随着社会的发展，镁合金已广泛应用于航天、汽车、电子技术、光学器材等领域，在合金中仅次于铝合金的应用。我国是镁资源大国，每年生产的原镁数量达世界原镁总产量的85%以上^[1]，国内基本采用硅热还原法炼镁，该法的主要工艺过程是将白云石在高温下煅烧产生煅白，再在一定的温度和压力下煅白被硅铁等还原成镁蒸汽，冷凝结晶提炼出金属镁，残留的还原渣即为镁渣。每冶炼1 t原镁产出5.5~10 t不等的镁渣，2010年中国原镁产量达90万t以上^[2]，镁渣的数量已非常庞大。镁渣具有很强的吸潮性，容易使土壤盐碱化，造成土壤板结，同时镁渣颗粒细小，易悬浮于空气中，造成呼吸道疾病。

目前，镁渣在国内主要应用在煅烧硅酸盐水泥熟料、作为水泥混合材、脱硫等方面^[3-5]，对镁渣总体消耗较少，理想的镁渣利用技术应具备大量消耗镁渣、工艺简单、生产成本低的特点。崔自治等^[6-7]通过粉磨、快速冷却、与粉煤灰复合、碱激发等方式对镁渣的活性激发进行了研究，在这些研究中镁渣替代水泥等胶凝材料的比例一般为30%，均少于50%，胶凝体系的强度仍主要由水泥等主体胶凝材料提供，不能充分利用镁渣的潜在活性且不能大量消耗镁渣；赵爱琴^[8]用镁渣制备出了强度等级处于MU10~MU15的墙体材料，但镁渣的具体掺量和作用效果并未阐述。国外很少采用硅热还原法炼制原镁，基本无镁渣产生, 除巴西学者Oloveira等^[9]对镁渣掺加在砂浆中进行研究外尚无其他研究文献。

笔者以镁渣为主要原材料，与少量矿渣复合制备胶凝材料，用不同的活性激发剂激发潜在活性，并制备成镁渣砖，研究了镁渣掺量、激发剂种类及掺量对胶凝材料强度的影响，并检测了镁渣砖的性能。

1 原材料及试验方法 1.1 原材料

镁渣：重庆海博金属公司生产原镁排放渣，粉磨30 min，比表面积为410.6 m²/kg；图 1为该渣的XRD图，主要矿物为γ-C₂S和β-C₂S、同时含有少量的C₃S和钙镁橄榄石(CaO·MgO·SiO₂)；化学成分见表 1。

矿渣：重庆钢铁集团公司炼铁排放渣，粉磨45 min，比表面积为430.3 m²/kg，化学成分见表 1。

中砂：细度模数3.1，表观密度2 650 kg/m³，堆积密度1 535 kg/m³。

石粉：机制砂粉磨30 min，CaCO₃含量 > 90%。

脱硫石膏：重庆珞璜电厂产，化学成分见表 1。

生石灰：重庆山洞镇石灰厂产，粉磨45 min，密度2 920 kg /m³，f-CaO含量为90.76%。

NaOH：市售化学纯，片状样品，纯度 > 99%。

1.2 试验方法

镁渣活性激发采用40 mm×40 mm×160 mm试件，参照GB/T 17671—1999测试抗折抗压强度，镁渣砖是尺寸为240 mm×115 mm×53 mm的标准砖，依据GB/T 2542—2003测试各项性能。

2 实验结果及分析 2.1 镁渣活性激发

从表 1和图 1可以看出镁渣具有与水泥、矿渣等胶凝材料相似的化学组成，且含有β-C₂S和C₃S等具有胶凝性能的矿物组成，即镁渣具有潜在活性。取一定量的镁渣，固定水胶比为0.3(下同)，作为胶凝材料制备试件，并同时掺加少量石膏、生石灰和NaOH等活性激发剂制备试件作为对比。两组试件成型1 d后拆模试件断裂，故在成型两天后拆模，经标准养护后测试试件强度，配合比及结果见表 2。

从表 2可以看出，镁渣在不加激发剂的情况下也有一定的胶凝性能，由于其含有早期水化矿物C₃S量很少，试件早期的强度很低，而镁渣中主要的胶凝矿物β-C₂S反应速率较C₃S缓慢，同时镁渣中早期水化矿物较弱的水化能力未为β-C₂S的水化创造较好的环境^[10]，β-C₂S未完全水化，28 d抗压强度很低。在掺加活性激发剂后β-C₂S的水化环境有所改善，激发了镁渣的潜在活性，28 d抗压强度达到8.7 MPa，但将其作为胶凝材料利用强度依然很低。

2.2 镁渣与少量矿渣复合制备胶凝材料对镁渣活性的影响

针对镁渣单独作为胶凝材料强度较低的情况，将镁渣与少量的矿渣复合制备胶凝材料，探索能否通过矿渣的水化诱导激发镁渣的活性，同时用石粉和矿渣复合制备试件进行对比，具体配合比及实验结果见表 3。

从表 3可以看出，在镁渣中掺加一定比例的矿渣后，试件的28 d抗压强度增长到27 MPa以上，强度增幅很大。M1组和M3组、M2组和M4组这两对配比中矿渣的用量是相同的，而M3和M4分别用石粉替代了M1和M2中等量的镁渣，石粉不具有水化能力，对试件的强度没有贡献，故M3组和M4组试件的强度全由矿渣水化提供，通过比较可知，M1组的强度比M3组提高了95.8%，同样的M2组比M4组提高了109.2%，说明M1组与M2组配比中，矿渣的水化不仅为胶凝材料提供了强度，也激发了镁渣的活性。

图 2是M2组配比和M4组配比试件的XRD图，由图可以看出未掺加镁渣的M4组的水化产物数量较少，(OH)₂主要为高碱性水化硅酸钙Ca₅(SiO₄)₂，这是由矿渣水化反应生成的^[9]；与M4组相比较，掺加了80%镁渣的M2组水化产物除了高碱性水化硅酸钙Ca₅(SiO₄)₂(OH)₂外，还有大量的水化铝硅酸钙Ca₁₅Al₂Si₁₈O₅·18H₂O产生，由于镁渣中Al₂O₃含量很少，故体系中的Al³⁺是矿渣提供的，但在M4组中并未有水化铝硅酸钙产生，说明镁渣为矿渣的水化产生了影响。从这些变化可以总结出镁渣和矿渣的水化是相互促进、相互补充的关系：镁渣水化产生水化硅酸钙凝胶和Ca(OH)₂等碱性物质，为矿渣水化提供了碱性环境，矿渣水化释放出硅氧四面体[SiO₄]^4-和铝酸根AlO₂^-[11-12]，与镁渣水化产生的Ca²⁺结合生成水化硅酸钙凝胶和水化铝硅酸钙，而体系中Ca(OH)₂的浓度也下降，促使镁渣中的β-C₂S等活性矿物继续反应，镁渣和矿渣相互促进，提高了胶凝材料的强度。图 3是M2组试件28 d龄期的SEM图，可以看到有大量的絮凝状水化硅酸钙及纤维状的水化铝硅酸钙产生。

2.3 镁渣-矿渣胶凝体系活性激发

镁渣与少量矿渣复合制备的胶凝材料强度较高，如果在镁渣-矿渣胶凝材料中掺加少量的活性激发剂，能否再提高镁渣-矿渣胶凝材料的强度，以脱硫石膏、生石灰和NaOH作为活性激发剂，设计正交试验，具体配合比及实验结果见表 4。

根据表 4中的数据经过正交分析方差计算，发现NaOH对胶凝体系的7d抗压强度具有一定影响，而对28d抗压强度影响最大的因素是脱硫石膏，生石灰对强度影响较小。分析认为，NaOH的掺入使矿渣的反应速度增快^[13-14]，使胶凝材料早期强度较高，但与镁渣较慢的反应速度不能同步，使得试件后期的强度较低；生石灰掺入胶凝材料，为体系增加了Ca(OH)₂的浓度，抑制了镁渣产生Ca(OH)₂的速率，故生石灰对胶凝材料的激发效果不明显。石膏掺入到胶凝材料中，起到了激发矿渣活性的效果^[15]，同时也激发了镁渣中β-C₂S等矿物的活性^[16]，使镁渣胶凝材料的强度不断增长。

2.4 镁渣掺量对胶凝材料强度影响

镁渣与矿渣复合后胶凝材料的强度较高，矿渣有效地激发了镁渣的潜在活性，为了尽量消耗镁渣，以脱硫石膏作为活性激发剂，增加胶凝材料中镁渣的掺量，降低矿渣掺量制备试件来探索镁渣掺量对胶凝材料强度的影响，实验配合比及结果如表 5所示。

从表 5可以看出随着镁渣掺量的增加和矿渣掺量的减少，试件强度均呈现减小的趋势，但下降的幅度相对较小，当镁渣掺量增加到90%时，试件28d抗压强度仍达到30 MPa以上，远高于镁渣单独作为胶凝材料制备试件的强度，这也证明了矿渣对镁渣活性具有较强的激发效果。

2.5 镁渣胶凝材料制备标准砖

镁渣与矿渣复合制备的胶凝材料在活性激发剂的作用下具备较高的强度，废渣免烧砖是一种新型的废渣资源化利用技术^[17]，以外掺5%的脱硫石膏为活性激发剂，80%的镁渣和20%的矿渣复合与中砂以胶砂比为1:1的比例浇注成型240×115×53规格的标准砖，依据GB/T 2542—2003测试各项性能，结果见表 6。

从表 6可以看出，镁渣砖28 d的抗压强度超过了20 MPa，达到了墙体材料MU20等级的要求，随着龄期的增长，镁渣砖的强度仍在增大，180 d抗压强度达到35.5 MPa，其他各项性能指标也达到了JC 239—2001粉煤灰砖标准规定的各项性能指标要求，因此用大掺量镁渣胶凝材料可以制备性能优良的免烧砖。

3 结论

1) 镁渣的活性是潜在的，镁渣单独作为胶凝材料强度很低，矿渣对镁渣活性激发效果显著，镁渣与少量矿渣复合制备的胶凝材料28 d抗压强度能达到27 MPa以上。

2) NaOH对镁渣胶凝材料的早期强度具有一定影响，脱硫石膏对镁渣胶凝材料的激发效果明显。

3) 80%的镁渣和20%的矿渣外掺5%的脱硫石膏配制的胶凝材料能制备出性能指标满足MU20等级的免烧标准砖。