含无水硫铝酸钙矿物材料制备技术研究

摘要

目前我国水泥工业粗放式的发展模式使我国能源、资源、环境不堪重负，迫切的需要自身降低能耗的同时，大量消纳其它工业废弃物，向绿色高性能化方向发展。国家“973”项目取得的阶段性成果表明，C4A3 单矿物及含C4A3 的硅酸盐水泥能够很好的激发矿渣、粉煤灰的活性，尤其对以往认为活性低于矿渣的粉煤灰的活性有很好的激发作用。本文对作为生产高掺量复合辅助性胶凝材料激发剂的含C4A3 矿物的材料，及其在水泥和混凝土中的应用，进行了一些技术研究，力图为工业生产该材料提供一些工艺参数。 本文首先研究出了一种定量分析C4A3 含量的新方法，称之为化学法并建立了该法的标准方法，解决了长期以来工业生产中无法及时准确测定C4A3 矿物含量的问题。化学法具有快速、准确、可靠的特点，并且仪器费用低廉，操作简便，是本文研究的基础。 本文分别用粉煤灰和铝矾土作为铝质原料制备含C4A3 矿物材料。当粉煤灰作为铝质原料时，除了C4A3 矿物不考虑其它矿物的形成，即在非平衡状态下配料，制备的含C4A3 矿物材料中C4A3 含量不到5％，XRD分析表明钙长石（Ca2Si2Al2O8）的大量存在影响了C4A3 的大量生成。另一种配料原则用碱度系数（Cm）和铝硫比（P）两个率值来控制配料，在1300℃煅烧，保温0.5h，制备出C4A3 含量最高可达17.33％的材料。材料的SEM分析结果表明该温度下，C4A3 均匀成核，晶体发育完整。以铝矾土作为为原料制备含C4A3 矿物的材料，将Cm、P、煅烧温度(T)作为3个不同的因素，进行了两次正交试验，得出最优配方Cm＝0.95，P＝3.06，煅烧温度为1300℃，经定量分析C4A3 含量最高，为67.08％，SEM分析表明C4A3 晶体大小均一，发育完整，多为六方板状或柱状。 将含C4A3 矿物材料作为辅助性胶凝材料激发剂掺入水泥混凝土中，通过测定水泥混凝土强度、净浆中的Ca(OH)2含量和XRD、孔结构分析等手段研究了含C4A3 矿物材料对水泥混凝土性能及辅助性胶凝材料的活性激发的影响。研究表明用铝矾土制备的含C4A3 矿物材料(LS)能大大提高混凝土强度，激发钢渣活性，用粉煤灰制备的含C4A3 矿物材料(FS)能略微增强钢渣水泥强度，激发钢渣活性。 本文还对掺有CaF2、CuO、Li2O、TiO2、ZnO等杂质的C4A3 进行了研究，考察掺杂对C4A3 形成的影响。DSC/TG分析和C4A3 含量测定发现掺入以上杂质都能降低碳酸钙的分解活化能和C4A3 大量形成的温度。尤其是掺入0.5％的CaF2的效果最为显著，不仅使碳酸钙的分解活化能降低23.32KJ/mol，还使C4A3 大量形成的温度降低150℃，XRD进一步分析发现，CaF2的掺入不改变C4A3 的形成过程，C4A3 形成过程的中间产物为CaO.6Al2O3和CaO.2Al2O3而不是CaO.Al2O3。IR分析结果表明掺CuO使C4A3 晶格发生畸变，掺CaF2使C4A3 晶体发育更完整，对称性增强。