1、含硫铝酸盐的高胶凝性硅酸盐水泥熟料体系的研究学生：唐晶晶张 亚楠目录 概述 硫铝酸 钙和硫铝酸钡钙单矿物的研究 掺加 杂质对含硫铝酸盐硅酸盐水泥熟料烧成的影响 含硫铝酸 盐硅酸盐水泥熟料的组成设计和杂质影响 含硫铝酸 盐矿物的硅酸盐水泥的特性 含硫铝酸 盐硅酸盐水泥对粉煤灰的激发作用及机理 研究 的主要结论概述含硫铝酸盐矿物硅酸盐水泥熟料在水泥 熟料中引入非硅酸盐类高胶凝性矿物（如：硫铝酸钙 C4A3S或硫铝酸钡钙），取代或部分取代硅酸盐水泥熟料中 C3A，形成新的高胶凝性熟料矿相体系：含硫铝酸盐硅酸盐水泥熟料，或称阿利特 -硫铝酸盐水泥熟料，以获得能够用于高性能水泥制备的高胶凝性熟料。该水泥
2、 熟料的主要矿物是硅酸三钙、硅酸二钙、无水硫铝酸钙。？ 含硫铝酸盐矿物硅酸盐水泥熟料具有传统硅酸盐水泥的特性、硫铝酸盐水泥的快速水化和硬化的性质，同时还具有早强和硬化时体积收缩小的性能，对混合材尤其是粉煤灰具有超强激发作用。该熟料形成温度低、烧成热耗降低 10%以上。熟料 3d抗压强度可明显提高， 28d可以保持很高的抗压强度。这一研究已经向国内多家企业成功进行转化，取得了良好的效果。 当前制备 硫铝酸盐矿物硅酸盐水泥 熟料最关键的科学技术问题是：硫铝酸钙与 C3A两者的共存温度范围较窄，扩大两者的共存温度范围是该熟料的主要研究热点。硫铝酸钙和硫铝酸钡钙单矿物的研究 硫铝酸钙的形成动力学C4A
3、3S矿物的形成反应是固 -固相反应，由于固相反应涉及相界面的化学反应和物质的传输，因此，反应的化学组成、结构状态以及温度、压力等影响晶格活化和物质传递的因素均会影响反应过程，故反应速率受到诸多因素的影响。研究表明 C4A3S形成过程是由界面化学反应机制控制且符合 F（ ） =1-（ 1-） 1/3 =Kt方程动力学关系的lnk=1/T关系曲线。 硫铝酸钡钙单矿物的特性按 3:3:1的比例合成硫铝酸钡钙矿物，其晶体尺寸多为 6080um ，晶体外形是菱形十二面体，属立方体心格子构造。矿物分解温度较高，为含硫铝酸盐硅酸盐水泥的制备提供了有利的煅烧条件，有利于扩大阿利特和硫铝酸盐共存温度范围。硫铝酸
4、钡钙矿物具有突出的快硬早强特性 。 CaF2对硫铝酸钡钙矿物形成机制的影响 在适量的 CaF2的作用 下， 在 1000 时可少量 形成硫铝酸钡钙 矿物 ；1200 时，随着 CaF2掺量的增加矿物的特征峰对应的晶面间距 d增大；1300 时，矿物衍射强度继续增大， CaF2掺量为1.5%时 d值达到最大；1350 时，无 CaF2的样品中物相主要是硫铝酸钡钙矿物，在 CaF2存在的样品中生成少量 C11A7 CaF2 ； 1400 保温 2h，硫铝酸钡钙矿物缓慢分解 。掺加杂质对含硫铝酸盐硅酸盐水泥熟料烧成的影响 研究表明，掺加萤石、硫酸钡、钢渣、 CuO、 ZnO、Fe2O3都会对含硫铝酸
5、盐硅酸盐水泥熟料烧成造成影响。 熟料中 CaF2有其适用的范围， CaF2过高时会影响熟料强度；生料中硫酸钡过多对水泥强度发展不利； 少量的 CuO或 ZnO可促进熟料中 f-CaO的吸收，明显改善含硫铝酸盐硅酸盐水泥生料的易烧性，促进含硫铝酸盐硅酸盐水泥熟料的形成。随着 CuO、 ZnO含量的增加，熟料块的颜色加深，呈灰黑色，说明液相量增多，试样致密，体积收缩大。 增加 Fe2O3 ，可降低液相的形成温度，增加液相量，进而促进 C3S矿物的形成，但在温度一定时，随着 Fe2O3含量的增加硫铝酸盐矿物含量降低，因此，在工业上生产含硫铝酸盐硅酸盐水泥熟料时，应严格控制生料中 Fe2O3的含量。含
6、硫铝酸盐硅酸盐水泥熟料的组成设计和杂质影响 组成设计利用正交试验方案，借助于反应标准吉布斯自由能的分析，结合试验研究，并考虑煅烧过程中动力学因素的影响，找出最佳组成关系。 SO3、 BaO及 CaF2对熟料煅烧和性能的影响研究表明， SO3和 BaO的适宜过掺量值是理论含量的 50%，此时的熟料具有较好的力学性能。熟料中硫铝酸钡钙矿物的衍射峰较为规则，形成量增加； CaF2在体系中适宜掺量是 0.6%；在 SO3 、 BaO及CaF2适宜掺量条件下，制备的含硫铝酸盐硅酸盐水泥净浆的 1d抗压强度超过 27MPa,3d和 28d抗压强度分别达到 70MPa和 119MPa，展现出良好的早期强度，
7、且后期强度稳定增长。含硫铝酸盐矿物的硅酸盐水泥的特性含硫铝酸盐硅酸盐水泥性能 含硫铝酸盐的熟料有利于粉煤灰水泥强度的发挥。 石灰石的存在与否，矿渣、粉煤灰的掺入对水泥的影响趋势是一致的，即该熟料与粉煤灰的相容性优于矿渣，尤其是在有石灰石存在的条件下粉煤灰对水泥 28d抗折强度的作用更为明显。 含硫铝酸盐硅酸盐水泥的水化特性粉煤灰在含硫铝酸盐硅酸盐水泥体系中表现的反应活性大于矿渣，即含硫铝酸盐硅酸盐水泥对粉煤灰的激发作用强于对矿渣的激发作用。 另外，研究还发现水化程度或水化速率含 硫铝酸盐高 钙粉煤灰水泥含硫铝酸盐 普通粉煤灰水泥含硫铝酸盐硅酸盐水泥含硫铝酸盐硅酸盐水泥水化特征及浆体组成、结构与
8、性能 随石膏掺量的增加，水化浆体的水化程度先增加后降低，相对于石膏掺量对水化程度的影响，水灰比对水化程度的影响较小。 石膏 能 促进水化硬化速度促使钙矾石在早期大量形成，但过多时不利于 C-S-H凝胶量的增加 。含硫铝酸盐硅酸盐水泥对粉煤灰的激发作用及机理C4A3S对粉煤灰的激发作用 加入后 C4A3S粉煤灰与氢氧化钙的火山灰反应进行程度大于矿渣与氢氧化钙的火山灰反应进行程度，即， C4A3S能激发粉煤灰的水硬活性。含硫铝酸盐硅酸盐水泥对粉煤灰激发机理 粉煤灰结构致密 ,化学性质稳定 ,活性发挥速度缓慢 ,导致粉煤灰水泥的早期强度低 ,大大限制了粉煤灰在水泥中的应用。 对粉煤灰的化学活化激发的
9、措施有两种：碱激发，硫酸盐激发。硫酸盐激发就是硫酸根与溶液中的 AlO2-、 Ca2+作用生成 AFt，破坏溶液中AlO2-的浓度平衡，加速粉煤灰玻璃体中活性 Al2O3的 溶出，使粉煤灰玻璃体解聚速度加快。C4A3S对粉煤灰的激发 作用 加入后 C4A3S粉煤灰 与氢氧化钙的火山灰反应进行程度大于矿渣与氢氧化钙的火山灰反应进行程度，即 ， C4A3S能激发粉煤灰的水硬活性。含硫铝酸盐硅酸盐水泥对粉煤灰激发机理 粉煤灰结构致密 ,化学性质稳定 ,活性发挥速度缓慢 ,导致粉煤灰水泥的早期强度低 ,大大限制了粉煤灰在水泥中的应用。 对粉煤灰的化学活化激发的措施有两种：碱激发，硫酸盐激发。硫酸盐激发
10、就是硫酸根与溶液中的 AlO2-、 Ca2+作用生成 AFt，破坏溶液中 AlO2-的浓度平衡，加速粉煤灰玻璃体中活性 AlO2O3的溶出，使粉煤灰玻璃体解聚速度加快。含 硫铝酸盐硅酸盐水泥对粉煤灰激发 机理 粉煤灰结构致密 ,化学性质稳定 ,活性发挥速度缓慢 ,导致粉煤灰水泥的早期强度低 ,大大限制了粉煤灰在水泥中的应用。 对粉煤灰的化学活化激发的措施有两种：碱激发，硫酸盐激发。硫酸盐激发就是硫酸根与溶液中的 AlO2-、 Ca2+作用生成 AFt，破坏溶液中 AlO2-的浓度平衡，加速粉煤灰玻璃体中活性 AlO2O3的溶出，使粉煤灰玻璃体解聚速度加快。 掺加粉煤灰的含硫铝酸盐硅酸盐水泥 (
11、F)和掺加矿渣的含硫铝酸盐硅酸盐水泥 (K)的不同水化龄期的 XRD图：图 2-27-29 F的 AFt衍射峰强度大于 K中 AFt衍射峰强度 ,说明 F中生成 AFt的数量大于 K 从水化产物氢氧化钙的衍射峰强度看 ,K的氢氧化钙的衍射峰强度高于 F,说明 F中玻璃体解聚消耗的氢氧化钙的数量比 K多。 掺加粉煤灰的含硫铝酸盐硅酸盐水泥 (F)和掺加矿渣的含硫铝酸盐硅酸盐水泥 (K)的不同水化龄期的差热曲线和热重曲线： 图 2-30-33 在吸热峰范围内， F的失重大于 K的失重，说明 F中生成的 C-S-H凝胶和 AFt数量多于 K， F的氢氧化钙含量少于 K，说明 F的水化产物始终多于 K
12、的水化产物， F的水化程度大于 K的水化程度。 用扫描电镜观察水泥净浆在不同龄期的表观形貌 ,看到 在水化 1天时 ,粉煤灰 颗粒表面覆盖了很多水化产物 ,而矿渣却很少 ,3天时 F中出现了大量的发育良好的针状物质 ,矿渣 周围的水化 产物较少。 分析， C4A3S矿物很快水化，促进水泥熟料水化。粉煤灰中活性氧化铝含量比矿渣高，氧化铝溶出量较多，浓度高， F中的 AFt很快饱和并结晶， AlO2-浓度下降，粉煤灰玻璃体进一步解聚。 28天使粉煤灰玻璃体表面覆盖了厚厚的水化产物，但是矿渣的水化产物极易与之剥离，故 F的强度高于 K的强度。 含 硫铝酸盐硅酸盐水泥水化过程中硅铝 聚合度在 OH-、
13、 SO42-作用下，粉煤灰玻璃体中 Si-O键、 Al-O键断裂，很快溶出 H3SiO4-、 AlO2-。在充足的 Ca2+存在条件下，进一步相互作用生成 C-S-H、 AFt等胶凝性良好的水化产物，降低了粉煤灰玻璃网络周围H3SiO4-、 AlO2-浓度，促进这些离子的进一步溶出，加快了粉煤灰玻璃体的解聚速率，从而增加了含硫铝酸盐粉煤灰水泥的早期强度。研究的主要结论1.掺杂质对含硫铝酸盐硅酸盐水泥熟料形成和矿物共存有明显影响 :生料中掺入 CuO或 ZnO可降低 C3S的形成温度，促进 C3S在低温下的大量生成，从而扩大两者的共存温度范围。2.硫铝酸钡钙矿物与硅酸盐水泥熟料矿相体系能够复合和
14、共存， 这为高 胶凝性含硫铝酸盐硅酸盐水泥的合成奠定了基础。3.组成为 C2.75B1.25A3S的硫铝酸钡钙矿物具有突出的快硬早强的特性。4. 不同来源的含硫铝酸盐硅酸盐水泥熟料均显示出掺粉煤灰的水泥强度高于矿渣水泥的强度，表明该种熟料与粉煤灰的相容性很好，有激发粉煤灰活性的作用，使得粉煤灰的表观活性高于矿渣的活性。5. 在含硫铝酸盐硅酸盐水泥中粉煤灰活性大于矿渣活性在于含硫铝酸盐粉煤灰的水化放热量大，体系温度高于含硫铝酸盐矿渣水泥，而粉煤灰玻璃体解聚速率对温度的敏感程度大于矿渣玻璃体并且含硫铝酸盐粉煤灰水泥中化学环境也有利于 AFt形成。所以这些都有利于粉煤灰玻璃体中 AlO2-的溶出，故在较高温度下，粉煤灰玻璃体网络结构被激活，解聚速率加快。谢谢谢谢 大家！大家！
