贝利特—硫铝酸钡钙水泥熟料形成机制及形成动力学

摘要

贝利特-硫铝酸钡钙水泥是一种新型胶凝材料。与传统硅酸盐水泥相比，水化产物中Ca(OH)2含成量低，耐久性好;体积稳定性好;长期稳定增长;水泥水化热较低;同时该水泥烧成温度低，能耗低，可使用热值低的燃料;水泥熟料的石灰饱和系数低，可使用低品质石灰石。为了有效控制该新型水泥熟料的生产工艺，调控熟料体系的矿相组成和性能，必须研究该新型水泥熟料体系中熟料矿相的形成机制及形成动力学。本文系统研究和分析了该水泥熟料矿相形成机制，建立该水泥熟料体系的形成动力学模型，为工程应用提供理论和技术指导。主要结论如下:
　　BaO、BaSO4和CaF2均能够促进贝利特矿物的形成，其晶型主要为β-C2S和γ-C2S，对稳定β-C2S有重要作用;当BaSO4和BaO掺量分别为3.0％和5.0％时，还能形成少量高水化活性α'-C2S;纯贝利特矿物的形成活化能为206kJ·mol-1，掺杂0.6％CaF2后形成活化能降为164kJ·mol-1，因此，少量CaF2可降低贝利特矿物形成势垒。
　　当煅烧温度为1450℃时，掺杂BaSO4后阿利特主要晶型为M3-C3S，且存在少量的T3-C3S、R3-C3S和T1-C3S;随着BaSO4掺量的增加，试样中阿利特矿物含量降低，表明BaSO4不利于阿利特矿物形成。CaF2能够促进阿利特矿物的形成，当煅烧温度为1380℃时，阿利特主要晶型为M3-C3S、T3-C3S和R3-C3S;随着CaF2掺量的增加，M3-C3S含量增加，T3-C3S和R3-C3S含量变化不大。
　　C2.75B1.25A3(S)矿物开始形成的温度为1100℃，大量形成温度为1350℃，分解温度为1370℃。其形成的化学反应方程为:11/4CA+BaSO4+1/4Al2O3+1/4BaO→C2.75B1.25A3(S)11/48C12A7+BaSO4+67/48Al2O3+1/4BaO→C2.75B1.25A3(S)1/4CaO+BaSO4+3Al2O3+1/4BaO→C2.75B1.25A3(S)11/48C12A7+BaSO4+1/4BA+55/48Al2O3→C2.75B1.25A3(S)C2.75B1.25A3(S)矿物的形成受扩散机制的控制，符合的动力学模型为:D4=1-2α/3-(1-α)2/3。在1100-1300℃温度范围内，C2.75B1.25A3(S)矿物形成的反应活化能为227.5kJ·mol-1;在1300-1380℃温度范围内，C2.75B1.25A3(S)矿物形成的反应活化能为175.9kJ· mol-1。C2.75B1.25A3(S)矿物的分解受界面化学反应的控制，符合的动力学模型为:R2=1-(1-α)1/3，分解活化能为449.78 kJ·mol-1;主要分解产物为C3A、BA和SO3。
　　在C2S-C2.75B1.25A3(S)系统中，钡、硫元素的存在使贝利特矿物的形成得到促进，其晶型主要为β-C2S;在1300-1350℃的温度范围内，贝利特矿物的存在为C2.75B1.25A3(S)矿物的形成提供了表面，降低了C2.75B1.25A3(S)矿物的形核势垒，促进了该矿物的大量形成，而且使其在高温阶段分解受到抑制。在C3A/C4AF-C2.75B1.25A3(S)系统中，当煅烧温度为1350℃和1380℃时，高铁含量的中间相能够促进C2.75B1.25A3(S)矿物的形成，当中间相含量为16％时，能够促进C2.75B1.25A3(S)矿物的形成;此外，中间相粘度和含量对C2.75B1.25A3(S)矿物的生长发育有重要影响。
　　在水泥熟料中，MgO能够促进f-CaO的吸收，促进阿利特矿物和白色中间相的形成。当煅烧温度为1380℃，并且MgO掺量为1.0％时，贝利特矿物有分解的迹象，此时形成的阿利特矿物尺寸较小;当MgO掺量为3.0％-5.0％时，阿利特矿物的尺寸不均匀，且存在大尺寸矿物;当MgO掺量为7.0％时，贝利特-硫铝酸钡钙水泥熟料的安定性不良，这主要是因为形成了MgO矿巢。CaF2能够很好地促进水泥熟料形成，水泥熟料的形成符合的动力学模型为D4=1-2α/3-(1-α)2/3，掺杂0.6％CaF2的水泥熟料的形成活化能为195kJ·mol-1，比未掺水泥熟料形成活化能(250kJ·mol-1)降低了55 kJ·mol-1。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题目的及意义

1．2 国内外研究动态

1．2．1 硫铝酸盐矿物对水泥熟料煅烧和性能的影响

1．2．2 水泥熟料矿物形成动力学

1．3 主要实验内容

1．4 实验方案设计

第二章 原料和实验方法

2．1 实验原料

2．2 实验方法

2．2．1 配料计算

2．2．2 实验方法

2．2．3 测试方法

第三章 贝利特矿物形成机制及动力学

3．1 BaO对贝利特矿物形成机制的影响

3．1．1 f-CaO含量分析

3．1．2 XRD分析

3．1．3 红外光谱分析

3．1．4 Rietveld定量相分析

3．2 BaSO4对贝利特矿物形成机制的影响

3．2．1 f-CaO含量分析

3．2．2 XRD分析

3．2．3 红外光谱分析

3．2．4 DSC-TG分析

3．2．5 Rietveld定量相分析

3．3 CaF2对贝利特矿物形成机制的影响

3．3．1 f-CaO含量分析

3．3．2 XRD分析

3．3．3 红外光谱分析

3．3．4 DSC-TG分析

3．3．5 SEM分析

3．4 CaF2对贝利特矿物形成动力学的影响

3．4．1 贝利特矿物的转化率

3．4．2 动力学模型

3．4．3 贝利特矿物形成活化能

3．5 本章小结

第四章 阿利特矿物形成机制

4．1 BaSO4对阿利特矿物形成机制的影响

4．1．1 f-CaO含量分析

4．1．2 XRD分析

4．1．3 红外光谱分析

4．1．4 Rietveld定量相分析

4．2 CaF2对阿利特矿物形成机制的影响

4．2．1 f-CaO含量分析

4．2．2 XRD分析

4．2．3 红外光谱分析

4．2．4 Rietveld定量相分析

4．3 本章小结

第五章 硫铝酸钡钙矿物形成、分解机制及动力学

5．1 硫铝酸钡钙矿物形成机制

5．1．1 XRD分析

5．1．2 红外光谱分析

5．1．3 DSC-TG分析

5．1．4 硫铝酸钡钙矿物形成反应方程

5．1．5 SEM-EDS分析

5．2 硫铝酸钡钙矿物的形成动力学

5．2．1 硫铝酸钡钙矿物的转化率

5．2．2 硫铝酸钡钙矿物形成动力学模型

5．2．3 硫铝酸钡钙矿物形成活化能

5．2．4 动力学参数分析

5．3 硫铝酸钡钙矿物分解机制

5．3．1 硫铝酸钡钙矿物的制备

5．3．2 硫铝酸钡钙矿物的分解

5．4 硫铝酸钡钙矿物分解动力学

5．4．1 硫铝酸钡钙矿物的分解率

5．4．2 硫铝酸钡钙矿物分解动力学模型

5．4．3 硫铝酸钡钙矿物分解活化能

5．5 本章小结

第六章 C2S／中间相对C2．75B1．25A3(-S)矿物形成的影响

6．1 C2S对C2．75B1．25A3(-S)矿物形成的影响

6．1．1 实验方法

6．1．2 矿物转化率分析

6．1．3 XRD分析

6．1．4 红外光谱分析

6．1．5 DSC分析

6．1．6 SEM-EDS分析

6．1．7 矿物形成机理分析

6．1．8 ESEM分析

6．2 中间相对硫铝酸钡钙矿物形成的影响

6．2．1 试样外观观察分析

6．2．2 XRD分析

6．2．3 SEM-EDS分析

6．2．4 RIR定量相分析

6．2．5 岩相分析

6．3 中间相含量对硫铝酸钡钙矿物形成的影响

6．3．1 试样外观观察分析

6．3．2 XRD分析

6．3．3 RIR定量相分析

6．3．4 岩相分析

6．4 本章小结

第七章 贝利特-硫铝酸钡钙水泥熟料形成机制及形成动力学

7．1 MgO对贝利特-硫铝酸钡钙水泥熟料形成机制的影响

7．1．1 f-CaO含量分析

7．1．2 XRD分析

7．1．3 Rietveld定量相分析

7．1．4 岩相分析

7．2 水泥熟料形成动力学

7．2．1 熟料转化率

7．2．2 水泥熟料形成动力学模型

7．2．3 活化能

7．3 本章小结

第八章 结论与展望

参考文献

致谢

附录