（材料学专业论文）硫铁铝酸钡钙矿物的研究.pdf

济南大学硕士学位论文 摘要 硫铝酸钡钙矿物 c a o f 4 x 1 舢2 0 3 x b a s 0 4 是含钡硫铝酸盐水泥的主导矿物 具 有良好的早强 高强性能 许多学者对其进行深入的分析 研究表明 当硫铝酸钡钙 的组成为c 2 7 5 b a 3 s 时强度最高 现阶段含钡硫铝酸盐水泥的生产中原料成本较高 其最主要的一个原因原料铝矾土的价格相对较高 因此 本研究课题的基本思路是通 过对含钡硫铝酸盐水泥矿物c 2 7 5 8 1 2 5 a 3 s 进一步研究 用分析纯化学试剂f e 2 0 3 中的 f e 离子对c 2 7 5 8 12 5 a 3 s 中的 离子进行取代 合成了一种新的水泥矿物 硫铁铝 酸钡钙系列矿物 改善其性能 降低其成本 本文系统的研究了硫铁铝酸钡钙矿物 确定硫铁铝酸钡钙矿物的结构 组成及 矿物烧成制度 通过正交试验方法研究硫铁铝酸钡钙矿物 确定最佳烧成温度及 铁掺入量 研究c a f 2 对硫铁铝酸钡钙矿物形成过程的影响 并运用x r d s e m e d s d 1 a t g 孔结构分析等测试手段对矿物及水泥熟料的物理性能进行了 定性分析与表征 研究结果表明 硫铁铝酸钡钙 c 2 7 5 8 1 2 5 a 3 聃s 各单矿物各项性能指标如强 度 x r d s e m e d s d r l l a t g 等相比较 证明硫铁铝酸钡钙单矿物中选含铁量为 o 2 5 的试样是硫铝酸钡钙水泥矿物中铁的最佳替代点 其化学式为 c 27 5 b l 笛a 2 7 5 f e o 篮s 其1 d 3 d 2 8 d 强度分别为4 9 8m p a 6 4 4m p a 和9 0m p a 利用正交试验方法分析研究b a 离子摩尔量 f e 离子摩尔量和烧成温度对胶凝材料 硫 铁铝酸钡钙矿物 抗压强度的影响规律和影响的显著性 实验证明硫铁铝酸钡钙矿物 最佳组成是c 2 7 5 8 1 2 幽 7 5 f 02 5 s 最佳烧成温度为1 2 5 0 在c 27 5 b l2 s a 2 f e o s 矿 物生料中加入少量的c a f 2 可以降低c 2 7 5 8 1 2 5 a 2 7 5 f e o 2 5s 矿物的烧成温度 提高其 烧成质量 进一步降低其生产成本 在烧成温度定位1 2 0 0 时 其强度在c a f 2 掺量 为0 4 时达到最高 1 d 3 d 2 8 d 强度分别为3 1m p a 7 2m p a 和9 0m p a 在烧成 温度为1 2 5 0 时 其1 d 强度随c a f 2 掺量的增加上升明显 在c a f 2 掺量为2 时达 到最高的6 6 8 3 m p a 从x r d 分析可以看出 c a r 的掺入可以促使生成 c 27 5 b l2 5 a 2 7 5 f 02 5s 矿物 且影响非常明显 最后 当硫铝酸钡钙系列矿物 3 x c a o x b a o 3 m 2 0 3 y f e c a s 0 4 中b a 含量在0 到1 2 5 变化时 用铁取代矿物 中的铝 通过x r a y 分析 并考虑抗压强度的因素 确定铁能取代铝的最佳替代点 关键词 硫铁铝酸钡钙 抗压强度 氧化铁 正交试验 堡垂垂耋塑童竺篁堡墼苎查堡堡璧墼丝堡 a b s t r a c t b a r i u mc a l c i u ms u l p h o a l u m i n a t ei st h em a i nm i n e r a lo fb ab e a r i n gs u l p h o a l u m i n a t e c e m e n tw h i c hh a sh i g he a r l ys t r e n g f h ni sr e s e a r c h e db ym a n ys c i e n t i s t s r e s u l t si d i c a t e m a tt h ec o m p r e s s i v es t r e n 甜ho fc 2 7 5 8 1 2 幽5i st h eh i g h e s t t h ep r o d u c t i o nc o s to fb a b e a r i n gs u l p h o a l u m i n a t ec e m e n ti ss t i l lh i g hi nn o w a d a y s o n eo ft h em o s t l yr e a s o ni st h e p r i c eo ft h ea l u m i n u mb a u x i t ei se x p e n s i v e h e n c e i no r d e rt oi m p r o v ep e r f o m a l l c ea n d r e d u c et h ec o s t t h i sr e s e a r c hw i l ls t u d yt h eb ab e a r i n gs u l p h o a l u m i i l a t ec e m e n tf i l n h e r 一 一 t h eb a b e a r i n gc a l c i u ms u l f o f e i t e a l u m i n a t es e r i e so fn e wc e m e n tm i n e r a l sa r e s m e s i z e db yad i 鼢e n te q u i v a l e n to ff c 3 r e p l a c e i n gf o r 3 t h es t r u c t u r e m p o s i t i o na i l dt h eb u m i n gm e c h a n i s mo f b a b e a r i n gc a l d u m s u l f o f e i t e a l u m i n a t eh a v e b e e ns t u d i e di nt h i sr e s e a r c h t h eb e s tb u m i gt e m p e r a t u r eo f b a b e a r i n gc a l d u ms u l f o f e i r i l e a l u m i n a t ew e r er e s e a r c h e db yo r t h o g o n a l t e s t t h e i n n u e n c eo f c a f 2 o n c o m p o s j t i o n 柚d p e r f 0 瑚a i l c c o f b a b e a r i n g c a l c i u m s u l f 0 一f e r r i t e a l u m i n a t eh a sa l s os t u d i e di n t h i sp a p e lw i mt h eh e l po fx r d d t a t g s e m e d s t l l ep h y s i c a lp e r f o 珊a n c eo f t h ec l i n k e ro fb a b e a r i n gc a l d u ms u l f 0 f j j t e a l u m i n a t ew e r es t u d i e d c o m p a r e dw i t l it h ea n a l y s i so fc o m p r e s s i v es t r e n g t i l x r d s e m e d sa n dd t a t g i n d i c a t i n g t h a tt h eo p t i m a ls u b s t i t u t eq u a n t i t yo ff i s0 2 5a b o u tt h ec l i n k e ro f b a b e a r i n gc a l c i u ms u l f 0 f e r r i t e a l u m i n a t e c 2 7 5 8 12 5 a 3 哇f e x s t h em o l e c u l a rf o 珊u l ai s c 27 5 8 1 2 5 a 27 5 f e o 2 5s t h e1 d 3 da n d 2 8 dn e t p a s t ec o m p r e s s i v es t r e n g t h o f c 2 7 5 8 12 5 a 2 7 5 f e 02 5sa r e4 9 8 6 4 4a n d9 0 m p ar e s p e c t i v e ly t h ei n f l u e n c eo fb a 2 f e a n db u m i n gt e m p e r a t u r eo nc 2 7 5 8 12 5 a 2 7 5 f c o 2 5sw e r es t u d i e d b yo n h o g o n a l t e s t 1 1 l e r e s u l to ft h i se x p e r i m e n ts h o w st h a t t h eb e s tc o m p o s i t i o ni sc 2 7 5 8 1 2 5 a 2 7 5 f e o2 5sa n dt h e b e s tb u m i n gt e m p e r a t d r ei s1 2 5 0 m i x i n gc a f 2 i n t ot h e b a b e a r i n gc a l c i u m s u l f o f c i t e a l u m i l l a t ec a nr e d l i c ct h eb u m i n gt e m p e r a t u r e i m p r o v em eq u a l i t ya n dr e d u c e t h ec o s t w h e nt t l eb u m i n gt e m p e r a t u r ei s1 2 0 0 t h eo p t i m u mp m p o n i o no fc a f 2i i lt l l e r a wm a t e r i a l si so 4 a t t h eo p t i m u ml e v e l t h e1 d 3 d 觚d2 8 dn e tp a s t ec o m p r e s s i v e s t r e n g i ha r e3 1 7 2a n d9 0 m p a w h e nt h eb u m i n gt e m p e 珀t u r ei s1 2 5 0 t h e1 dn e tp a s t e c o i n p r e s s i v es t r e n g t hr i s e se v j d e n t l yw i t ht h ep r o p o r t i o n o fc a f 2i n c r e a s e t h eb e s t c o m p r e s s i v es t r e n g l ho f1 dn e tp a s t ei s6 6 8 3 m p aw h e nt h ep m p o r f i o no fc a f 2i s2 t h e x r dp r o v e dt h a tm i x i n gc a f 2c a na c c e l e r a t et h ef 0 咖a t i o no fb a b e a r i n gc a l c i u m s u l f 0 f e r r i t e a l u m j a t e a n dt h ee f f e c ti se v i d e n t i nt h ee nd w ec o n f i 加1 e dt h eb e s tm o l a r c o m p o s i t i o no fi r o nw i t ht h eh e l po fx f a yd i f f t a c t i o n x r d a n a l y s j sa n dc o n s i d e r e dt h e t t 童室奎兰堡圭兰篁篁兰 f a c t o ro fc o m p r c s s i v es t r e n g t ha tt h es a m et i m e w h e nt h eb am o l a rc o m p o s i t i o nc h a n g i n g f r o mof o1 2 5i nt h eb a b e a r i n gc a c i u ms u l f 0 f c r r i t e a l u m i n a t es e e sm i n e r a l s k e yw o r d s b a b e a r i n gc a l c i u ms u l f o f c i t e a l u m i n a t e c o m p r e s s i v es t r c n g t h f c r r i c o x i d e o r t h o g o n a lm e t h o d i 济南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 2 1 世纪水泥材料仍然是必不可少的建筑材料之一 水泥工业在国民经济中仍占 有重要的基础地位 提高性能 节约能源 降低消耗 保护环境 走可持续发展道路 是水泥工业和水泥科研工作者未来奋斗的方向和目标 1 l o2 0 0 3 年我国水泥总产量达 8 6 3 亿吨 居世界第一 占世界水泥总产量的三分之一 2 1 传统硅酸盐水泥材料以其 良好的建筑性能 日益先进的生产方式仍然在当今社会占有举足轻重的地位 3 1 但传 统硅酸盐水泥生产所暴露的问题也越来越为人们所关切 同时对其性能的要求也越来 越高 目前大量使用的硅酸盐水泥也存在如下一些缺点和不足 早期强度偏低 仅有 2 0 3 0 m p a 强度尚需要进一步提高 烧成温度高 1 4 5 0 电耗 煤耗高 水泥 熟料中c 3 s 的含量高 通常为5 0 左右 有时甚至高达6 0 对石灰石原料品质要 求高 这就要消耗大量优质石灰石资源 同时 由于大量使用石灰石 产生了大量的 c 0 2 等废气 对环境的污染相当严重 水化后期 硬化水泥浆体产生微小体积收缩 造成收缩裂纹 影响水泥混凝土的稳定性 因此 提高传统硅酸盐水泥的性能 满足 现代工程建设对水泥性能的多功能 高性能的要求 并达到节约能源 节约资源 保 护环境的目的 实现水泥工业可持续发展 对国民经济建设与社会发展都具有重要意 义 因此 如何发展高性能 长寿命 低环境负荷的新型水泥 已成为我国国民经济 和社会可持续发展战略中亟待解决的重大课题 水泥新矿物的发明无疑是实现上述目 标的手段之一 科研工作者发明了一种性能优异的矿物 硫铝酸钡钙 此矿物是一种 高胶凝性的水泥矿物 具有良好的早强 高强性能 程新教授于1 9 9 4 年合成的 3 c a o 3 舢2 0 3 s r s 0 4 单晶体 5 应用量子化学研究了3 c a o 3 舢2 0 3 s f s 0 4 的水化活性 7 8 并获得整套结构数据的基础上 经过大量实验 合成了硫铝酸钡钙的两种单 晶m1 1 在此基础上 常钧等学者合成了系列含钡硫铝酸钙矿物 并获得了具有最 佳性能的矿物 其组成为c 27 5 b l2 5 a 3 s 含钡硫铝酸盐水泥的生产 利用原普通水 泥生产线 无须进行工艺改造 利用含钡工业废渣 节约资源 保护环境 烧成温度 低 节约能源 1 2 17 1 该水泥虽早期强度较高 但存在后期强度不稳定的现象 且正 处于推广阶段 虽然其性能优异 但市场价格还是比普通硅酸盐水泥要贵 这不利于 该水泥的普遍应用 1 2 选题目的和意义 硫铁铝酸钡钙矿物的研究 现阶段含钡硫铝酸盐水泥的生产中原料成本高的最主要的一个原因就是生产这 种含钡硫铝酸盐水泥最重要的基础原料 铝矾土的价格相对较高 而对于工业生产 而言 铝矾土中大部分是用来生产a 1 2 0 3 的 根据f r e e d o n i a g r o u p 的报告称 在今后 的几年全球对舢2 0 3 将出现极大的增长 这势必进一步会抬高铝矾土价格 从而增长 这种含钡硫铝酸盐水泥的成本 我国铝矾土资源虽然比较丰富 但价值利益的驱动必 然会使含钡硫铝酸盐水泥的生产面临严峻的考验 本研究课题的基本思路是通过对含 钡硫铝酸盐水泥矿物c 27 5 8 1 2 a 3 s 进一步研究 用部分f e 来取代含钡硫铝酸盐水泥 成分中的铝含量 并探讨能否用工业废渣f c 粉取代体系中的部分铝矾土 其意义重 大 1 由于廉价铁的取代 水泥原料生产中可以大大减少铝的用量 进一步降低含钡 硫铝酸盐水泥的生产成本 提高生产这种含钡硫铁铝酸盐快硬水泥的经济效益 2 节能 该水泥烧成温度低 1 3 0 0 左右 由于f c 的引入 将会进一步降低该 水泥的烧成温度 可大量节约能源 3 废弃物资源化 将含钡工业废渣转化为无毒的硫铝酸钡钙矿物 消除了有毒钡 渣对环境的污染 工业废渣f c 渣的回收利用不但大大降低了生产含钡硫铝酸盐水泥 的生产成本 还减少了废弃物对环境的污染 4 含钡硫铁铝酸盐快硬水泥不但可能结合有含钡硫铝酸盐的早强高 节能 抗辐 射等特点 同时也会有其作为含钡硫铝酸盐系列水泥的独特优点 5 从提高强度 节约矿产资源 节能利废 保护环境等方面综合考虑 用这些工 业废渣作为原料 既节约了资源 保护了生态环境 又符合国家利用 三废 环保政策 同时可获得免税优惠 经济 社会效益显著 1 3 国内外研究动态 关于含钡硫铁铝酸盐水泥 国内外目前还没有这方面的研究报道 本文首先概叙 一下普通硫铝酸盐水泥 高铁硫铝酸盐水泥 阿利特 硫铝酸盐水泥 含钡硫铝酸盐 水泥和微量元素在硫铝酸盐水泥中的应用研究概况 1 3 1 普通硫铝酸盐水泥 普通硫铝酸盐水泥是在铝酸盐水泥基础上掺加硫酸钙而合成的新型优良水泥材 料 在9 5 0 以下熟料矿物的形成过程和硅酸盐水泥相似 在9 5 0 一1 0 0 0 时 开 始形成3 c a o 3 a 1 2 0 3 c a s 0 4 矿物 在1 0 0 0 一1 0 5 0 时 3 c a o 3 a 1 2 0 3 c a s 0 4 和c 2 a s 的量增加 游离氧化钙吸收率达5 0 a a 1 2 0 3 a s i 0 2 和硫酸钙含量迅速减少 在 1 0 5 0 一1 1 5 0 时 3 c a o 3 a 1 2 0 3 c a s 0 4 和q a s 的量继续增加 出现了b c 2 s 游离 氧化钙吸收率达7 0 在1 1 5 0 一1 2 5 0 时 3 c a 0 3 舢2 0 3 c a s 0 4 量继续增加 游离 氧化钙和c 2 a s 消失 在1 2 5 0 时出现c 4 s 2 c a s 0 4 矿物 此时试样的矿物组成主要 济南大学硕士学位论文 为3 c a 0 3 2 0 3 c a s 0 4 b c 2 s c 4 s 2 c a s 0 4 游离氧化钙和少量铁相 在 1 2 5 0 一1 3 0 0 时 c 4 s 2 c a s 0 4 消失 分解成为a 1 c 2 s 和游离硫酸钙 此时熟料主 要矿物为3 c a o 3 舢2 0 3 c a s 0 4 和c 2 s 还有少量的铁相 硫酸钙及其它微量元素 1 3 0 0 时普通硫铝酸盐水泥熟料完全形成 1 3 2 高铁硫铝酸盐水泥 高铁硫铝酸盐水泥熟料低于8 0 0 的加热变化过程类似于普通硫铝酸盐水泥熟 料 高于8 0 0 的变化过程如下 8 0 0 一8 5 0 c a c 0 3 分解形成c a o 和c 0 2 c 0 2 从废气中逸出 8 5 0 一9 0 0 游离c a o 量迅速增加 2 c a 0 m 2 0 3 s i 0 2 矿物开始形成 9 0 0 一9 5 0 3 c a o 3 a 1 2 0 3 c a s 0 4 矿物开始形成 9 5 0 一1 0 0 0 3 c a o 3 a 1 2 0 3 c a s 0 4 和2 c a o a 1 2 0 3 s i 0 2 矿物含量增加 游离 c a o 的吸收率达1 2 1 0 0 0 一1 1 0 0 3 c a o 3 越2 0 3 c a s 0 4 和2 c a 0 舢2 0 3 s i 0 2 矿物明显增加 出现 b 2 c a o s i 0 2 开始生成2 c a 0 f e 2 0 3 游离c a o 吸收率达 2 3 1 1 0 0 一1 1 5 0 2 c a o 舢2 0 3 s i 0 2 矿物量开始下降 2 c a o s i 0 2 量增加 1 1 5 0 一1 2 0 0 2 c a o 舢2 0 3 s i 0 2 矿物和游离c a o 消失 出现 4 c a o 2 s i 0 2 c a s 0 4 矿物 3 c a 0 3 m 2 0 3 c a s 0 4 矿物量接近最 大值 有大量6 c a o 砧2 0 3 2 f e 2 0 3 固溶体存在 1 2 0 0 一1 2 5 0 4 c a 0 2 s i 0 2 c a s 0 4 已消失 分解成a i 一2 c a o s i 0 2 和游离c a s 0 4 此时熟料矿物主要是3 c a o 3 a 1 2 0 3 c a s 0 4 2 c a o s i 0 2 和 6 c a 0 m 2 0 3 2 f c 2 0 3 还有少量的游离c a s 0 4 和c a 0 t i 0 2 1 2 5 0 1 3 5 0 熟料矿物基本没什么变化 1 3 5 0 以上 熟料液相量增加 3 c a o 3 舢2 0 3 c a s 0 4 和y c a s 0 4 开始分解 出现1 2 c a o 7 舢2 0 3 等急凝矿物 观察和分析高铁硫铝酸盐水泥生料的加热变化过程 可以得出如下几点结论 1 采用工业原料制造的高铁硫铝酸盐水泥熟料 在其形成过程中主要发生下列化 学反应 2 c a o 十a j 2 0 3 s i 0 21 竺二 竺 2 c a o 舢2 0 3 s i 0 2 3 c a o 3 舢2 0 3 c a s 0 4 1 竺 二鉴 3 c a o 3 础2 0 3 c a s 0 4 3 c a o 3 2 c a o a 1 2 0 3 s i 0 2 c a s 0 4 世竺 里兰兰竺孓3 c a o 3 a 1 2 0 3 c a s 0 4 3 2 c a o s i 0 2 2 c a 0 s i 0 2 1 竺 竺 2 c a o s i 0 2 2 c a o f e 2 0 3 1 1 竺兰 2 c a o f e 2 0 3 3 硫铁铝联钡钙矿物的研冗 2 2 c a o s i 0 2 c a s 0 41 1 1 1 1 坚嗲4 c a o 2 s i 0 2 c a s 0 4 2 2 c a o f e 2 0 3 2 c a o a 1 2 0 3 1 1 1 11 竺 6 c a o m 2 0 3 2 f e 2 0 3 4 c a o 2 s i 0 2 c a s 0 4 兰竖 兰 2 2 c a o s i 0 2 c a s 0 4 3 正常条件下生产的高铁硫铝酸盐水泥熟料 其最终矿物组分主要是 3 c a o 3 a 1 2 0 3 c a s 0 4 6 c a 0 舢2 0 3 2 f c 2 0 3 和2 c a o s i 0 2 还有少量c a s 0 4 有时还有 一些m g o 和c a o t i 0 2 4 高铁硫铝酸盐水泥熟料中各矿物的形成与普通硫铝酸盐水泥熟料的各矿物一 样 也都是固相反应的结果 即使是铁相也是通过圃相反应产生的 在生料加热过程 中出现的少量液相 对铁相形成有一定加速作用 但大量铁相矿物都是由固相直接接 触反应而成 5 高铁硫铝酸盐水泥熟料的烧成温度范围是1 2 5 0 一1 3 5 0 即1 3 0 0 5 0 烧成范围与普通硫铝酸盐水泥熟料一样 都是1 0 0 但烧成温度比普通硫铝酸盐水 泥熟料低5 0 比硅酸水泥熟料低1 5 0 1 1 1 3 3 阿利特一硫铝酸盐水泥 阿利特 硫铝酸盐水泥集中硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥的优良矿物与一体 既发 挥硫铝酸盐水泥矿物的早强 高强特性 又能发挥阿利特矿物稳定的后期强度性能 1 8 阿利特与无水硫铝酸钙矿物在低温下复合并共生 除了主矿相阿利特 无水硫铝酸钙 外 熟料中还有贝利特相和c a f 相 各矿相大体质量分数如下 5 3 c a o 3 舢2 0 3 c a s 0 4 5 2 0 3 c a o s i 0 2 3 0 5 0 2 c a 0 s i 0 2 3 0 4 0 4 c a o 舢2 0 3 f e 2 0 3 3 1 0 阿利特 硫铝酸盐水泥作为一种性能优良的节能型水泥1 1 9 2 目前对此研究主要 集中在以下两方面 一方面是研究外加剂对煅烧阿利特 硫铝酸盐水泥熟料的影响 外加剂包括矿化剂和微量元素 众多学者都把氟化钙作为阿利特 硫铝酸盐水泥矿化 剂 如c h r j s t e n s e n j o h a l l s e n 和 e m n 李艳君 2 4 j 研究后指出含1 c a f 2 的 c s a f 生料能够在1 3 0 0 形成阿利特 而没有c a f 2 存在时 保持相同速率形成阿 利特需1 4 5 0 在掺有c a f 2 的样品中 甚至在1 2 0 0 时阿利特也能以中等的速率形 成 c a f 2 掺加量达到1 o 时 对于c 3 s 的形成仍然有利 但影响c 幽s 矿物的形成 圳 刘晓存还研究了z n o 及z n o 与c a f 2 复合对c 3 s 和c a 3 s 矿物形成及共存的影 响 认为 一定量的z n o 可改善配合料的易烧性 促进c 3 s 及c 4 a 3 s 矿物的形成 有利于其在熟料中的共存 当同时添加z n o 与c a f 2 时 效果更显著 吲 微量组分对 形成阿利特一硫铝酸钙水泥的影响的研究集中在探讨p 2 0 5 2 6 f e 2 0 3 2 7 1 m g o 2 8 s 0 3 2 9 1 c a f 2 如1 碱 3 l 等对阿利特 硫铝酸盐水泥熟料矿物性能影响上 研究结果表 济南大学硕士学位论文 明适量的上述各物质可改善生料的易烧性 促进f c a o 的吸收 除碱和p 2 q 外 适 量f e 2 0 3 m g o s 0 3 c a f 2 均能促进c 3 s 及c 4 a 3 s 两种主要矿物的形成 但当以上 各物质含量较高时 其影响结果稍有区别 f e 2 0 3 含量较高时 不利于c 3 s 与c a 3 s 的形成且使水泥的强度降低 凝结时间延长 熟料中f c a o 升高 过多的碱使c 拉3 s 矿物难以形成 而k 2 0 则使c 3 s 的形成量减少 p 2 0 5 可以降低烧成温度及改善生料 的易烧性 但影响熟料矿物形成 阿利特 硫铝酸盐水泥熟料中还可允许有较高的m g o 存在 这些氧化镁固熔在晶体内部不会对水泥性能产生影响 3 2 0 3 1 另一方面是研究掺 入不同组份对此种水泥性能的影响 刘晓存 李艳君 王复生等分别对阿利特 硫铝 酸盐水泥与硅酸盐水泥的复合性能作了研究 认为复合后水泥的强度性能优于单一品 种水泥的性能 凝结时间则由复合体中占比例较多的一种水泥所控制 3 4 l 李艳君 刘 晓存还研究了石膏 3 引 石灰石 3 6 对阿利特 硫铝酸盐水泥强度 凝结时问 干缩性等 性能的影响 关于阿利特 硫铝酸钙共存机理还没有专门的文献进行报道 根据无水硫铝酸钙 在硫铝酸盐水泥中的形成过程 我们可以进行以下研究和探讨 阿利特 硫铝酸盐水泥熟料的形成如果没有氟化钙的作用 就不能形成阿利特只 能形成贝利特 当在少量氟化钙 氧化钙满足的条件下就能实现阿利特和无水硫铝酸 钙的共存 不可否认氟化钙在阿利特的形成过程中起了很大的作用 但c 2 a s 在与硫 酸钙和氧化钙作用下生成的高活性的c 2 s 肯定也起到了重要作用 高活性的c 2 s 更 能在氟化钙和铁相的作用下吸收氧化钙形成阿利特 可能是它们共同作用促进了阿利 特的最终形成 1 3 4 含钡硫铝酸盐水泥 7 0 年代以来 以3 c a o 3 2 0 3 c a s 0 4 4 2 4 3 矿物为主的快硬硫铝酸盐水泥得到了广 泛生产和应用 水泥的早期性能得到了明显改善和提高 但是随着特殊建设工程要求 的提高 硫铝酸盐水泥的后期强度不高甚至会出现倒缩 凝结时间不易调节以及膨胀 不稳定因素的影响使其远不能满足特殊建设工程的需要 为了改进硫铝酸盐水泥性 能 材料工作者对该矿物已有了很多研究 1 9 8 5 年i t c o r e 柚u 3 7 首次研究了含锶钡硫 铝酸钙矿物 对3 c a o 3 a 1 2 0 3 m x s 0 4 k 系统中3 c a 0 3 2 0 3 m s 0 4 型系列矿物 m m 一 s r 2 十 b a z n 2 f e 2 f e a 1 3 及其相容性进行了详细研究并合成 了3 c a s r s 0 4 抗压强度结果表明 两者的胶凝性明显优于c 论3 i 冯修吉 3 廖广 林 13 1 阎培渝 3 9 等研究了3 c a b a s 0 4 和3 c a s r s 0 4 的结构和性能 确定了两种矿 物的x 光衍射数据并讨论了它们的热稳定性 程新 5 蚰 首次制成了尺寸6 0 1 2 叭m 的3 c a s r s 0 4 单晶并通过分析获得了全套结构参数 p y a n 4 1 对含s r b a 的硫铝酸钙 的水化过程进行了研究 研究表明 含s r b a 的硫铝酸钙矿物的水化在硫酸盐存在 的条件下受到很大影响 在硫酸盐环境下 c 3 a 3 b a s 0 4 的强度更高 但较 硫铁铝酸钡钙矿物的研究 3 c a o 3 2 0 3 c a s 0 4 的强度要低 含s r 的硫铝酸钙的水化速度得以加速 综上所述 众多专家都发现3 c a b a s 0 4 和3 c a s r s 0 4 的胶凝性优于3 c a c a s 0 4 于是开发一种 以3 c a b a s 0 4 一b c 2 s 或3 c a s r s 0 4 b c 2 s 为主要矿物的新型含s r b a 的硫铝酸 盐水泥成为可能 程新老师课题组 于1 9 9 4 年合成的3 c a o 3 a 1 2 0 3 s r s 0 4 单晶体并获得整套结构 数据的基础上 又经过两年多的攻关 用熔盐法合成了含钡硫铝酸钙晶体体系的单晶 体 1 0 首次利用量子化学原理 确定矿物的构效关系 1 4 合成了一系列高强含钡硫 铝酸钙矿物 并进行测试与表征 探明其水化机制1 1 2 1 5 5 删 合成以含钡硫铝酸钙 矿物为主体的含钡硫铝酸盐水泥 研究水泥的形成条件和水化原理及微量元素的影 响 最终首次工业化生产出1 0 0 0 吨性能优异的含钡硫铝酸盐水泥 初步建立了含钡 硫铝酸盐水泥的科学技术体系 在此基础上常钧等学者按 3 x c a 0 x b a 0 3 越2 0 3 c a s 0 4 化学计量 其中x 0 0 0 0 2 5 0 5 0 0 7 5 1 o o 1 2 5 2 0 0 2 2 5 2 5 0 2 7 5 3 0 0 的比例准确称量各试 剂 经粉磨 成型 在硅碳棒高温炉中烧成各含钡硫铝酸钙矿物 获得了最佳组成 其矿物为c 2 7 5 b a l2 5 a 3 s 基于上述研究 利用提取碳酸钡的工业废渣 重晶石尾矿 等原料低温合成了含钡硫铝酸盐水泥 该水泥体系具有较高的强度 1 3 2 8 天的 抗压强度分别达到5 0 7 0 9 0 m p a 1 5 4 7 4 9 1 且实验发现 熟料矿物中含钡硫铝酸 钙含量及含钡的多少是决定该水泥具有快硬早强性能的重要因素 且随它们含量的增 加而提高i 删 由于含钡硫铝酸钙矿物的优异性能 使得新型含钡硫铝酸盐水泥不但具 有快硬早强性能 特别是1 2 小时 1 天和3 天强度分别达到6 0 6 5 6 5 7 0 和7 0 7 5 m p a 且长期强度稳定 还具有良好的抗硫酸盐侵蚀和抗冻融性 可以开发出许 多高附加值的系列材料 对各种工程建设具有重要的意义 鉴定专家认为 含钡硫铝 酸盐水泥达到了国际领先水平 捌 1 3 5 微量元素在硫铝酸盐水泥中的应用研究概况 c r 2 0 3 对硫铝酸盐水泥的矿化作用 程新p 0 j 等学者在实验室条件下用直接法掺加c r 2 0 3 烧制了绿色硫铝酸盐水泥 通 过肼r a 测试发现c r z 0 3 能降低c a c 0 3 的分解温度 1 0 1 9 和开始分解温度 2 7 3 5 并能促进c a o 的吸收 使f c a o 的含量降低 而且c r 2 0 3 的掺入能显著提高 水泥的1 2 h 1 d 和3 d 的强度 其主要原因是c r 2 0 3 加速c a c 0 3 的分解并促进f c a o 的吸收使烧成反应完全所致 c r 2 0 3 m g o 对贝利特 硫铝酸钙水泥熟料矿物形成的影响 李艳君 刘晓存等学者应用x r d e d a x 等分析测试手段 研究了c r 2 0 3 m 9 0 对 贝利特一硫铝酸钙水泥熟料矿物形成的影响 结果表明 适量的c r 2 0 3 m g o 能促进系统 f c a o 的吸收 降低烧成温度 c r 2 0 3 m g o 主要固溶在c 2 s 铁相及2 c 2 s c a s 0 4 中 并可 挤南大学硕士学位论文 使c 2 s 稳定为a c 2 s 及a 一c 2 s 以及稳定2 c 2 s c a s 0 4 当c r 2 0 3 含量较高时 使m g o 在熟料矿物中的固溶量显著增加 由于水泥中的微量组分显著影响熟料煅烧及性能 有关的研究一直是水泥工作者 的重要课题之一 这一研究的开展对水泥生产中的节能 水泥质量的控制和产量的提 高起着重要作用 在水泥生产中 由工业原料带入较多量的m g o 因此目前对其影响的 研究进行的较为深入和普遍 5 1 j 近年来有关c r 2 0 3 对水泥的影响问题也引起了水泥工 作者的关注 并进行了较为广泛的研究i 5 引 但对于c r 2 0 3 m g o 共存时对贝利特 硫铝 酸钙水泥影响的研究还未见详细报导 鉴于高镁原料的开发利用和某些化学工业废渣 的处理利用 如铬盐厂铬渣 探讨c r 2 0 3 m g o 共存时对贝利特 硫铝酸钙水泥的影响有 其实际意义 从以上研究结果可以看出 c r 2 0 3 加入到硫铝酸盐水泥中不但可以促进f c a o 的 吸收 还可以增加水泥的强度 改善水泥的性能 这也可以启发我们将c r 2 0 3 引入含 钡硫铝酸盐水泥中 以期进一步改善含钡硫铝酸盐水泥的性能 而且对铬渣的回收利 用也大大减轻了环境的负担 z o 对c 3 s 和c 4 尚s 矿物形成的影响 阿利特 硫铝酸盐水泥是一种新的节能型高性能水泥 由于该水泥熟料中含有c 3 s 与c 4 3 s 这两种主要矿物 因此它既保持了硅酸盐水泥的属性 又具有早强 高强及微 膨胀特性 过去的研究认为 c 3 s 与c 4 a 3 s 这两种矿物的形成温度差异较大 c 4 3 s 主要是在1 2 0 0 1 3 0 0 0c 形成 1 3 5 0 c 以上开始分解 高于1 4 0 0 c 时快速分解 而c 3 s 则是在1 4 0 0 0c 左右才大量形成 为使c 3 s 与c 4 a 3 s 这两种矿物能良好地共存于同一 系统中 必须降低c 3 s 的形成温度 研究表明 掺加某些组分可促进c 4 a 3 s 的形成 降 低c 3 s 的形成温度 使c 3 s 与c 4 a 3 i 这两种矿物能良好地共存于同一系统中 5 扣硎 刘晓存等学者 6 1 j 以纯化学试剂配料 研究了z i l o 及z n o 与c a f 2 复合对c 3 s 和 c 幽s 矿物形成及共存的影响 结果表明 一定量的z l l 0 可改善生料的易烧性 促进系 统中f c a o 的吸收 z n o 具有良好的矿化作用 少量时 z n 0 的效果与c a f 2 相当 适量 的z n o 0 5 2 o 可促进c 3 s 及c 4 a 3 s 矿物的形成 并使它们结晶良好 有利于这两 种矿物在熟料中的共存 但当z n 0 的掺加量为3 o 时 c 3 s 与c 4 a 3 s 的形成量减少 z n o 与c a f 2 的复合掺加对c 3 s 形成的促进作用更加显著 f e 2 0 3 对阿利特 硫铝酸盐水泥熟料矿物形成的影响 生产阿利特 硫铝酸盐水泥的主要原料通常为石灰石 粉煤灰或低品位铝矾土 粘土 石膏等 由于各地硅铝质原料及粉煤灰成分上差别较大 可使熟料中f e 2 0 3 含 量有较大差异影响熟料的煅烧及性能 过去对硅酸盐水泥的研究表明 在硅酸盐水泥 熟料的煅烧中 f e 2 0 3 作为重要的溶剂性成分 其适量存在对降低煅烧温度 增加液 相量 降低液相粘度 促进c 3 s 矿物的形成等有重要作用 而对于主要矿物组成与硅 酸盐水泥熟料有所不同的阿利特一硫铝酸盐水泥熟料 f e 2 0 3 的存在将有何影响 其结 7 硫铁铝酸钡钙矿物的研究 果对阿利特一硫铝酸盐水泥生产中原料的选取有重要的指导作用 李艳君1 6 1 6 2 等学者以纯化学试剂配料 研究了f c 2 0 3 对阿利特一硫铝酸盐水泥熟料 矿物形成的影响 结果表明 低温下煅烧 f c 2 0 3 的存在不利于系统中f c a 0 吸收 随 f e 2 0 3 含量增加 熟料中的f c a o 升高 高温下煅烧 一定量的f e 2 0 3 能促进f c a o 吸收 有利于c 3 s 的形成 而当f e 2 0 3 含量较高时 将阻碍c 3 s 形成 少量f e 2 0 3 能促进c 4 3 s 的形成 随f e 2 0 3 增加 对c 租3 s 的存在有不利影响 高温下煅烧尤为明显 f e 2 0 3 对熟 料烧成性能的影响 从各温度下烧结熟料的外观看 随f e 2 0 3 含量增加 灰黑色熟料块 的颜色加深 并且致密度和硬度增大 这表明 f 切0 3 的存在有利于改善熟料的烧结性能 这与硅酸盐水泥熟料的情况一致 p 2 0 5 对硫铝酸盐水泥性能的影响 磷石膏是湿法生产磷酸时排放出的工业废渣 它的二水硫酸钙含量超过9 0 是 一种重要的再生石膏资源 我国现有8 0 余条湿法磷酸生产线 年排放磷石膏1 0 0 0 万t 6 3 磷石膏中含有磷 氟 有机物等多种有害杂质 不能直接用于生产石膏建材 于是 科学工作者作了大量的研究工作 将磷石膏引入水泥生产中 变废为宝 在硅 酸盐水泥熟料的生产中 磷渣的综合利用己做了大量的研究开发工作 取得了较大的 效益 李德栋 6 4 等人研究了磷渣在硫铝酸盐水泥中的应用情况 研究结果表明 掺入 磷渣烧成的熟料 其矿物组成仍为c 4 a 3 s c 2 s 和c 牡e 没有发现新相形成 p 2 0 5 等 少量元素固溶于熟料的主要矿物之中 配料时 磷渣的掺量应控制在一定范围内 生 产实践表明 在硫铝酸盐生料中掺入适量磷渣 改善了生料的易磨性和易烧性 利于 煅烧操作 并大幅度提高了生 熟料的产量 改善了硫铝酸盐水泥熟料的凝结特性 是提高熟料产质量的途径之一 无水硫铝酸钙具有快硬早强及水化膨胀性能 这一具有特殊性能矿物的发现 促 进了水泥品种的拓展 如被称之为第三系列水泥的硫铝酸盐水泥 铁铝酸盐水泥均以 c 4 a 3 s 为主要矿物 部分贝利特水泥由于引入适量的c 4 a 3 s 而具有实用性 在硅酸盐水 泥熟料中替代或部分替代c 3 a 而制得阿利特 硫铝酸盐水泥 其不仅保持了硅酸盐水泥 的属性而又兼有早强和膨胀特性等 随着该矿物应用领域的不断扩大 杂质及煅烧条 件对其形成及水化性能的影响已引起人们普遍关注 陆平 1 研究了当有f e 2 0 3 c a f 2 存在时 c 4 a 3 s 的形成问题 冯修吉等 6 5 报道了磷 氟 铁 钛对硫铝酸盐水泥熟料中 c 4 a 3s 的形成及性能的影响 有关c 如s 单矿物的合成及晶体结 构 a i 1 e i n g e t r o x e l l 6 6 p e h a l s t e a d a e m o o r e 6 7 1 张丕兴等 6 8 9 都先后进行过报 道 对于一些微量组分对单矿物的形成及结构以及对其水化性能的影响还未见详细报 道 在硫铝酸盐水泥 铁铝酸盐水泥等的生产中需大量使用石膏原料 而作为工业废 渣的磷石膏的应用是人们所感兴趣的 然而 由于其中含有一定量的p 2 0 5 对水泥生产 及应用将带来影响 因此 研究p o 对c 4 a 3 s 矿物形成及性能的影响具有实际意义 李艳君等人1 7o j 以纯化学试剂配料 并分别添加不同量的p 2 0 5 探讨了c 4 a 3 s 单矿物的 r 济南大学硕士学位论文 形成 结构及水化性能 研究了掺杂p 2 0 5 对无水硫铝酸钙矿物形成及水化性能的影 响 结果表明 在1 3 0 0 保温1h 的煅烧条件下 因p 2 0 5 有稳定过渡产物c a 的作用 从而减慢c 4 a 3 s 的形成速度 而在1 3 0 0 保温3h 的煅烧条件下 掺加适量的p 2 0 5 能使 c 4 3 s 的形成量增加 当p 2 0 5 含量高于1 时 则c 租3 s 的形成量减少 掺杂使晶体主 要以四方晶系的结构形式存在 在本实验条件下 掺加少量的p 2 0 5 可提高的水化反应 活性 其原因归结为晶体结构的畸变 萤石对含钡硫铝酸盐水泥性能的影响 含钡硫铝酸盐水泥是冯修吉 7 卜7 2 1 等研制开发的一种新型水泥 这种水泥具有早 强 高强的特点 其3 d 强度可达到2 8 d 强度的8 0 同时 还具有较强的抗辐射能 力 该水泥的主要矿物是含钡硫铝酸钙 简写为3 c a b a s 0 4 许多学者 7 j 开展了 单矿物3 c a b a s o 的形成 胶凝性能 水化过程等方面的研究工作 也取得了一定 的进展 然而 含钡硫铝酸盐水泥仍然存在后期强度不稳定甚至倒缩的现象 不少学 者也针对这些技术难题作了研究工作 常钧 7 6 研 学者利用正交实验的方法在 c 2 7 5 8 1 2 5 a 3 s 生