含硫鋁酸鈣礦物硅酸鹽水泥熟料形成化學(xué)研究.pdf

1、含硫鋁酸鈣礦物(3CaO·3Al2O3·CaSO4，C4A3S-)硅酸鹽水泥熟料是在傳統(tǒng)硅酸鹽水泥熟料體系中引入非硅酸鹽類礦物(C4A3S-)制備的高膠凝性熟料，它具有較高的強(qiáng)度和較好的與混合材的復(fù)合性，C4A3S-與C3S是該體系中兩種主要膠凝相。通常C4A3S-在1350℃時(shí)開始分解，C3S在1400℃左右形成，通過(guò)摻礦化劑等措施能使C4A3S-與C3S共存于同一體系中，但共存溫度范圍窄，因此，體系中C4A3S-與C3S兩相共存溫度

2、范圍的拓寬以及相匹配優(yōu)化是含C4A3S-礦物硅酸鹽水泥熟料制備最關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題。針對(duì)這一科學(xué)問(wèn)題，本研究提出通過(guò)摻雜等技術(shù)措施降低C3S形成溫度和提高C4A3S-分解溫度以擴(kuò)大熟料中C4A3S-與C3S兩相共存溫度范圍的思路，為此，開展了《含C4A3S-礦物硅酸鹽水泥熟料形成化學(xué)研究》。闡明了C4A3S-物理化學(xué)特性，提出了C4A3S-的形成過(guò)程，深入探討了摻雜對(duì)熟料形成過(guò)程和C4A3S-與C3S兩相共存溫度范圍的影響，闡明了摻雜擴(kuò)大熟

3、料中C4A3S-與C3S兩相共存溫度范圍的機(jī)理，揭示了Fe2O3-Al2O3-SO3匹配與熟料礦相組成之間的關(guān)系，為工業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。
　　 主要開展的工作如下：
　　 1、C4A3S-熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)及形成過(guò)程研究
　　 C4A3S-是含C4A3S-礦物硅酸鹽水泥熟料中主要礦物組分之一，它具有水化快，早期強(qiáng)度高等特性，因此，本文對(duì)C4A3S-的物理化學(xué)特性進(jìn)行了研究，提出了C4A3S-的熱力學(xué)參數(shù)，

4、建立了C4A3S-形成動(dòng)力學(xué)和分解動(dòng)力學(xué)模型，分別為F(α)=1-(1-α)1/3= Kt和F(α)=ln(1-α)=-Kt，其形成和分解的活化能分別為198.01 kJ·mol-1和449.78 kJ·mol-1。提出了C4A3S-礦物是通過(guò)三種不同的途徑形成，其反應(yīng)方程式如下：
　　 2、含C4A3S-礦物硅酸鹽水泥熟料制備中KH與摻雜的優(yōu)選
　　 根據(jù)含C4A3S-礦物硅酸鹽水泥熟料相組成設(shè)計(jì)：C4A3S-含量3.

5、0％以上，C3S含量60.0％以上，以及生料中SO3含量2.0％左右、Al2O3含量3.5～3.8％的要求配置了KH值分別為0.92、0.96和0.98的生料作為基準(zhǔn)試樣。在基準(zhǔn)試樣中摻入不同摻雜物質(zhì)(CuO、ZnO、BaCO3、MnO2、Li2CO3和P2O5)及摻入量作為摻雜試樣。在1300℃、1350℃和1400℃，保溫30min的煅燒條件下，研究了摻雜對(duì)含C4A3S-礦物硅酸鹽水泥熟料燒成的影響。研究結(jié)果表明，在1300℃煅燒溫

6、度條件下，在KH值為0.96的基準(zhǔn)試樣中摻0.1％ CuO、0.3％CuO、0.5％CuO、0.1％BaO、0.1％ MnO2和1.0％ZnO能降低熟料中f-CaO含量至2.0％以下，使C4A3S-與C3S共存于同一體系中。
　　 3、含C4A3S-礦物硅酸鹽水泥熟料形成過(guò)程研究及C4A3S-與C3S共存溫度范圍的確定
　　 采用XRD、DSC-TG和QXRD等分析方法系統(tǒng)研究了含C4A3S-礦物硅酸鹽水泥熟料形成過(guò)程，

7、測(cè)定了不同煅燒溫度下各試樣中C4A3S-與C3S含量，闡明了含C4A3S-礦物硅酸鹽水泥熟料煅燒過(guò)程中進(jìn)行的物理化學(xué)反應(yīng)，拓寬了含C4A3S-礦物硅酸鹽水泥熟料中C4A3S-與C3S兩相的共存溫度范圍。研究結(jié)果表明，KH值為0.96的基準(zhǔn)試樣中3.0％以上的C4A3S-與40.0％以上的C3S共存溫度范圍為1295℃～1320℃。摻1.0％ZnO試樣中兩相共存溫度范圍是1235℃～1305℃；摻0.1％ MnO2試樣中兩相共存溫度范圍1

8、245℃～1327℃；摻0.1％ BaO試樣中兩相共存于1234℃～1317℃；摻0.1％CuO試樣中兩相共存于1250℃～1317℃；而摻0.5％CuO的試樣中兩相共存于1200℃～1305℃。
　　 在生料中外摻0.1％CuO、0.5％CuO、0.1％ MnO2或1.0％ZnO，在1300℃煅燒溫度下可制備符合設(shè)計(jì)礦相組成的熟料(C4A3S-含量3.0％以上，C3S含量60.0％以上)，尤其是在摻0.5％CuO或0.1％Mn

9、O2試樣兩相的共存溫度范圍分別為1275℃～1305℃和1288℃～1327℃。
　　 4、含C4A3S-礦物硅酸鹽水泥熟料中Fe2O3-Al2O3-SO3匹配研究
　　 含C4A3S-礦物硅酸鹽水泥熟料煅燒過(guò)程中Fe2O3與Al2O3發(fā)生反應(yīng)生成鐵鋁酸鹽，從而影響熟料中C4A3S-的形成。而工業(yè)生產(chǎn)上原料中Fe2O3含量波動(dòng)較大，必然會(huì)對(duì)熟料的相平衡產(chǎn)生影響，因此，本文對(duì)水泥生料中Fe2O3-Al2O3-SO3匹配對(duì)含

10、C4A3S-礦物硅酸鹽水泥熟料相平衡的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，生料中Fe2O3含量的提高能顯著改善水泥生料的易燒性，當(dāng)Fe2O3含量提高到2.20％以上，在1300℃煅燒溫度條件下，熟料中f-CaO含量降至2.0％以下，促進(jìn)相同煅燒溫度條件下C3S含量的提高。
　　 Fe2O3含量的提高，生料(A-0.64F)/S-值下降，熟料中C4A3S-含量減少。當(dāng)(A-0.64F)/S-為0.61時(shí)，熟料煅燒過(guò)程中C4A3S-礦物沒

11、有形成。主要是因?yàn)樯现蠥l2O3和SO3含量不變的前提下，F(xiàn)e2O3含量的增加，鐵鋁酸鹽的形成量增加，減少了參與形成C4A3S-礦物的Al2O3含量，從而阻礙了C4A3S-礦物的形成。因此，為了兼顧含C4A3S-礦物硅酸鹽水泥熟料體系中適量C4A3S-和C3S的大量形成，生料中Fe2O3的含量應(yīng)大于2.20％，同時(shí)(A-0.64F)/S-值高于0.61。
　　 本研究的創(chuàng)新點(diǎn)：(1)首次提出C4A3S-的化學(xué)定量分析方法，采用

12、該方法能分別定量分析游離石膏和C4A3S-的含量：(2)通過(guò)摻雜適量ZnO、BaO、MnO2或CuO可使熟料中C4A3S-和C3S兩相的共存溫度范圍由原來(lái)的1295～1320℃擴(kuò)大為1200～1305℃；(3)在1300℃煅燒溫度條件下通過(guò)適量摻雜制備了C3S含量在60％以上，C4A3S-含量在3.0％以上的硅酸鹽水泥熟料；(4)提出了在制備C3S含量大于60％的含C4A3S-礦物硅酸鹽水泥熟料時(shí)，生料中Fe2O3含量應(yīng)大于2.20％，