利用低品位原料合成贝利特-硫铝酸钡钙水泥

摘要

随着国家对基础设施建设和建筑工程质量要求的不断提高，以及国际社会对节能减排和环境保护的关注程度不断增加，传统硅酸盐水泥的缺点和不足日益突显。满足现代建设工程对水泥的多功能、高性能的要求，并达到节约能源、节约资源、保护环境的目的，是水泥工业的发展目标。贝利特-硫铝酸钡钙水泥是一种新型胶凝材料，具有节能降耗、强度高和耐久性好的特点。本文主要研究应用低品位原料和工业废渣合成具有高早强节能型的贝利特-硫铝酸钡钙水泥，并研究了其工艺条件、MgO等微量组分的影响及水化硬化机制，结合XRD、SEM-EDS、水化热分析和岩相等测试手段对该水泥熟料及其硬化水泥浆体组成、结构进行了分析。主要结论如下：
　　 MgO对水泥的烧成具有重要影响。在煅烧贝利特-硫铝酸钡钙水泥熟料时加入少量MgO，可以促进C3S在低温下形成，当MgO含量少于3％时可促进f-CaO的吸收。Mg2+固溶于C2S中，可提高C2S晶型的稳定性，使C2S保持高活性，且C2S的水化速度加快，早期力学性能明显提高。SO3对该水泥的煅烧也有重要影响，由于熟料中SO3的存在，降低了液相粘度，易于Mg2+在液相中扩散，有助于MgO在贝利特-硫铝酸钡钙水泥熟料中的固溶。
　　 贝利特-硫铝酸钡钙水泥熟料能容纳较多的MgO而不影响安定性。贝利特-硫铝酸钡钙水泥熟料的适宜烧成温度为1380℃，由于烧成温度下降，MgO的过烧程度降低，减小了MgO对水泥硬化浆体安定性的危害程度。所以，贝利特-硫铝酸钡钙水泥具有较高的容纳氧化镁的能力。当熟料中氧化镁含量达5.14％时，水泥的安定性依然较好，其阿利特和贝利特矿物结晶较为规则，包裹物较少，且3d,28d,90d的抗压强度分别达到49.1MPa，81.9MPa,83.7MPa，展现了良好的力学性能。因此，可用高镁石灰石生产贝利特-硫铝酸钡钙水泥。
　　 可应用低钙高硅的石灰石生产贝利特-硫铝酸钡钙水泥。该水泥的最佳组成设计为：硅酸盐水泥含量为91％，C2.75B1.25A3(?)含量为9％。与之复合的硅酸盐水泥熟料的最佳率值：石灰石饱和系数为0.81，铝率为1.3，硅率为3.1。在煅烧温度为1380℃和最佳组成的条件下制备贝利特-硫铝酸钡钙水泥熟料，其贝利特矿物呈卵粒状，结晶程度较好，晶体尺寸范围在20-35μm，阿利特矿物多为长柱状、六角板状，轮廓清晰完整，晶体尺寸范围在30-50μm，发育良好。该水泥的3d和28d抗压强度分别达到41.5MPa和84.8MPa，力学性能良好。
　　 同时，可用页岩代替部分粘土制备贝利特-硫铝酸钡钙水泥。页岩可改善生料的易烧性，有利于水泥矿物的形成。页岩比例增加时，贝利特-硫铝酸钡钙水泥熟料C3S的含量增加，且阿利特晶体轮廓清晰完整，水泥早期强度提高。反之，熟料中C2S含量提高，水泥后期强度增加。这是由于页岩结晶程度差，煅烧所需热量低，有利于固相反应。而粘土结晶程度较好，其易烧性比页岩低，不利于C3S的形成。
　　 由于低品位原料含有较多的MgO等微量元素或具有易烧性，改善了该水泥熟料的形成状况及晶型结构，提高了矿物的水化活性，水化速度加快。水化3d时，针柱状AFt晶体相互交织，和Ca(OH)2构筑成水泥石骨架，早期强度明显提高。水化14d时，该水泥强度就超过或接近同龄期的硅酸盐水泥。水化28d时，C-S-H凝胶大量出现，呈花朵状，与AFt和Ca(OH)2等晶体相互胶结，使硬化浆体结构更为密实。