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德国的钢渣也多用作集料，很少用于水泥；

美国也只有约1%的水泥生产利用了钢渣。

我国以中国建筑材料科学研究院为代表的一些科研单位和高校，在20世纪70年代初，便开始钢渣作为水泥混合材的研究。

如今，在这方面的研究已处于世界前列。

然而，研究成果的实际应用效果还很不理想。

目前，我国钢渣回收利用率约为50-60%，但是按资源性和有效性评定，我国钢渣实际利用率仅为40%左右，而且仅有10%用于建材领域，其中只有约3%用于水泥。

根据已有的研究可知，活性偏低和体积稳定性差是制约钢渣在水泥和混凝土生产中应用的两个根本原因。

要使钢渣在水泥和混凝土生产中得到资源化高效利用，首先要解决这两方面问题。

对此许多学者进行了广泛的研究，但是，至今尚未得到很好的解决。

因此，迫切需要采用一种新的技术和方法，对钢渣进行优质化处理，提高其活性、改善其体积稳定性。

已知钢渣的性能取决于它的组成、结构和热历史等，为此，我们进行了钢渣在线重构的研究，即在炼钢过程中排渣的同时，向熔态钢渣中加入少量的钙质、硅质、铝质等原料，利用刚出炉熔态钢渣的余热，使添加的原料与钢渣再次进行物相形成反应，在钢渣中形成高活性矿物，同时减少或消除有害组分的含量，改善钢渣的体积稳定性，从本质上克服钢渣存在的固有缺陷，实现钢渣的优质化处理，为其在水泥和混凝土方面高效、大量的应用奠定基础。

体积稳定性差是制约钢渣高效利用的本质原因。

体积稳定性差的钢渣，即使用作非活性的填充材料，也受到极大的限制。

如山东济南地区，某公路用含MgO较高的钢渣作为垫层材料，数年后由于游离MgO水化产生的体积膨胀，仍然导致路面隆起和开裂。

用作混凝土骨料也会存在体积稳定性问题，据网络媒体报道[12]，浙江某水泥有限公司新建的2座Φ60×

21.8m，贮量10万吨的水泥熟料贮库，由于采用了含MgO较高的钢渣作为耐热混凝土的骨料，完工一年后，先后坍塌，造成巨大的经济财产损失。

影响钢渣体积稳定性的主要原因是钢渣中含有较多的经受高温作用的游离CaO和MgO。

游离CaO相对比较容易处理，通过陈化、适当提高粉磨细度，或者热闷等工艺处理，一般可以使其达到安定性合格。

但是对于MgO，采用以上方法处理，则难以保证其体积稳定性合格。

MgO对钢渣体积稳定性的影响取决于它在钢渣中的含量及其存在形态，特别是MgO的存在形态，是决定钢渣压蒸安定性的最主要因素。

钢渣中的MgO，由于组成和工艺条件等不同，有三种存在形式：

即化合态（钙镁橄榄石、镁蔷薇辉石等）、RO相（二价金属氧化物MgO、FeO、MnO的无限固溶体）和游离态（方镁石晶体）。

三种形态的MgO对安定性有不同的影响：

化合态的MgO对钢渣体积稳定性没有影响，游离态MgO会引起体积膨胀，这些已得到广泛的认同；

但是，关于RO相对体积稳定性的影响，目前有不同的观点[13]。

有学者认为[14]，RO相的形态及其对钢渣安定性的影响视钢渣组成而定：

MgO/（FeO+MnO）<

1时，RO相为方铁矿相，不影响钢渣的体积稳定性；

MgO/（FeO+MnO）>

1时，RO相为方镁石相，会引起体积膨胀；

MgO/（FeO+MnO）=1时，以上两种情况都有可能。

Geiseler和Schlosser通过实验观察到，当RO相中MgO的含量超过70%时，遇水不稳定，若MgO-FeO相中含有CaO时，在短时间内就会产生膨胀。

另有学者根据MgO/FeO的比例，将含MgO的RO相分为贫MgO方铁石、富MgO方铁石、铁方镁石和方镁石四类[15]，压蒸试验表明，不含FeO的RO相（方镁石）在2MPa条件下压蒸3h，MgO即转变为Mg（OH）2，砂浆试件表面有肉眼可见的裂缝；

而贫MgO方铁石即使在5MPa条件下压蒸72h，仍然未与水反应；

富MgO方铁石和铁方镁石在压蒸条件下会与水反应，但是试件没有产生可见裂纹，砂浆试件的线性膨胀值远低于ASTM的规定限值（0.8%）。

另有学者研究认为[16]，RO相（MgO-MnO-FeO）不会影响沸煮安定性，在高温高压下也不能促使其水化，即在压蒸试验条件下，RO相仍是稳定的，不会膨胀。

徐光亮[17]等对低碱度钢渣进行的高温高压水热反应研究时得到了类似的结果。

由上可见，人们关于RO相对钢渣的体积稳定性的影响尚未取得一致的看法，对RO相的形成机理还没有完全搞清楚，特别是，关于RO相形成的控制机理的研究很少，有待进一步研究。

另外，在钢渣重构过程中，游离MgO可能产生再结晶的现象，MgO结晶体的发育程度、尺寸以及分布等均会影响钢渣的体积稳定性，所以需要研究MgO再析晶的规律。

RO相的形成以及游离MgO的再结晶与钢渣的组成、杂质组分以及钢渣经历的热历史[18]等因素直接相关，因此，研究组成、杂质组分和热历史对RO相形成和MgO再析晶的影响规律和调控作用，弄清楚不同形态RO相的形成及其与体积稳定性的关系以及游离MgO的再结晶规律，对钢渣的资源化高效利用，具有重要的理论意义和实际意义。

通过对钢渣重构处理，优化钢渣的矿物相组成和结构，控制RO相的组成和形成，并控制MgO再析晶的晶粒生长和分布，是改善钢渣的体积稳定性和提高钢渣活性的一条切实可行的有效途径。

这种思想，是把对钢渣的被动处理变为对其性能的主动控制。

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2、项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键问题。

研究内容：

（1）钢渣重构制备优质水泥混合材料的研究

在实验室中，模拟炼钢时排出的钢渣的性状，出炉后置于特定的保温装置中，添加少量的成分校正材料（如钙质、硅质和铝质原料等），调整钢渣中各种化学组分之间的比例，同时加入适量粘度调整材料，降低熔渣的粘度，促进钢渣与添加材料的均匀混合，使之发生相应的化学反应，优化钢渣的矿物相组成。

研究添加组分材料的种类、化学成分和添加量对钢渣用于水泥混合材的体积稳定性和活性的调控功效。

探求钢渣重构优化处理的最佳工艺参数。

（2）化学组成对钢渣重构中RO相形成及MgO再析晶影响规律的研究

化学组成的变化必然影响到矿物相的形成、高温液相量和液相性质（粘度和表面张力），因此对RO相的形成、重构过程中MgO的固溶、析晶以及晶体生长等均将产生重要影响。

通过研究化学组成，特别是CaO/SiO2、CaO/Al2O3、CaO/Fe2O3、CaO/（Al2O3+Fe2O3）、SiO2/（Al2O3+Fe2O3）、Al2O3/Fe2O3等比例与不同形态RO相的形成以及游离MgO的再结晶的关系，弄清化学组成对RO相形成及MgO再析晶的影响规律，探讨化学组成对RO相形成及MgO再析晶的调控功效，为通过调控化学成分控制RO相的形成及游离MgO的再结晶，进而控制钢渣的体积稳定性提供理论基础。

（3）杂质组分对钢渣重构中RO相形成及MgO再析晶的影响规律与调控

不同的杂质组分在钢渣矿物相的形成过程中具有不同的矿化、助熔作用和固溶特性，它们的存在会影响矿物相的成核势垒，改变矿物相的反应表观活化能等结晶参数，另外，晶界处的杂质离子，对晶体生长具有一定的调控作用。

可见，杂质组分的种类和含量对RO相形成及MgO再析晶有很大的影响，掌握杂质组分对RO相形成及MgO再析晶的影响规律，对控制重构钢渣的体积稳定性具有重要意义。

首先研究钢渣中已存在杂质组分的影响，然后开展引入杂质离子的研究，探讨杂质组分对RO相形成及MgO再析晶的调控作用。

（4）热历史对钢渣重构中RO相形成及MgO再析晶影响规律的研究

钢渣在炼钢和重构过程中经历的高温及其作用时间以及冷却制度等，直接影响着钢渣中矿物相的形成、离子的固溶、高温液相的量和性质以及MgO的固溶、析晶和晶体生长。

因此，研究钢渣经历的热历史对RO相形成及MgO再析晶的影响，对控制RO相形成及MgO的再析晶，进而控制钢渣的体积稳定性具有重要意义。

（5）有关RO相形成及MgO再析晶的动力学问题研究

在钢渣形成和重构过程中，不同形态RO相的形成及MgO的再析晶，随化学组成和工艺条件的不同有其特殊的动力学规律。

RO相的形成和组成，MgO的固溶、析晶和晶体生长等都与离子的扩散、晶界的移动与阻碍、晶格的调整等直接相关。

可见，要从理论上搞清楚化学组成、杂质组分和热历史等对重构钢渣中RO相形成及MgO再析晶的影响规律，需要通过动力学的研究来探讨诸影响因素，从而揭示其作用机理，建立控制RO相形成及MgO再析晶的调控机制，实现对体积稳定性的预先控制。

研究目标：

掌握钢渣重构的最佳工艺参数，重构钢渣的体积稳定性良好，活性指数达到粒化高炉矿渣的类似指标；

掌握组成、杂质组分和热历史对重构钢渣中RO相形成及MgO再析晶的影响规律以及动力学行为，揭示其作用机理；

建立控制RO相形成及MgO再析晶的调控机制；

为从本质上解决钢渣存在的体积稳定性差和活性低的缺陷，提供理论依据。

拟解决的关键问题：

（1）针对不同组成钢渣，确定重构的最佳组成配方和工艺参数。

（2）确定组成、杂质组分和热历史对钢渣重构中RO相形成及MgO再析晶的影响规律及其作用机理。

（3）建立控制不同形态RO相的形成及MgO再析晶的调控机制。

3、拟采取的研究方案及可行性分析。

研究方法：

用XRF、ICP、红外吸收光谱和化学分析等测试分析方法，测定钢渣的化学组成，用XRD、EDS、SEM、XPS、IR、Raman和岩相分析技术，对原始钢渣和重构钢渣的物相组成、RO相的组成和含量、游离MgO的含量、结晶形态、晶粒尺寸进行测试分析，研究组成、杂质组分和热历史对重构钢渣中RO相形成及MgO再析晶的影响。

借鉴硅酸盐水泥熟料矿物相化学萃取分离技术，探索分离钢渣中的RO相和硅酸盐相，以此对RO相的组成、微观结构和含量等进行深入研究。

用高温粘度计、高温XRD和高温显微分析等技术，结合化学分析手段，对高温液相量、液相粘度和表面张力进行测定，研究液相量和液相性质对RO相形成及MgO再析晶的影响规律。

运用扩散理论和固相反应动力学理论研究钢渣重构过程中RO相的形成动力学问题，运用烧结和晶体生长动力学理论研究钢渣重构过程中MgO再析晶的相关动力学问题。

在以上研究的基础上，探索建立控制RO相形成及MgO再析晶的调控机制。

技术路线：

如右图所示。

实验方案：

选择常用的、资源丰富的原料作为组分调整材料和粘度调控助剂，并按研究内容适当加工、储存。

根据钢渣的化学组成，结合硅酸盐水泥熟料或高炉矿渣的矿物相组成，设计重构钢渣的组成。

模拟炼钢时排出的钢渣的性状，将钢渣加热至熔融态，出炉后置于特定的保温装置中，按照设计的重构钢渣的组成，选择常用的原材料作为组分调控材料及粘度调控助剂，加入熔融态钢渣中，调控钢渣的化学组成，分别采用不同的制度冷却。

分别测定重构钢渣和钢渣混合水泥的压蒸膨胀值和活性指数，评定重构钢渣的性能和重构处理的效果，确定钢渣重构的最佳工艺参数。

采用XRD、EDS、SEM、岩相分析以及XPS、IR和Raman分析技术，结合化学分析方法，对原始钢渣和重构钢渣的物相组成、RO相的组成和含量、游离MgO的结晶形态和晶粒尺寸及其含量进行测试分析，借助高温粘度计、高温XRD和高温显微分析技术，结合化学分析手段，测试分析在钢渣重构过程中的液相量、液相粘度和表面张力。

借鉴硅酸盐水泥熟料矿物相化学萃取分离技术，探索分离钢渣中的RO相和硅酸盐相，对RO相的组成、微观结构和含量等进行深入研究。

在研究组成、杂质组分和热历史对重构钢渣中RO相形成及MgO再析晶的影响规律的基础上，根据结晶学、固相反应、扩散理论、烧结理论、结构化学、固体化学、物理化学和热力学等相关理论对研究结果进行综合分析，探讨RO相形成和MgO再析晶的机理和相关的动力学问题，并在此基础上，探索建立控制RO相形成及MgO再析晶的调控机制。

可行性分析：

我们已知，钢渣含有类似于硅酸盐水泥熟料的化学成分，但是这些成分间的比例关系不合适，不能保证形成足量的高活性矿物，并导致产生较多的游离CaO和MgO，通过合理的组成调整和处理工艺，促进矿物的形成以及游离CaO和MgO吸收和固溶，对钢渣进行重构，改善其性能，从理论上讲是完全可行的。

大家公认，钢渣中RO相的组成和结构以及游离MgO的含量、结晶程度、晶体尺寸及分布等对钢渣的体积稳定性起决定性作用，而这些主要受化学组成、杂质组分和热历史的影响，因此，通过研究它们之间的相互关系，掌握其影响规律和作用机理，通过控制RO相的形成以及游离MgO的再结晶，达到对钢渣体积稳定性的调控，在理论上是可行的。

已开展的相关实验工作，已经初步证实了这些观点和方法的正确性。

我们已经开展的有关钢渣重构的前期研究表明，通过矿物相优化，钢渣的活性和沸煮安定性得到了显著提高，重构钢渣在水泥中的掺量达40-50%时，水泥的强度和沸煮安定性等性能均可满足42.5强度等级的矿渣硅酸盐水泥的技术要求，但是，目前对压蒸安定性尚不能稳定控制。

同时，XRD研究结果表明，RO相的组成、游离态MgO的含量随重构条件（包括设计的化学组成和工艺条件）的不同有很大差异，是造成压蒸安定性波动的主要原因。

仔细分析这一现象可以看出，调整化学组成或者处理工艺条件，对RO相的形成、游离MgO的再结晶都产生了一定的影响，以及对RO相的组成和MgO再析晶具有调控功效。

因此，研究组成、杂质组分和热历史对RO相形成和MgO再析晶的影响，具有重要的实际意义，对钢渣重构技术的实施，也是必须和迫切的。

本项目所有研究内容，均可借助申请人本单位的试验研究条件完成。

本项目的主要参加人员，长期从事水泥、固体废弃物利用的科研工作，具有较强的科研能力和经验。

综上可见，本项目的实现从原理上是可行的，从技术上是有把握的。

4、本项目的特色与创新之处。

本项目提出了，通过对钢渣重构处理，优化钢渣的矿物相组成和结构，控制RO相的形成和组成，并控制MgO再析晶、晶体生长和分布，解决钢渣体积稳定性差、活性低的新思路。

本项目的研究目的，旨在掌握钢渣重构的最佳工艺参数，掌握组成、杂质组分和热历史对钢渣重构中RO相形成及MgO再析晶的影响规律，揭示其作用机理，建立控制RO相形成及MgO再析晶的调控机制，为从本质上解决钢渣存在的体积稳定性差和活性低这一制约其高效资源化利用的缺陷，提供理论依据。

5、年度研究计划及预期研究结果。

年度研究计划：

2009.1~2009.7，钢渣重构研究。

2009.8~2009.12，研究化学组成对钢渣重构中RO相形成及MgO再析晶影响规律。

2010.1~2010.12，研究杂质组分和热历史对钢渣重构中RO相形成及MgO再析晶影响规律。

2011.1~2011.12，研究有关RO相形成及MgO再析晶的动力学问题。

探讨建立控制RO相形成及MgO再析晶的调控机制。

撰写结题报告。

预期研究结果：

·

掌握钢渣重构的最佳工艺参数。

搞清组成、杂质组分和热历史对钢渣重构中RO相形成及MgO再析晶的影响规律和机理。

建立控制钢渣重构中RO相形成及MgO再析晶的调控机制。

发表学术论文6~8篇，其中SCI收录论文3~5篇。

申请发明专利2项。

培养研究生4－6人。

（二）研究基础与工作条件

1.工作基础

本课题组主要成员长期从事水泥与混凝土专业方面的教学和研究工作。

具有较强的科研能力和经验。

申请人从1987年开始从事水泥化学方面的研究。

主持完成了青岛市科委项目“粉煤灰泡沫混凝土”。

横向合作项目“青岛钢厂矿渣缓凝机理及防止措施的研究”，“BaCO3工业废渣用于水泥生产的研究”，“用工业废渣生产多功能彩色屋面板”。

关于钢渣重构已开展了一些前期研究工作。

初步结果表明，经过重构处理后，钢渣的矿物相得到优化，钢渣的活性和沸煮安定性得到显著提高；

重构钢渣在水泥中的掺量达40-50%时，水泥的强度和沸煮安定性等性能均可满足42.5强度等级的矿渣硅酸盐水泥技术要求（但是压蒸安定性尚不能稳定控制）。

并已申请发明专利一项“一种钢渣性能优化处理方法”（专利申请号：

200710114708.X，申请日期：

2007年11月26日）。

另外，本课题组多年来围绕固体工业废渣的综合利用以及特种水泥的制备及性能研究方面，进行了很多研究，取得了一些有意义的成果，这为确保完成本课题提供了一定的理论基础。

2.工作条件

济南大学材料学科为山东省“十五”期间重中之重强化建设重点学科，教育部“先进建筑材料工程中心”、山东省强化建设重点实验室“先进建筑材料实验室”、山东水泥工程技术研究中心、山东省复合材料学会等科研机构挂靠本学科。

目前在水泥材料研究领域形成了鲜明特色，经过多年建设，学科在材料研究方面具有良好的实验条件。

学校测试中心和实验室能满足本项目所需的常规实验设备和测试仪器的需要。

主要仪器设备有：

德国BrukerD8Advance型X射线衍射仪,日本电子JEM-2010型透射电子显微镜，日本日立S-2500扫描电镜，英国牛津OxfordLinkISIS300能谱仪、美国康塔Poremaster孔结构测定仪，德国Netzsch综合热分析仪，FAM激光粒度分析仪，GFU-201原子吸收分光光度计，FAT-165红外光谱仪，瑞典雷特拉TAMAir八通道热导式等温微量热仪等。

本课题组承担的国家自然科学基金（59672022，59972018，50272024）、国家863计划项目（2003AA332050）研究的工作基础，许多实验条件，包括一些自制设备等，可在该课题中继续使用。

上述设备条件可以满足该课题的需要。

3.申请人简历

项目申请者：

周宗辉，男，47岁，教授，工学博士，济南大学特聘岗位教授，硕士研究生导师。

1982年7月于山东建筑材料工业学院获得学士学位，1988年7月于武汉工业大学无机非金属材料专业获得硕士学位，2