摘要：本文总结了矿物掺合料在混凝土材料中的作用，指出了活性效应的地位及其对其它效应的影响。分析激发胶凝材料活性的方法及其作用方式，从对混凝土材料性能的影响出发，提出激发胶凝材料活性时应注意的问题。在此基础上提出目前在化学活化胶凝材料领域的一个研究方向，实现这一目标所面临的困难，以及解决这一问题的一些思路。

　　关键词：胶凝材料；活化；作用；思路

　　1、引言

　　在混凝土材料中，胶凝材料是不可缺少的一个重要的组成部分。胶凝材料通过水化等反应，将砂、石等材料胶结在一起，形成具有较好力学性能和耐久性能的混凝土材料。袁润章等在分析水泥矿物的胶凝性时曾指出[1]，水泥矿物具有胶凝能力的本质与条件可以归结为三点：

　　（1）水泥熟料矿物的活性决定于其结构的不稳定性，这种结构不稳定性的原因或者是由于它是介稳的高温型结构，或者是由于在矿物中形成了有限的固熔体，或者是由于微量元素的掺杂使晶格排列的规律性受到某种程度的影响，或者是这些原因兼而有之；

　　（2）在晶体结构中存在着活性阳离子。结构中活性阳离子存在的原因或者是由于不规则的配位和配位数降低，或者是由于结构的变形，或者是由于它们在结构中电场分布的不均匀性，或者是这些原因兼而有之；

　　（3）胶凝材料硬化的决定性条件是能否形成足够数量的稳定的水化物，以及这些水化物能否彼此连生并形成网状结构。然而，除了水泥以外，一些工业废渣，如矿渣、粉煤灰、硅灰等也是在高温下形成的，甚至在一些天然矿物（如沸石等）中，也具有这些不稳定的结构特征。这些潜在能量的存在表明，这些矿物和工业废渣具有潜在的活性，这些材料也可以通过一些反应将砂、石等材料胶结在一起，形成具有较好性能的混凝土材料。因此，它们也可以作为一种胶凝材料，或者与其它组分结合，构成新的胶凝材料体系。目前，这些矿物掺合料已经成为混凝土材料中的一个重要组分，而且是胶凝材料的一个重要的组成部分。但是，由于组成和形成过程的差异，这些材料的活性远不及水泥熟料矿物。

　　从化学动力学角度看，矿物掺合料的反应速度较慢，尤其在冬季及北方地区，由于气温低，当在混凝土中掺入矿物掺合料时，因其活性发挥较慢，使得早期强度降低，凝结时间延长，脱模时间延长，影响施工进度，不能满足实际工程的需要。正是由于这一原因，使得矿物掺合料在混凝土中的应用受到很大的限制。近几十年来，一些研究者们开展了大量的工作，以寻求提高矿物掺合料活性的方法，但在怎样把这些矿物掺合料的潜能全部发挥出来，使之由被动的填充材料愈来愈多地转向质优价廉的宝贵资源方面还有待进一步创新。

　　本文从矿物掺合料在混凝土中的作用入手，分析矿物掺合料的活性效应与其它效应的关系和激发矿物掺合料活性的方式方法，提出选择激发方法时应注意的问题，以及对激发矿物掺合料活性方法的一些新构思，试图通过多学科相互借鉴与交叉的思维方式，寻找充分活化矿物掺合料新的突破点。

　　2、在混凝土材料中矿物掺合料的作用及对其性能的影响

　　沈旦申在研究粉煤灰在混凝土中的作用时提出了粉煤灰效应假说[2]，把粉煤灰对混凝土可能发生的效应归结为“形态效应”、“活性效应”和“微集料效应”三项基本效应。

　　所谓形态效应，泛指各种应用于混凝土中的矿物质粉料，由其颗粒的外观形貌、内部结构、表面性质、颗粒级配等物理性状所产生的效应。

　　所谓活性效应，是指混凝土中矿物掺合料的活性成分所产生的化学效应。

　　所谓微集料效应，是指矿物掺合料微细颗粒均匀分布于水泥浆体的基相中，就象微细集料一样，改善混凝土的结构和性能。

　　实际上，上述三种基本效应是所有矿物掺合料在混凝土中的作用形式，不仅粉煤灰如此，其它矿物掺合料也是如此，差别仅仅是作用程度的不同。活性效应是矿物掺合料在混凝土中作用的一个重要组成部分。矿物掺合料之所以得到普遍的应用，就是因为它具有一定的反应能力，形成类似于水泥熟料水化产物的反应产物，这些反应产物的形成，使混凝土材料的结构得到改善。勿容置疑，活性效应是矿物掺合料对混凝土材料性能贡献的一个重要方面。活性效应是微集料效应发挥的基本保证。矿物掺合料的微集料效应来自于三个方面：一是这些矿物微粉颗粒本身具有较高的强度；二是这些矿物微粉颗粒与水化产物之间具有较好的粘结性能；三是这些矿物微粉颗粒在水泥浆体中分散状态良好，有助于新拌混凝土和硬化混凝土均匀性的改善，也有助于混凝土中孔隙的填充与“细化”。其中矿物微粉颗粒与水化产物之间具有较好的粘结性能是其它两者的基础。只有当微集料颗粒与水化产物紧密结合时它较高的自身强度才能发挥作用，使孔细化的效果才能得以体现。只有在这一前提下，它的优越的性能才能得到利用和发挥。微集料颗粒的界面反应是提高其界面性能的一个重要途径。因此，矿物质粉料活性效应的发挥是微集料效应发挥的前提和保证。活性效应是形态效应作用效果的延续。矿物掺合料的形态效应仅仅决定了混凝土材料的初始结构，随着矿物掺合料各种反应的进行，可以使混凝土材料的结构得到进一步的改善，而这些反应的程度和速度则取决于它的活性效应。从对混凝土材料性能的影响上看，活性效应是形态效应的延续和发展，它使混凝土性能得到进一步的改善。由此可见，充分挖掘矿物掺合料的活性潜力有着特别重要的意义。同时，也应该看到，矿物掺合料在混凝土中的作用是由三个效应组成的，在挖掘它的活性效应潜力的同时也应该注意兼顾它的其它效应。

　　3、激发水泥基胶凝材料的方式

　　在掺有矿物掺合料水泥基材料的水化反应过程中存在着两类反应：一是水化反应，主要是指水泥熟料矿物的水化反应。由于矿渣中也存在着一些水泥熟料矿物，它们也可以直接与水反应，这一反应也属于水化反应；二是火山灰反应。作者在研究粉煤灰水泥水化动力学时发现[3]，这两类反应并非是孤立进行的，而是相互影响、相互促进。因此，激发水泥基胶凝材料的方式也可以分成两类：一是促进水化反应；二是促进火山灰反应。促进水化反应方式的作用对象是水泥熟料矿物，通过适当的措施，促进熟料矿物的水化。尽管这一类措施不直接作用于火山灰反应，但由于水化反应与火山灰反应的相互影响，也会间接地加速火山灰反应过程。促进火山灰反应方式的作用对象是火山灰质矿物。同样，尽管这一类措施不直接作用于水化反应，也可以通过这两类反应间的相互作用来加速水化反应。尽管这两类激发方式对两类反应都会产生影响，但它们的作用点、对两类反应的作用程度都是不同的。从对水泥基胶凝材料性能的影响来看，激发水化反应的措施对水泥基胶凝材料性能的影响在早期较显著，而激发火山灰反应的措施对水泥基胶凝材料性能的影响则在后期比在早期更显著。

　　不同的矿物掺合料由于组成的差异，它们的反应方式也不完全相同，因此，也应采取不同类型的激发措施。对于矿渣，由于存在着相当数量的水泥熟料矿物，这些矿物必将发生水化反应过程。因此，应着重采取激发水化反应的措施。对于一些火山灰质材料，如低钙粉煤灰、硅灰等，则是以火山灰反应为主，特别是当火山灰材料掺量较大时，更应该注重激发火山灰反应活性。当火山灰材料掺量较小时，可以考虑采用激发水化反应的措施，以加速水化反应来带动火山灰反应，这对改善水泥基材料的早期性能有一定的作用。

　　4、激发胶凝材料的方法

　　为了激发胶凝材料的活性，研究者们开展了大量的研究工作，开辟了各种激发途径，这些方法大体可分为三类。

　　（1）机械活化

　　机械活化是一种物理激发方法，通过机械力的作用，将胶凝材料磨细，增加新的活性表面，加速反应过程。机械活化的作用方式取决于机械力的作用对象。如果粉磨对象是火山灰质材料，其作用方式则是激发火山灰反应。同样，也可以通过粉磨具有水泥熟料矿物的微粒来激发水化反应。值得注意的是机械作用可能改变颗粒的形貌，因此，可能影响其形态效应。采取这一方法时应综合考虑对活性效应和形态效应的影响，平衡其得失。

　　（2）化学活化

　　所谓化学活化，是通过一些有机或无机的化学激发剂来激发其活性。化学激发剂大体有以下几类：

　　碱性激发剂

　　常用的碱性激发剂有氢氧化钙、氢氧化钠等。这类激发剂由于它比水分子较易进入矿渣、粉煤灰等矿物掺合料网状结构的内部孔穴，并能与活性阴离子比较激烈地互相作用，因而促进结构的解体和溶解。另外，溶液中Ca₂+离子浓度增加，又促进了Ca（OH）₂与矿物掺合料中活性SiO₂和活性Al₂O₃化合，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等水化物。一般来说，碱金属离子比碱土金属离子更容易进入胶凝材料结构的内部，因此，具有更强的激发作用。但碱金属离子的存在有可能导致碱集料反应。

　　硫酸盐类激发剂

　　常用的硫酸盐激发剂有石膏、硫酸钠等。只有在一定的碱性环境中，再加入一定的石膏，矿渣活性才能充分发挥出来。但在生产过程中同时加入两种外加剂，难度较大，生产不好控制，计量也难以精确。此外，加入硫酸钠等一些含碱金属离子的硫酸盐激发剂也会对混凝土的耐久性带来不利的影响。

　　常用的硅酸盐类激发剂有水玻璃或固体硅酸钠。一些研究表明，这一类激发剂对矿渣有较好的激发效果，但对一些火山灰质材料激发效果较差。

　　碳酸盐类激发剂

　　碳酸盐激发剂常用碳酸钠，这种激发剂通常用于激发矿渣的活性，对于火山灰质材料的激发效果并不明显。

　　其它类型激发剂

　　除上述四类激发剂外，也有采用明矾石（主要成分为K₂SO₄.Al₂（SO₄）₃.4Al（OH）₃）、亚硝酸盐和一些铝酸盐作为激发剂，但其激发效果并不理想。