶解，3 d强度仅约5 MPa。引入氢氧化钠等共激发剂又牺牲低碳优势。金属氧化物中MgO煅烧温度低、水化温和产碱，因此研究人员提出SST-MgO联合激发弱AAM体系，并针对二者协同水化路径不清的问题开展机制解析。

主要关键技术方法上，研究人员采用S95级磨细粒化高炉矿渣（GGBS）为主料，设SHS、SSTS、MS、SSTMS四类体系及SST（3–7 wt%）、MgO（4–8 wt%）梯度配合比，水胶比恒为0.4；通过等温量热仪追踪7 d水化放热，定量X射线衍射（QXRD）结合Rietveld精修表征物相，热重（TG）分析质量损失，固体核磁（²⁷Al与²⁹Si NMR）计算C-A-S-H凝胶平均链长（MCL）与Al/Si，冷萃孔隙液经ICP-OES测Na、Al、Mg、Ca、S浓度及pH，压汞（MIP）与场发射扫描电镜（FE-SEM/EDS）表征孔结构与形貌。

研究结果部分，3.1工程性质中，新拌流动性66–73 mm，MgO掺量升至8 wt%使流动性由73降至68 mm，SST用量影响较弱；终凝时间随MgO由4 wt%增至8 wt%缩短约30%，SST5M8S终凝约13.8 h，比单掺MgO的MS浆体还短12%，证实SST-MgO协同加速；SSTS单掺不凝，SST5M8S的28 d抗压强度约55 MPa，较MS提高57.3%，表明协同优化微观结构。3.2水化动力学显示MgO先溶解放碱，SST早期与Ca²⁺、Al(OH)₄^-形成钙矾石放热峰，后期放热趋近MgO-AAS。3.3物相演化QXRD/TG/NMR表明早期钙矾石生成消耗Al，使C-A-S-H初始聚合延缓；孔隙液碱度升高后钙矾石停止析出，过量Al(OH)₄^-与Mg²⁺生成水滑石；²⁹Si NMR显示C-A-S-H链长随龄期增长。3.4孔隙液化学中Na⁺维持碱度，Ca、Al浓度受钙矾石沉淀调控，pH随Mg(OH)₂生成先升后稳。3.5微观结构中MIP显示SSTMS总孔隙率低于SSTS与MS，FE-SEM观察到钙矾石针棒状填充孔隙、C-A-S-H凝胶与后期水滑石片晶共存。

讨论与结论部分，研究人员指出SST单掺因pH过低无法有效激发，MgO仅提供初始碱环境但后期强度受限；SST-MgO组合中MgO部分溶解供碱启动矿渣解聚，SST借Ca²⁺+Al(OH)₄^-沉淀钙矾石实现自碱化正反馈，钙矾石孔填充与桥接贡献早期强度，但与C-A-S-H争铝轻微延迟凝胶聚合；当孔隙液OH^-浓度越过钙矾石稳定域，体系水化路径并轨MgO-AAS，过剩Al(OH)₄^-与Mg²⁺结晶水滑石封端。该弱AAS体系兼顾28 d强度55 MPa、终凝约12 h及优于传统AAS的施工安全性，为低水泥低碳胶凝设计提供机制支撑。论文发表于《Journal of Cleaner Production》。