C3S2低钙熟料的组成及性能研究

摘要

硅酸盐水泥作为重要的基础原材料，生产过程中存在高能耗和高废气排放两大问题，其根本原因在于水泥熟料本身的高钙矿物组分设计。因此，进行低钙熟料的配比设计与煅烧制备及相应的碳化硬化探究，是解决问题的理想途径之一。本文在纯硅酸盐体系矿物相结构和纯C3S2（3CaO·2SiO2）矿物制备和碳化养护的基础上，设计和烧成了一种以C3S2为主的熟料，重点探讨了C3S2的形成过程，并通过碳化养护为其提供了良好的力学性能。 低钙熟料的原材料包括：石灰石，砂岩，粘土和铁矾土，结合CaO-SiO2-Al2O3三元相图和Bogue法进行熟料矿物组成设计，进行了烧成试验。首先验证了固相反应无法烧成CS（CaO·SiO2）相。试验结果表明：低SM率值有利于熟料中的液相生成，同时烧成产物的易烧性良好。选择高IM率值生料进行煅烧试验，可有效改善熟料的自粉化和易烧性。低C/S率值熟料的易烧性良好，但自粉化较差，而高 C/S 率值则相反。最终确定了以 C3S2为主，C2S（2CaO·SiO2）和 C2AS （2CaO·Al2O3·2SiO2）为辅的熟料，其最佳化学组分范围为55-57％CaO，37-39％SiO2，4-8％Al2O3，对应的最佳矿物组成范围64-88％C3S2，0-24％C2S，11-21％C2AS。此时，C3S2低钙熟料的最佳煅烧制度为 900℃下保温 30min，1260-1320℃下烧结 90min，熟料的游离氧化钙含量在 0.8-1.3％之间，且易烧性良好。中试结果表明，1250-1350℃范围内，在回转窑内通过 21min 煅烧可得到目标熟料，其邦德功指数为10.37 kWh/t，该熟料无需破碎且易磨性良好。通过CO2减排和节能分析，C3S2熟料相比普通硅酸盐水泥熟料CO2排放量可降低约18％，理论热耗可降低约7.5％，粉磨电耗可降低约67％。 采用碳化养护对 C3S2熟料砂浆试块进行硬化处理。结果表明，力学强度随碳化时间的延长而增长，但强度增长速率随时间延长却呈现降低趋势。SEM 分析表明，CaCO3晶体主要呈长方棱柱状，从 C3S2基体中生长出来，覆盖在基体表面，并交错堆积在试块的孔隙中，同时在熟料内部核心部分逐渐产生以SiO2为主要成分的富硅体。碳化过程中，CaCO3晶体的物理堆积联结，晶体和硅凝胶对孔隙的填充和坚实的富硅体，为试块提供了宏观力学强度。

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