（材料学专业论文）阿利特硫铝酸锶钙水泥制备技术的研究.pdf

l - s t u d y o np r e p a r a t i o no fa l i t e - - s t r o n t i u mc a l c i u m s u l p h o a l u m i n a t ec e m e n t b y l iq i u y i n g u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f l ul i n g c h a o at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y2 8 ，2 0 1 1 i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：垒羞苤薹 日 期：论文作者签名：釜查叁差 日 期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 出开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：叠趑芸导师签名日期：监凡1 日 l 一 济南人学硕 ：学仃论文 目录 摘要v a b s t r a c t v i i 第一章绪论1 1 1 选题的目的意义1 1 2 国内外研究状态2 1 2 1 含钡硫铝酸盐水泥及含锶硫铝酸盐水泥2 1 2 2 阿利特硫铝酸钡钙水泥6 1 2 3 贝利特硫铝酸钡钙水泥7 1 2 4 阿利特硫铝酸锶钙水泥8 1 3 主要实验内容9 1 4 实验方案设计。9 第二章实验原料与方法1 0 2 1 实验原料。1o 2 2 实验方法。1 0 2 2 1 阿利特硫铝酸锶钙水泥熟料配料计算1o 2 2 2 生料制备。1 1 2 2 3 熟料制备，1 1 2 2 4 水泥制备一1 2 2 2 5 水泥熟料游离氧化钙测定1 2 2 2 6 水泥细度测定1 2 2 2 7 水泥凝结时间及标准稠度用水量测定1 2 2 2 8 成型及养护。1 2 2 2 9 抗压强度测试1 2 2 2 1 0 水泥水化程度测试1 2 2 2 1 l 水化产物组成分析1 2 2 2 1 2 水化产物微观结构分析1 3 阿利特，硫铝睃锶钙水泥制备技术的研究 第三章阿利特一硫铝酸锶钙水泥熟料矿物组成设计研究1 4 3 1 实验方案设计1 4 3 2 实验结果与分析1 5 3 2 1 水泥物理性能。15 3 2 2 熟料的x r d 分析1 6 3 2 3 熟料的s e m e d s 分析1 7 3 2 4 熟料的岩相分析1 9 3 3 本章小结2 l 第四章煅烧温度对阿利特硫铝酸锶钙水泥熟料性能的影响2 2 4 1 实验方案设计2 2 4 2 实验结果与分析2 2 4 2 1 水泥物理性能分析2 2 4 2 2 熟料矿物的x r d 分析2 3 4 2 3 熟料矿物的s e m e d s 分析2 4 4 2 4 熟料矿物的岩相分析2 7 4 3 本章小结2 7 第五章微量元素对阿利特硫铝酸锶钙水泥熟料微观结构和力学性能的影响2 8 5 1s 0 3 过掺量对水泥熟料性能的影响2 8 5 1 1 实验方案与方法2 8 5 1 2 实验结果与分析一2 8 5 2s r o 过掺量对水泥熟料性能的影响3 1 5 2 1 实验方案与方法31 5 2 2 实验结果与分析3 1 5 3c a f 2 掺量对熟料煅烧和性能的影响3 4 5 3 1 实验设计及抗压强度分析3 4 5 3 2 熟料的x r d 分析3 5 5 3 3 熟料的s e m e d s 分析一3 6 5 3 4 熟料的岩相分析3 7 济南大学硕f ：学位论文 蔓蔓曼曼曼曼皇曼曼舅i l lii i i i i i 曼皇皇曼曼曼鼍曼皇皇曼曼 5 4 本章小结3 8 第六章石膏对i j - i i u 特硫铝酸锶钙水泥水化程度和浆体结构的影响3 9 6 1 实验方案3 9 6 2 实验结果与分析3 9 6 2 1 石膏对阿利特一硫铝酸锶钙水泥力学性能的影响3 9 6 2 2 水泥水化程度研究4 0 6 2 3 阿利特硫铝酸锶钙水泥硬化浆体的x r d 分析4 0 6 2 4 阿利特硫铝酸锶钙水泥硬化浆体的s e m 分析4 3 6 3 本章总结4 4 第七章 利用工业原料合成阿利特一硫铝酸锶钙水泥的研究4 5 7 1 实验方案4 5 7 2 实验结果与分析4 6 7 2 1 阿利特硫铝酸锶钙水泥力学性能4 6 7 2 2 阿利特硫铝酸锶钙水泥熟料的x r d 分析4 6 7 2 3 i j - - i * u 特硫铝酸锶钙水泥熟料的s e m 。e d s 分析4 7 7 3 本章小结5 1 第八章结论与展望5 3 参考文献5 5 致谢6 1 附录6 2 i i i 济南大学硕 学位论文 摘要 随着对建筑工程质量要求的不断提高，传统硅酸盐水泥的缺点和不足日益突 显，主要表现在水泥早期强度偏低、煅烧能耗大和环境污染严重。为了提高水泥 性能、节约能源和资源、保护环境，本论文将快硬早强型矿物硫铝酸锶钙引入到 硅酸盐熟料矿物体系中，合成阿利特一硫铝酸锶钙水泥，达到改善硅酸盐水泥性 能的目的。 实验首先采用纯化学试剂为原料，通过调控硫铝酸锶钙矿物的含量，确定硫 铝酸锶钙在硅酸盐水泥熟料中的最佳引入量；通过实验明确熟料的烧成温度，及 矿物大量形成的温度范围；探讨过掺三氧化硫和氧化锶对熟料合成及水泥性能的 影响规律，确定其最佳过掺量，并研究了氟化钙对水泥熟料性能的影响以确定其 在体系中的最佳掺量。在水泥熟料合成的基础上，研究石膏对阿利特一硫铝酸锶 钙水泥水化程度及水泥硬化浆体微观结构的影响，确定石膏的最佳掺量；利用工 业原料合成阿利特一硫铝酸锶钙水泥，进一步探索合成条件和水泥性能。 实验利用x r d ，s e m e d s 、岩相分析等测试手段，研究了阿利特一硫铝酸锶 钙水泥熟料及其水化产物的组成和微观结构。结果表明：硫铝酸锶钙矿物可以与 硅酸盐水泥熟料矿物共存于同一矿相体系中，最佳矿物组成为：c a l 5 s r 2 5 a 3 i 为 9 o ( 质量百分比，下同) 、c 3 s 为5 9 3 5 、c 2 s 为1 4 1 5 、c 3 a 为7 5 、c 4 a f 为1 0 o ；最佳煅烧温度范围为1 3 5 0 1 3 8 0 。c ；s 0 3 和s r o 最佳过掺量分别为 5 0 和8 0 ；c a f 2 的适宜掺加量为0 6 。通过对熟料的s e m e d s 及岩相分析 可知，在阿利特硫铝酸锶钙水泥熟料中，c 3 s 和c 2 s 矿物的尺寸较小，这可能 是煅烧温度低造成的。c a l 5 s r 2 5 a 3 否矿物尺寸较小，成粒状存在于硅酸盐熟料矿 物的边界或空隙中。在1 3 5 0 一1 3 8 0 煅烧温度范围内烧成时，阿利特及 c a l 5 s r 2 5 a 3 i 矿物能复合并共存，并且能表现出良好的力学性能。在最佳矿物组 成及最佳煅烧温度条件下合成的阿利特硫铝酸锶钙水泥，其净浆小试体在1 d ， 3 d 和2 8 d 龄期抗压强度分别达到3 2 8 m p a ，6 7 7 m p a 和1 2 0 4 m p a 。阿利特硫铝 酸锶钙水泥的早期、后期强度相对普通硅酸盐水泥均有一定提高。在阿利特一硫 铝酸锶钙水泥中最佳石膏掺量为9 ，该水泥的水化产物有a f t 、c a ( o h ) 2 、c s h 凝胶等。同时，利用工业原料及低品位原料合成了阿利特硫铝酸锶钙水泥熟料。 v 阿利特硫铝酸锶钙水泥制箭技术的研究 制备的阿利特硫铝酸锶钙水泥的1 d ，3 d 和2 8 d 龄期抗压强度分别达到2 2 5 m p a ， 4 3 o m p a 和9 8 o m p a ；用低品位石灰石( 高硅石灰石) 合成的阿利特硫铝酸锶钙 水泥的1 d ，3 d 和2 8 d 龄期抗压强度分别达到了2 4 5 m p a ，5 6 1 m p a 和1 0 2 2 m p a 。 阿利特硫铝酸锶钙水泥的力学性能优于普通硅酸盐水泥。 关键词：阿利特；硫铝酸锶钙；水泥；制备；水化 v i 济南人学硕t 学位论文 a b s t r a c t m o r ea n dm o r el i m i t a t i o n so fp o r t l a n dc e m e n ti se m e r g e do u ts u c ha sh i 曲 s i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，l o we a r l ys t r e n g t h ，p o o rd u r a b i l i t y , g r e a t p r e s s u r eo nt h e e n v i r o n m e n t ，e t c i no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fc o n v e n t i o n a lc e m e n t ， s t r o n t i u mc a l c i u ms u l p h o a l u m i n a t e ( c a l 5 s r 2 s a 3s ) i si n t r o d u c e di n t op o r t l a n dc e m e n t ， w h i c hi sn a m e da sa l i t e - s t r o n t i u mc a l c i u ms u l p h o a l u m i n a t ec e m e n t t h ee x p e r i m e n t sw e r ed e s i g n e da sf o l l o w s e x p e r i m e n t su s e dc h e m i c a lr e a g e n t s a sr a wm a t e r i a l s m o d u l u sv a l u e ，k h ，s ma n di mw e r ed e s i g n e da so 9 2 ，2 5a n d1 5 r e s p e c t i v e l yi nt h i sp a p e r , a n dt h ec o n t e n to fs t r o n t i u mc a l c i u ms u l p h o a l u m i n a t ew e r e c h a n g e di no r d e rt of i n di t so p t i m a lc o m p o s i t i o n t h e nt h es i n t e rt e m p e r a t u r ew a s d e t e r m i n e d a tt h eb a s eo ft h eo p t i m i z i n gc o m p o s i t i o na n ds i n t e rt e m p e r a t u r e ， e x c e s s i v ec o n t e n to fs 0 3a n ds r ow a sm i x e di n t ot h ec l i n k e rs y s t e mt oc o m p e n s a t e 8 0 3a n db a ov o l a t i l i z a t i o na n ds o l i dp h a s ed i s s o l u t i o n a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so f f - c a oa n dm e c h a n i c sp e r f o r m a n c e ，a p p r o p r i a t ec o n t e n to fc a f 2i nt h ec l i n k e rs y s t e m w a sf o u n do u t n e x tw es t u d i e dt h ee f f e c to fg y p s u mo nh y d r a t i o nd e g r e ea n d s t r u c t u r eo fh a r d e n e dp a s t eo fa l i t e - s t r o n t i u mc a l c i u ms u l p h o a l u m i n a t ec e m e n t f i n a l l y , i n d u s t r i a lr a wm a t e r i a l sw e r eu s e dt om a k et h eo p t i m a lc o n s t i t u e n tc e m e n t c l i n k e r c o m p o s i t i o na n dm i c r o s t r u c t u r eo ft h ec l i n k e ra n dt h eh a r d e n e dc e m e n tp a s t e w e r ea n a l y z e db yx r d ，s e m - e d s ，l i t h o f a c i e so fc e m e n te t c t h er e s u l t ss h o wt h a t s t r o n t i u mc a l c i u ms u l p h o a l u m i n a t ea n dt h em i n e r a l so fp o r t l a n dc e m e n tc l i n k e rc a n c o e x i s ti nt h ec l i n k e rs y s t e m t h eo p t i m a lc o m p o s i t i o no fm i t e s t r o n t i u mc a l c i u m s u l p h o a l u m i n a t ec l i n k e ri sa sf o l l o w s ：c a l 5 s r 2 s a 3s9 ( b yt h em a s s ) ，c 3 s5 9 3 5 ， c 2 s14 15 ，c 3 a7 5 0 ，c 4 a f10 0 0 s t r o n t i u mc a l c i u ms u l p h o a l u m i n a t em i n e r a l i sw e l l - d e v e l o p e dw h e nt h es i n t e rt e m p e r a t u r ei s1 3 5 0 c - 1 3 8 0 ( 2 t h eo p t i m a l e x c e s s i v em a s sf r a c t i o no fs o sa n ds r oa l e5 0 a n d8 0 b yt h em e a n so f s e m - e d sa n dl i t h o f a c i e sa n a l y s i s ，i tc a nb es e e nt h a tt h eg r o w t ho fm i n e r a lc r y s t a l s o fp o r t l a n dc e m e n ti si n c o m p l e t e ，a n dt h ed i m e n s i o no ft h e mi sr e l a t i v e l ys m a l l t h i s v i l 阿币特一硫铝酸锶钙水泥制矫技术的研究 i sc a u s e db yr e l a t i v e l yl o w s i n t e r i n gt e m p e r a t u r e s t r o n t i u mc a l c i u ms u l p h o a l u m i n a t e e x i s t sb e t w e e nt h es i l i c a t em i n e r a l sw i t hs m a l ls i z e t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h e c e m e n tp r e p a r e du n d e rt h et e s t i n gc o n d i t i o n sr e a c h e st o3 2 8 m p a , 6 7 7 m p aa n d 12 0 4 m p aa tld ，3 da n d2 8 dc u r i n ga g e ，r e s p e c t i v e l y t h eh y d r a t i o np r o d u c t so f a l i t e - s t r o n t i u mc a l c i u ms u l p h o a l u m i n a t ec e m e n ta r em a i n l ya f t ，c a ( o h ) 2 ，c s hg e l ， a n dt h eo p t i m u mc o n t e n to fg y p s u mi s9 i n d u s t r i a lr a wm a t e r i a l sw e r eu s e dt o p r e p a r et h ec e m e n tl a t e ri nt h ed e s i g np r o c e s s ，a n dt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h e c e m e n tr e a c h e st o2 2 5 m p a , 4 3 0 m p aa n d9 8 0 m p aa tl d ，3 da n d2 8 dc u r i n ga g e ， r e s p e c t i v e l y l i m e s t o n eo fl o w c a l c i u ma n dh i g h s i l i c o n ( 1 0 w - g r a d er a wm a t e r i a l ) w a s u s e dt op r e p a r et h ec e m e n ta n dt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h ec e m e n tr e a c h e st o 2 4 5 m p a , 5 6 1m p aa n d10 2 2 m p aa tl d ，3 da n d2 8 dc u r i n ga g e ，r e s p e c t i v e l y , w h i c h a r el i t t l eh i g h e rt h a nt h e s eo fc e m e n tw i t ho r d i n a r yr a wm a t e r i a l ss y n t h e s i s t h e p e r f o r m a n c eo fa l i t e s t r o n t i u mc a l c i u ms u l p h o a l u m i n a t ec e m e n ti sb e t t e rt h a nt h a to f p o r t l a n dc e m e n t k e yw o r d s ：a l i t e ；s t r o n t i u mc a l c i u ms u l p h o a l u m i n a t e ；c e m e n t ；p r e p a r a t i o n ； h y d r a t i o n 济南大学硕 = 学位论文 1 1 选题的目的意义 第一章绪论 传统硅酸盐水泥是工业和基础建设所必需的基础材料，使用广，用量大。在 国家经济快速发展的今天，硅酸盐水泥具有十分重要的地位，对工程建设起着重 要的作用，在今后数十年甚至上百年内仍然是无可替代的。当前，社会对建筑物 的质量要求越来越高，相应的对建筑材料的要求也越来越高，包括性能方面和对 环境方面的影响。故硅酸盐水泥的某些性能如其早期力学性能、用于混凝土时后 期耐久性和稳定性等都有待提高【l - 2 1 。对于环境方面，水泥生产过程中燃烧了大 量不可再生能源，及大量不可再生资源，如石灰石、铝矾土等，释放了污染环境 的气体二氧化碳、氮氧化物等。国家针对这些问题也制定了相应的政策，当务之 急是提高传统硅酸盐水泥的性能、节能减排，走可持续发展的道路才是水泥工业 发展的方向和目标3 1 。 为了解决硅酸盐水泥在性能方面的不足，降低水泥生产对环境带来的不良影 响。本课题组将早强型矿物一硫铝酸锶钙引入到硅酸盐水泥熟料体系中，制备出 以硫铝酸锶钙和阿利特为主导矿物的改性硅酸盐水泥材料。课题组的程新、芦令 超等专家已经对阿利特一硫铝酸钡钙水泥进行了系统深入的研究并且取得了丰硕 的成果。本课题研究的是将硫铝酸锶钙矿物引入到硅酸盐水泥熟料体系中，合成 阿利特硫铝酸锶钙( 简写为a s s ) 水泥。根据理论分析，该水泥预期会有如下 优点： 1 、与传统硅酸盐水泥相比，该水泥力学性能得到提高，尤其是早期强度。 将早强型矿物硫铝酸锶钙( c ( 4 一。1 s r x a 3 j ) 4 - 1 0 l 与c 3 s 矿相复合，可以发挥c ( 4 一 x 1 s r x a 3 i 早强特性，较大幅度提高传统硅酸盐水泥早期力学性能，缩短了水泥的 凝结时间、加快了水泥的硬化速度； 2 、能节约能源。该水泥烧成温度在1 3 8 0 左右，要比传统水泥的煅烧温度 低了至少7 0 ，节约了能源； 3 、该水泥应用于混凝土中能改善体积稳定性和耐久性。硫铝酸盐水化过程 中体积会有微弱的膨胀，c ( 4 - x ) s r x a 3 j 矿物也符合这一特性，故将其引入传统水 阿利特一硫铝酸锶钙水泥制备技术的研究 泥熟料体系中，可以部分抵消水泥水化后期的体积收缩，减少干缩裂纹，提高混 凝土的体积稳定性及耐久性； 4 、可以利用锶渣代替天青石等锶矿。该水泥中锶组分可以由锶渣提供，锶 渣本身污染环境且占地，故该水泥的生产解决了锶渣带来的环境和社会问题，更 重要的是锶渣代替了锶矿节约了资源。 总之，阿利特硫铝酸锶钙水泥的制备为解决社会对建筑材料要求高的问题奠 定了基础，同时响应了国家节能减排的政策，对社会发展及国家经济水平的提高 具有重要的意义。 1 2 国内外研究状态 目前，世界上对阿利特硫铝酸锶钙水泥还没有展开研究，本课题组根据理论 分析已经对该水泥有了一定程度的研究。以阿利特和硫铝酸钡钙( 3 - x ) c a o x b a o 3 a 1 2 0 3 c a s 0 4 ( 简写为c ( 4 - x ) b 。a 3 j ) 为主要熟料矿物的阿利特硫铝 酸钡钙水泥( 简写为a s b ) 及以贝利特和c ( 4 - x ) b 。a 3 j 为主要矿物的贝利特硫铝 酸钡钙水泥( 简写为b s b ) 的研究与本课题相关性较大，课题组的程新、芦令 超等专家已经对阿利特一硫铝酸钡钙水泥和贝利特硫铝酸钡钙水泥进行了系统 研究并取得了丰硕的成果。 1 2 1 含钡硫铝酸盐水泥及含锶硫铝酸盐水泥 为了满足社会对建筑材料的要求( 包括对性能和环境方面) ，很多专家学者 在7 0 年代研究了一种新型快硬水泥硫铝酸盐水泥，该水泥以硫铝酸钙 ( 3 c a o 3 a 1 2 0 3 - c a s 0 4 ) 为主导矿物【1 2 1 ，其早期强度高，早期水化程度快；但 是该水泥的缺点就是后期强度不及传统的波特兰水泥，凝结时间不好控制，该矿 物的膨胀也很不稳定。这些不足就限制了该水泥的发展与应用，为了利用该水泥 的优点就必须克服解决上述提到的问题。1 9 8 5 年，i t e o r e a n u 1 3 1 首次在 c a o 3 a 1 2 0 3 c a s 0 4 中引入锶、钡，研究了含锶、钡的c a o 3 a 1 2 0 3 c a s 0 4 矿物。 对水泥熟料系统中3 c a o - 3 a 1 2 0 3 m 。( s 0 4 ) y 型系列矿物( m 为m 矿、s p 、b a 2 + 、 z n 2 + 、f d + 、f e 3 + 、a 1 3 + 等) 及它在熟料中的含量及匹配关系做了深入探讨，合成 了硫铝酸锶钙矿物( 3 c a s r s 0 4 ) 。i t e o r e a n u 1 3 】的研究结果表明， 2 济南人2 7 1 硕f j 掌1 节论文 3 c a o 3 a 1 2 0 3 0 m 。( s 0 4 ) v ( m 为s p 、b a 2 + ) 矿物的胶凝能力强于c 4 a 3i ；廖广林， 阎培渝等6 】学者对于3 c a b a s 0 4 和3 c a s r s 0 4 的组成、微观结构和性能进行 了研究，得出了3 c a b a s 0 4 和3 c a s r s 0 4 两种矿物的x r d 特征数据。同时， 学者们还研究了两种矿物的热稳定等性能。程新【1 7 j 研等人成功制备了尺寸为6 0 - 1 2 0 1 n 的硫铝酸锶钙单晶，通过对该矿物的分析获得了其全套结构参数。以程新 为首的众多学者 1 9 - 2 2 】对含钡和锶的硫铝酸盐水泥石的组成、形貌以及其微观结构 也做了分析，对水泥水化后的反应产物及水泥与水发生反应的机理做了深入讨 论。结果说明，3 c a b a s 0 4 和3 c a s r s 0 4 两种矿物水化时受c a o 3 a 1 2 0 3 c a s 0 4 矿物影响较大，但这种影响是有利的，能促进水泥水化。程新等【2 3 。2 4 】还对 3 c a b a s 0 4 水泥水化产物做了微观化学键分析，并获得系列数据。他们得出钙矾 石( 简写为a f t ) 和含b a 的钙矾石结构与性能有所不同的主要原因：钙氧键的 键能和共价键的键能不及钡氧键、锶氧键的键能，因此a f t 的键弱于含b a 的 a f t 的键，故钙矾石的键易断，其强度低于含b a 的钙矾石的强度。赵三银等【2 5 1 分析了3 c a b a s 0 4 活性高于c a o 3 a 1 2 0 3 0 c a s 0 4 活性的原因，他们认为c 丛3 i 中 c a 的静电荷小于3 c a b a s 0 4 中相应c a 的静电荷，而c 4 a 3 i 中的两个c a - o 键却 比3 c a b a s 0 4 中b a - o 、c a - o 键强。 以上专家研究发现3 c a b a s 0 4 和3 c a s r s 0 4 矿物的粘结性能优于 c a o 3 a 1 2 0 3 0 c a s 0 4 矿物，故以3 c a b a s 0 4 或3 c a s r s 0 4 矿物为主导矿物的新型 含锶钡硫铝酸盐水泥( 3 c a b a s 0 4 p c 2 s 或3 c a s r s 0 4 p c 2 s ) 被研究开发。 ( 一) 硫铝酸钡钙矿物及硫铝酸钡钙水泥 掺加其他原子如铁、锌等原子，对3 c a b a s 0 4 矿物及硫铝酸钡钙水泥性能 的影响也已经被众多学者研究。d u nc h e n 等【i6 】研究了f e 2 0 3 固溶在硫铝酸钡钙 矿物中对其结构与性能的影响。结果发现，三价铁离子固溶在硫铝酸钡钙矿物中 的最大量为5 3 6 ，达到最大固溶时该矿物的化学式为3 c a o 2 7 1 a 1 2 0 3 0 9 2 f e 2 0 3 b a s 0 4 ，但是该矿物的形成会导致抗压强度下降。z n o 的固溶可以促 进3 c a b a s 0 4 矿物的形成，这一结论是由赵三银f 2 6 1 提出的，他认为3 c a b a s 0 4 矿物可以有限固溶z n o ，形成一种有限固溶体，固溶量范围为2 3 2 7 ；常钧【2 7 1 等人通过研究，确定了b a 在3 c a b a s 0 4 中的最佳取代量，他们认为3 c a b a s 0 4 的分子式为c 2 7 5 8 1 2 5 a 3 j ，并且采用正交试验的方法研究了c a f 2 对矿物性能的 3 阿利特一硫铝酸锶钙水泥制薪技术的研究 影响。结果表明，c a f 2 外掺1 4 ，1 3 5 0 烧成，保温2 h 的条件下煅烧的熟料性 能较高；王传平【2 8 】等人研究了f 、p 、c r 、f e 、m n 、z n 等微量元素对3 c a b a s 0 4 矿物力学性能的影响，他们认为以上提到的微量元素对c 2 7 5 8 1 2 5 a 3 i 单矿物的形 成都有不同程度的促进作用。 对于硫铝酸钡钙矿物及微量元素对其性能的影响已经做了大量研究，这些为 后期合理利用该矿物奠定了理论基础 2 9 - 3 5 j 。冯修吉【3 6 】等在1 2 8 0 c - - - ，1 3 8 0 c 范围 内烧制了以硫铝酸钡钙( 3 c a b a s 0 4 ) 为主导矿物的硫铝酸钡钙水泥熟料，并对 c a o a 1 2 0 3 s i 0 2 b a s 0 4 系统做了系统研究。含钡硫铝酸盐水泥具有早强高强等特 征，其3 d 水化程度已经很高，3 d 强度可达2 8 d 强度的8 0 。含b a 的硫铝酸盐 水泥还具有较强的抗辐射能力，该水泥具有高铝水泥和硫铝酸盐贝利特水泥的 特征。张文生【3 7 】等人在此基础上，对生料在煅烧过程中的物理化学变化进行了研 究，他们认为烧成温度应控制在1 2 5 0 - 1 3 5 0 时熟料的性能最佳。结果表明： c a 、1 3 - c 2 s 和c 2 f 在8 0 0 c 时开始形成；c 1 2 a 7 在9 0 0 c 时开始形成；3 c a b a s 0 4 矿物在1 0 0 0 - - 1 2 0 0 时大量形成，此时c a 、c 1 2 a 7 等逐渐消失。常钧等学者接 着研究了3 c a b a s 0 4 矿物中的钙被钡取代的量，按( 3 - x ) c a o - x b a o 3 a 1 2 0 3 c a s 0 4 化学计量( 其中x 分别设计为0 0 0 ，0 2 5 ，o 5 0 ，0 7 5 ， 1 0 0 ，1 2 5 ，2 o o ，2 2 5 ，2 5 0 ，2 7 5 ，3 0 0 ) 的比例准确计算并称量各原料，经 煅烧、分析研究各试样的性能，找到最佳钡取代量，最佳组成为c 2 7 5 b a l f 2 5 a 3 j 。 程新、常钧【3 8 】等人制备含b a 硫铝酸盐水泥时利用了低品位重晶石，在1 3 0 0 。c 下 煅烧，保温2 小时，经分析确定熟料中的主要矿物为c 2 7 5 b i 2 5 a 3 否、3 - c 2 s 、c 4 f ， 此时水泥的l d 强度可达6 0 m p a 左右，而7 d 和2 8 d 的强度增进率不高，还有的 试样后期强度出现了倒缩。研究还发现水泥水化产物主要有硫酸钡、水化硅酸钙 凝胶、水化铝酸钙凝胶等。后期常钧、刘福田【”】等利用工业钡渣按设计的熟料矿 物组成制备了含钡硫铝酸盐水泥，在1 3 0 0 下煅烧该水泥熟料最佳，其早期强 度较高1 d 达到4 0 m p a 以上。接着以上工作，常钧【删提高了b c 2 s 在熟料体系中 的含量，使后期凝结硬化的b 矿和前期凝结硬化的c 2 7 5 8 1 2 5 a 3 i 矿物能较好的结 合，以达到两种矿物互补，早期和长期强度都较高的目的。由于b 矿含量提高， c 2 7 5 b i 2 5 a 3 i 矿物含量降低，必然使得铝土矿的用量降低，提高了钡渣的使用量， 节约了能源降低了成本，而且解决了钡渣的存放问题。实验结果表明，当b 矿 4 济南人学硕 ：学位沦文 的含量提高到5 2 时，水泥的l d 和3 d 强度分别为5 5 m p a 和5 7 m p a ，该水泥早 期强度高，并且后期强度稳定增长。关于该水泥水化的研究，王传平做了系统 研究。他通过x r d 、差热、孔分析、s e m 等分析测试手段对硫铝酸钡钙水泥水 化产物及水化机理进行了研究，认为硫铝酸钡钙水泥的水化产物有c s h 凝胶、 含钡a f t 、含钡a f m 、b a s o , , , 、c 3 a h 6 和c a h i o o 该水泥具有良好的耐久性能( 抗 冻和抗侵蚀等) ，且水泥长期强度具有稳定性。含b a 硫铝酸盐建筑材料可以满足 一些特殊工程的要求。 ( 二) 硫铝酸锶钙矿物及硫铝酸锶钙水泥 近年来一种新的水泥矿物硫铝酸锶钙得到应用和发展，该矿物是在c a o 3 a 1 2 0 3 c a s 0 4 的研究基础上用s r 离子对硫铝酸钙中的钙离子进行取代。早在 1 9 8 5 年，3 c a s r s 0 4 矿物就被1 t e o r e a n u 合成并进行了研究。3 c a s r s 0 4 晶体 合成及其结构参数是被程新提出的【4 1 1 。阎培渝等对硫铝酸锶钙水泥的低膨胀性和 自应力性能进行了大量研究【1 5 】，结果说明硫铝酸锶钙水泥的早期和后期强度都较 高，后期强度可达1 0 4 1 m p a 。徐国涛等人利用工业原料合成了硫铝酸锶钙矿 物，并对该矿物的微观结构与硬化浆体的微观结构和性能进行了研究分析，硫铝 酸锶钙水泥在1 5 0 0 烧结后的的颜色呈淡黄色，1 d ，7 d 和2 8 d 的抗压强度分别 达到2 0 m p a ，4 9 m p a 和6 8 m p a 。熟料的岩相照片可以看出，主要矿物是均质体 等轴晶系矿物，同时还有少量亮白色细小物质填充在主要矿物中间。 常钧，谭文杰等按( 3 x ) c a o x s r o 3 a 1 2 0 3 c a s 0 4 ( c 3 - x b 。a 3 i ) 化学计量( 其 中x 设计为0 0 0 ，0 2 5 ，0 5 0 ，0 7 5 ，1 o o ，1 2 5 ，1 5 0 ，1 7 5 ，2 o o ，2 2 5 ，2 5 0 ， 2 7 5 ，3 0 0 ) 合成了硫铝酸锶钙矿物，当上式中的x 为2 5 0 时( s r 取代c a 的量 为2 5 ) ，获得了具有最佳性能的矿物组成( c a l 5 0 s r 2 5 0 a 3i ) 。学者们还研究了该 矿物的水化过程，发现该矿物水化速度较快，早期强度较高，这是以 c a l 5 0 s r 2 5 a 3 i 为主导矿物的水泥早期强度高的主要原斟4 3 1 。该矿物的水化产物 主要有：含锶钙矾石、c a h l o 、c a ( o h ) 2 以及c 3 a h 6 。c a l 5 0 s r 2 5 4 3 j 水化过程可 以用下列反应式表示： c a l s o s r 2 _ m a 3s + h 2 0 s r s 0 4 + c a h i o + 3 c a o a 1 2 0 3 c a s 0 4 - 3 2h 2 0 + a 1 2 0 3 ( a q ) c a h l oc 3 a h 6 + c 4 a h l 3 + a 1 2 0 3 ( a c d 4 c a o * a 1 2 0 3 1 3 h 2 0 _ 4 c a o a 1 2 0 3 3 h 2 0 + c a ( o h ) 2 5 阿利特硫铝酸锶钙水泥制备技术的研究 在以上研究的基础上，常军，谭文杰等还用含锶废渣作为原料制备了硫铝酸 锶钙水泥，该水泥有效的利用了工业废渣，降低了成本。研究发现当s p 在c 如i 单矿物中对钙取代量为2 5 0 m o l 时，矿物的力学性能较好，早期和后期抗压强度 都很高，易磨性好，此时锶离子的取代量达到最高。 1 2 2 阿利特一硫铝酸钡钙水泥 材料的组成决定性能，对水泥而言水泥熟料组成就决定着水泥的性能。硅酸 盐水泥的主要矿物有a 矿、b 矿和中间相，该水泥后期强度稳定提高但早期强 度偏低【l 】，针对硅酸盐水泥性能的不足，就要改变水泥熟料组成。故产生了矿物 复合的想法解决这一问题，将c 2 7 5 8 1 2 5 a 3 j 矿物引入到熟料矿物体系中。硫铝酸 钡钙矿物水化快，早强性能良好，含b a 硫铝酸盐水泥是以3 c a b a s 0 4 为主导矿 相的快硬早强性能的水泥，该水泥不足之处是后期的强度增进不高。阿利特一硫 铝酸钡钙水泥就是在硅酸盐水泥熟料矿相体系中引入c 2 - 7 5 8 1 2 5 a 3 j 矿物，达到两 种水泥性能互补的目的【4 4 4 7 1 。阿利特硫铝酸钡钙水