高贝利特硫铝酸盐水泥研究现状
硫铝酸盐水泥的发展现状与展望

硫铝酸盐水泥混凝土结构较致密 ,因此其抗
渗性较好 ,是同标号波特兰水泥混凝土的2 3 , ~倍 适合用于防水抗渗工程 。
2 硫铝 酸盐 水 泥的 生产
21 水 泥 品 种 .
各类硅酸盐水泥按 国家标准规定 ,初凝 时间 不得小于4 i,终凝时间不得大于1 ;而硫铝 5r n a 0h 酸盐水泥初凝时间多为3 ~ 0rn 0 4 i,终凝时间多为 a
目前 , 由于普 通 硅 酸盐 水 泥 产 能 的饱 和 ,很
多生产 普通 硅酸 盐水 泥 的小 回转 窑水泥 业 落后 产 能 面 临 淘 汰 , 如 果有 条 件 转产 硫 钒 酸 盐水 泥 , 既 符合 国 家 节 能减 排 的 产业 政 策 ,并 满 足 市场 需 求 ,又能 充分利 用 当地 资源 ,使 闲 置或被 淘 汰的设
硅 酸 盐 水泥 熟 料 矿 物 中cs 的含 量 一 般 在5 % 5
资源 消耗 低 .节 约石 灰石 、煤 和 电力 ;环境 负荷 降 低 ,C , 放 量减 少 ;可 大量 利 用 l 废渣 作 为原 O排 业
需要耗费大量高品质石灰石矿产资源 ,并且 cs 需要在 l 5 高温条件下才能大量形成 ,能源 0 4
硫 铝 酸 盐 水 泥 熟料 的 主 要 原料 有 石 灰 石 、矾 土 和 石 膏 ,对 原 材 料 的 技 术 要 求 是 :石 灰 石 C O a
>5 % 、 Mg <2 % ; 矾 土 : AI 0 、 SO, 0 O 0 , >5 % O i
<2 %、F , 0 0 eO <2 %、S 8 O >3 %;无 水 石膏 :S O >4 %。生 产硫 铝 酸盐水 泥熟 料 时主 要控 制两 个数 5
每年 创 造 效 益32 0 元 。 另外 利 用 l 废渣 ,按 0 万 业 同家 有关政 策 规定 ,当产 占 ‘ 废 渣用垣 超过 3 % ^l I 、 k 0 后 ,可 减免 所得 税 。钡 渣 中 含有 少蕈 ( B C t a O ,具  ̄
高贝利特硫铝酸盐水泥活化研究进展

高贝利特硫铝酸盐水泥活化研究进展
张五怡;聂松;徐名凤;周健;李辉
【期刊名称】《硅酸盐通报》
【年(卷),期】2022(41)9
【摘要】基于我国提出的“双碳”战略目标,水泥行业应针对其高碳排放问题制定脱碳计划,因此,低碳水泥的研发和应用迫在眉睫。
高贝利特硫铝酸盐水泥是一种在节能减排的同时能够资源化利用含铝工业废弃物的新型低碳水泥,未来也将会是一种具有高强度的低成本水泥。
因此,高贝利特硫铝酸盐水泥的研发促进了水泥行业的绿色化发展。
然而,水泥矿物组成中高活性无水硫铝酸钙含量较低,导致水泥石早期强度较低。
对水泥早期活性进行研究可提升水泥强度,进而扩大其应用范围。
本文通过简述高贝利特硫铝酸盐水泥的组成、特点和研究现状,从水泥主要矿物硅酸二钙、无水硫铝酸钙的活化和水泥矿物组成设计优化三个方面总结了影响高贝利特硫铝酸盐水泥活性的因素,旨在为高性能水泥的研制提供理论指导。
【总页数】14页(P2979-2992)
【作者】张五怡;聂松;徐名凤;周健;李辉
【作者单位】河北工业大学土木与交通学院
【正文语种】中文
【中图分类】TQ172
【相关文献】
1.固废制备高贝利特硫铝酸盐水泥的研究进展
2.利用工业废渣低温烧制高贝利特-硫铝酸盐水泥熟料的研究进展
3.高贝利特硫铝酸盐水泥的研究进展
4.高贝利特硫铝酸盐水泥改性白水泥的物理力学性能与水化作用
5.高贝利特硫铝酸盐水泥-普通硅酸盐水泥-高铝水泥复合胶凝材料制备超早强修补砂浆
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硫铝酸盐水泥在我国的研究现状 (论文)

硫铝酸盐水泥在我国的研究现状、生产应用水平及发展趋势摘要:分析了我国及国外硫铝酸盐水泥行业发展及产品应用市场现状,以及硫铝酸盐的历史背景,提出了行业发展趋势,并对未来产品市场应用前景进行了展望。
硫铝酸盐水泥具有早强、高强、抗冻、抗渗、耐腐蚀和低碱度等优良特性,生产能耗更低。
本文对利用固体废弃物为原料制备硫铝酸盐水泥的国内外研究现状进行了介绍,综述了赤泥、脱硫灰渣、城市垃圾焚烧飞灰、粉煤灰等固体废弃物的性能以及对硫铝酸盐水泥熟料水化特性、物相组成、机械强度等性能的影响。
最后提出如果能充分有效地利用固体废弃物,硫铝酸盐水泥工业将在实施循环经济和可持续发展战略中具有更大的优势。
硫铝酸盐水泥盐可用作公路修补材料、早强、耐火耐高温浇注衬料和耐火浇注料的粘合剂等特殊性能。
关键词:硫铝酸盐水泥,行业现状,发展趋势,市场前景硫铝酸盐的历史背景:1824年,英国人J.Aspdin发明了Portland水泥。
经过发展,Portland水泥逐步形成了庞大的硅酸盐水泥系列,品种多达十几种。
该类水泥的矿物组成均是以3CaO}SiOz (C3S)矿物为主,C3S矿物决定了硅酸盐类水泥的凝结和强度等一系列基本性能。
硅酸盐水泥自发明以来,由于其丰富的原料资源,相对较低的生产成本和良好的胶凝性能,成为当前乃至21世纪人类社会最主要的、不可替代的建筑材料。
美国学者Greening等在20世纪60年代后期率先研制成功了3Ca0}3A1203}CaS04-2CaO}SiO:型超早强硫铝酸盐水泥,其中,以3Ca03A1203}CaS0;为主要矿物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,某些使用条件下强度甚至会出现倒缩,凝结时间不易调节以及膨胀不稳定等因素使其远不能满足特殊建设工程的需要。
20世纪70年代,中国从无水硫铝酸钙(3Ca0}3A1203}CaSOa)复合矿物的研究中成功研制了(普通)硫铝酸盐水泥,从而形成了不同种类的硫铝酸盐水泥系列。
利用粉煤灰研制高贝利特硫铝酸盐水泥

水泥含量较少 ,能使水泥硬化体更密实 ,膨胀量较 小 ,最终使水泥的强度增高 。
4 结 论
『] 3 张海 文, 兰明章 , 陈智丰 , 等 0 用工业废渣 烧制 高贝利特 硫铝酸 盐水泥的探 索性研 究[] J. 新世 纪水 泥导报 ,0 2 :5 20 ,2 ~
种材料并充分混匀 ,用钢模在 3 0 N压力下压制成 k
O3 m x m 0 m 5 m的圆试饼待烧。
23 熟 料煅烧 .
3 熟料的矿物组成 . 1 依据 实 测 的熟 料化 学 成分 进 行 矿 物组 成 计 算 5 。同时用 射线半 定量分 析法测试矿物组 [3 , 6 成. 结果见表 3 和图 1 。 由表 3 图 1 知 。试 验熟料 的主要矿 物为 和 可
厂干排粉煤灰,其化学成分见表 1 。
2 配料 方案 与试 验方 法
2 配料方案 . 1 配料原则 :以熟料中的 A l 全部生成 C S O , S : i 全部生成 B CS O — 2;根据烧成温度对熟料矿物组 成的影响 [ , 4 控制碱度系数 C= .  ̄ . ,铝硫 比 ] mO 5 1 3 9 0 P 3 23 5 = . ~ . 。按这一原则 。确定试样 的质量 配 比 3 6 是:( 石灰石 ):( 叫 粉煤灰):( 石膏 )=4 7 : 5 6: .8 : 2 5 .
3 O
4 O
5 O
6 O
△一c ; / B— 2 、一 cs
图 1 熟料 XR D
囤 2 熟 料 S M E
() b
B cs和 c S —2 。其中计算熟料 的矿物组成 中w 1 (一 3 c )占 6 . %, ( )占 3 . %左右 ,这 与 2 S 40 c 7 01 8 射 线半定量分析结 果是一致 的。 3 . 熟料 的 S M分析 2 E
高碳粉煤灰烧制高铁贝利特硫铝酸盐水泥的研究

设 计 熟料 矿物 组 成 为 : 量 5 C S含 1% 一5 5% , CA S含 量 2 43 0% 一3 0% , F含 量 1 CA 2% 一 5% 。 2
2 5%; 泥 1 水 d强度达 3 P ,8d强度达 6 P 。试 验结 5M a2 6M a 果发现 : 熟料早期强度随 c A 和 C A F含 量 的增加 而增 大,
・ 7・
粉煤灰 2 .0 3 . 0 .9 9 9 3 2 14 0 2 9 .7 2 9 7 1 4 2 2 .0 .3 .4 . l 9 0 石灰石 4 .6 .2 0 5 2 8 5 .9 .4 0 1 9 .6 12 15 .7 .4 2 3 0 6 .4 9 3 石膏 2 .0 .8 0 6 2 3 3 .5 .2 0 1 8 0 0 2 4 3 .3 .5 0 0 0 3 4 . l .4 9
2 2 强度 测试 .
1 原料及 配料计算
1 1 原料 .
试验 采用 工业 石灰 石 、 粉煤 灰 为原料 , 正原 料 校
将各试样掺加不 同量 的二 水石膏 , 放入振动磨
采用铝矾 土以及 化学纯二水石 膏、 eO 等。原 料 F ,
的化学成分如表 1 所示 。
表 1 原料的化学成分
2 试 验方 法
2 1 煅 烧 试验 .
先将配好 的生料在振动磨 中进行 粉磨 , 控制细
煤灰生产高铁贝利特硫铝酸盐水泥。
度为 00 m方孑 筛筛余 <1 .8m L 0% , 然后加入 1 0% 左右的水 , 用试模压制成 2 m×1 m 的小试 5m 0m
饼, 放入 高温炉 中煅烧至 1 5 0℃ , 温 0 5h 取出 2 保 . , 吹风冷 却 。
熟料化学成分和计算矿物组成如表 2所示 。
阿利特_硫铝酸盐水泥研究现状

应用研究66中国水泥2009.8的CuO对提高水泥3d和28d强度有利,过量的CuO会导致水泥的凝结硬化时间延长,不利于水泥早期和后期性能提高,因此CuO在熟料中的含量应控制在质量分数为0.5%以内;外掺质量分数为0.25%ZnO,可有效降低熟料中fCaO含量,提高水泥各龄期强度,特别是早期力学性能,这是由于ZnO降低了液相形成的温度,使得fCaO能更好地参与熟料矿物的形成,促进阿利特生成,从而改善了水泥的早期强度;掺质量分数为0.25%MnO2促进熟料中fCaO的吸收,水泥早期强度没有明显变化,但后期强度下降明显。
随着MnO2掺量的增加,早期强度急剧下降。
当掺质量分数为0.75%MnO2时,水泥的各龄期强度最低。
当MnO2掺量为w=1%时,水泥的各龄期强度回升,特别是早期强度。
但水化28d时,水泥试样表面均产生微裂纹,说明MnO2对水泥硬化浆体的体积稳定性有重要影响。
P2O5能降低熟料中fCaO含量,但对水泥的早期强度和后期强度,均产生不利的影响。
芦令超、常钧等人在前期工作的基础上,研究了煅烧工艺、氟化钙掺量及矿物匹配关系等因素对阿利特-硫铝酸钡钙水泥的合成及性能的影响。
结果表明;两种优良矿相能够复合并共存于同一体系中,所制备的阿利特-硫铝酸钡钙水泥具有较高的早期力学性能。
在众因素中,矿物匹配关系是影响熟料性能的最重要因素。
王来国等以分析纯化学试剂为原料,从硫铝酸钡钙单矿物开始,分别研究了C(4-x)B x A3-C3S二元体系、C(4-x)B x-A3-C3S-C2S-C4AF四元体系以及C(4-x)B x A3-C3S-C2S-C3A-C4AF五元体系的制备条件及性能,探索性地研究了组成设计、烧成温度、微量元素等因素对体系组成、结构和性能的影响,通过正交实验深入研究了各主要因素对五元矿相体系的影响规律,为阿利特-硫铝酸钡钙水泥的合成奠定了基础。
于丽波等在研究C2.75B1.25A3S单矿物的热稳定特性、水化特性和形成动力学的基础上,探讨了微量元素对C3S-C2.75B1.25A3S-C2S-C2F与C3S-C2.75B1.25A3-C2S-C4AF熟料矿物体系制备工艺和性能的影响。
高贝利特硫铝酸盐水泥研究现状

C2S:8-37%
C4A3:55-75%
C4AF:3-10%
42
45
1350
P.O(42.5R)
C2S:15-30%
C3S:50-70%
C3A:5-10%
C4AF:5-15%
22
42.5
1450
由表1可见,BCSAF水泥熟料烧制温度低,性能优良,因此优化BCSAF的矿物组成以及制备工艺,使其满足工程使用需求,最终替代或部分替代传统普通硅酸盐水泥是降低水泥产业CO2排放的有效途径。与此同时,普通硅酸盐水泥在使用过程中,常根据混凝土的工作环境而选择与不同的活性辅助胶凝材料复合使用,从而减少水泥用量,是普通硅酸盐水泥降低CO2的排放手段之一。因此探索将BCSAF水泥与活性辅助胶凝材料的复合使用即可以实现CO2排放的进一步降低,也是评价该水泥在工程运用中是否比普通硅酸盐水泥具有更低CO2排放的重要依据。
根据早期强度高的特点,以替代普通硅酸盐水泥中的C3S矿物相,并将其与C2S矿物复合,以弥补贝利特其早期强度低的缺陷,可制成含有贝利特、硫铝酸钙及铁铝酸钙三个主要矿物相的新型低碳水泥。同时向水泥中掺入一定的矿物元素,使贝利特以活性更高的相存在,可使得贝利特早期水化活性得以提高。根据报道,BCSAF水泥熟料有可能实现与普通硅酸盐水泥具有相似的性能,并能通过传统的水泥生产线进行生产,并且与普通硅酸盐水泥相比降低20-30%的碳排放。表1中给出了目前研究较为广泛的低碳水泥品种:BCSAF水泥、高贝利特水泥(HBC)、硫铝酸盐水泥(SAC)以及普通硅酸盐水泥(OPC)熟料的矿物组成以及强度性能。
张巨松[17]等对贝利特-硫铝酸盐水泥进行热分析研究并指出当水泥的煅烧温度低于1200时,C2S和并没有大量生成,因此强度很低。当温度超过1250时,一方面矿物晶体颗粒粗大、活性低,另一方面,温度过高石膏开始大量的分解,不利于C4A3 的稳定存在,甚至可导致该矿物的分解,最终降低水泥的强度。因此认为贝利特-硫铝酸盐水泥的烧成温度在1200左右时的强度要高于烧成温度更高时的强度。通过实验可知,最利于形成的温度为1300左右,过高或者过低都对该矿物形成不利,1250更有利于β-C2S的形成和后期强度的发展。李娟[18]等采用石灰石、矾土、黏土和石膏为原料,制备了以贝利特、无水硫铝酸钙和铁相为主的高贝利特无水硫铝酸盐水泥(BCSAF)熟料矿物体系,研究了其生料易烧性、熟料煅烧制度和熟料矿物优化配比等。结果表明,当BCSAF熟料煅烧温度为1280~1320℃时,可获得结晶度良好、形成数量较多的贝利特和无水硫铝酸钙矿物。在BCSAF熟料矿物组成为32%~42%、C4AF 5%~9%、C2S46%~56%,石膏掺量为12.5%时,水泥28 d抗压强度达最佳,为55 MPa。并通过计算得出该水泥较等强度的普通硅酸盐水泥制备过程中降低19% CO2排放量。要秉文[19]等以粉煤灰、石灰石、石膏为原料烧制BCSAF熟料。熟料的主要矿物为β-C2S占60%以上,占30%左右,二者之和达90%以上。该熟料合适的煅烧工艺参数是:碱度系数C=0.95~1.03,铝硫比P=3.32~3.65,煅烧温度1280~1340℃,保温时间45~70 min,且熟料疏松多孔,易磨性好。此外,张巨松[20,21]等还研究了K2O对C2S和矿物形成的影响,适量的K2O有助于f-CaO的吸收,有利于反应向着C2S和矿物及两者复合矿物形成的方向发展,并降低了CaCO3的分解温度,加快了CaCO3的分解速度,同时降低了C2S和矿物及C2S和复合矿物的合成温度,加速了矿物的合成速度。张丕兴[22]利用粉煤灰和磷石膏为原料低温烧成贝利特-硫铝酸盐水泥,烧成温度为1050—1150,制成的水泥早期强度和后期强度较高,且具有较高的强度增进率,没有强度倒缩现象,且具有补偿收缩效果,成本低,经济效益、社会效益和环保效益较高。
高硅贝利特—硫铝酸盐水泥与矿渣复合的实验研究

收稿 日期 :0 1 0 1 2 0 —1 ~1 基金项 且: 国家 自然科学基金项 目( 9 7 0 1 ; 5 5 4 2 ) 沈阳建筑工程学院青年科学 基盘项 目 作者简介 : 张巨橙( 92一) 男. 16 , 教授. 东北大学在读博士研究生.
级的混凝土应用带 来很大 的方 便. 文献[ , ] 4 5 探讨 了矿渣和阿利特 一硫铝酸盐 复合的性能 、 阿利特一
化高炉矿渣 , 化学 成分 见表 2 经球 磨 至细 度为 , 0 0 m方孔筛筛余小于 5 .8l n %.
%
表 1 熟料 的矿物成分及熟料 的化学组成 ( 质量分散 )
级的混凝土; 文献 [] 7探讨 了原料中掺入粉煤灰的 高硅贝里特 一硫铅 酸盐水泥的性 能, 如何解 决好
这 些 问 题 将 影 响 该 水 泥 的发 展 . 为此 . 展 高 硅 贝 开
断扩大, 弱点也逐渐暴露出来, 其 一方 面其 价格 偏 高( 为普 通 硅酸 盐水 泥或 矿 渣硅 酸盐 水 泥 的 约 1 l 一1 1 倍 ) 另一 方面其强 度 等级和 品种与 、O 5 ;
J n A. 2 0 02 V 11 , N . o .8 o1
文章编号 :6 1 0 12 0 )1 0 6 3 17 —2 2 (0 2 0 —0 3 —0
高硅 贝利 特 一硫 铝酸 盐 水泥 与 矿 渣 复 合 的实 验 研 究
张 巨松 李好 新 , , 隋智通
(. 1 沈阳建筑工程学院材料系, 辽宁 沈阳 1 0 1 ; 2 东北大学材冶学院 . 105 辽宁 沈阳 1 OO ) 1 O 6
摘
要: 在分析硫铝 酸盐水泥应用 现状 及存在 问题的基础 上, 出了高硅 贝利特 一硫铝酸盐水泥 与矿 提
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以矾土、石灰石以及Fe2O3为原料制备BCSAF熟料时,随温度的升高,原料主要发生以下反应。
表2 BCSAF熟料矿物形成主要反应
温度
反应
室温~300℃
原料脱水,包括吸附水和结晶水
450~600℃
矾土中水铝石分解,形成α-Al2O3,物料中出现了α-SiO2和Fe2O3
600~850℃
α-Al2O3、α-SiO2和Fe2O3持续增加
850~900℃
CaCO3分解成CaO和CO2
900~950℃
游离CaO增多,开始形成
950~1000℃
3CaO·3Al2O3·CaSO4开始形成
1000~1050℃
2CaO·Al2O3·SiO2和3CaO·3Al2O3·CaSO4含量增加,游离CaO吸收率达到1/2,α-Al2O3和α-SiO2和CaSO4含量迅速下降
2.BCSAF水泥及其研究现状
2.1. 贝利特-硫铝酸钙-铁铝酸钙三元体系(BCSAF)[7~12]
由于贝利特为主导矿物的水泥早期水化活性低,强度发展缓慢,而现有的贝利特活化方法均未能有效改善其早期强度,或条件控制较为严苛现有实际生产条件下不易实现。因此,有研究者尝试通过贝利特复合其他早强型胶凝材料,在降低体系总CO2排放量的同时也以弥补贝利特水泥早期水化活性的不足的缺点。
自1986年以来,我国水泥年产量一直居于世界首位。2011年水泥产量高达20.67亿t,约占世界水泥产量近60%。随着经济的快速增长和社会的不断进步,在未来100~200年,全球对水泥高需求量趋势将持续增长,因此实现我国水泥工业的节能减排和低碳发展对全球可持续发展而言具有举足轻重的推动作用。
伴随着科技的进步以及生产工艺的逐步优化,普通硅酸盐水泥产业在节能减排目标上也不断有新的突破[1,2]。从20世纪70年代至今,通过改进生料粉磨系统、选粉离心系统以及挤压工艺,水泥工业电耗已降低约50%。同时随着收尘技术、尾气处理技术的进步,现在新型干法水泥厂粉尘、有害气体排放浓度已远低于国家标准。窑炉技术的进步使得燃料利用率大幅提高,新能源的不断发现也使得传统能源部分被替代,降低水泥了对传统能源的依赖。与此同时,随着水泥质量的稳定,可通过在水泥中掺入用特定种类的矿物掺合料替代部分水泥,降低水泥需求量,以实现水泥产业的减排目标。然而,经过长期的研究和探索,通过以上方法降低水泥产业的能耗和排放已几乎已达到了理论上限[3],在接下来的生产中很难通过传统的节能减排手段再进一步降低水泥生产所带来的环境负荷。因此,通过对新型水泥的研发以进一步获得低碳、低能耗的混凝土材料已逐渐成为水泥产业的发展方向。
2.2.贝利特-硫铝酸钙-铁铝酸钙(BCSAF)水泥的制备
贝利特-硫铝酸盐水泥与普通硫铝酸盐水泥不同,普通硫铝酸盐水泥以硫铝酸盐矿物为主,以C2S矿物为辅,对铝矾土的要求高,烧成温度为1300~1400℃。而贝BCSAF熟料矿物以β-C2S为主,以硫铝酸盐矿物为辅。烧成温度对熟料性能影响很大,烧成温度偏低或过高,都使形成熟料的凝结时间变短,抗压强度下降,还会引起抗折强度倒缩,性能变差。
1.引言
随着社会的不断发展,当今世界对于建筑材料的需求越来越大。而水泥作为建筑行业中最重要的一种人工制备原材料,其产量随需求增长而不断变大,已成为仅次于水的第二大人类消耗品,也是产量最大的工业产品。同时水泥生产又是一种高污染,高耗能的工业门类,其二氧化碳排放占到全世界二氧化碳排放总量的5%~8%左右。所以减少水泥行业的CO2排放就显得格外重要。
SAC(42.5)
C2S:8-37%
C4A3:55-75%
C4AF:3-10%
42
45
1350
P.O(42.5R)
C2S:15-30%
C3S:50-70%
C3A:5-10%
C4AF:5-15%
22
42.5
1450
由表1可见,BCSAF水泥熟料烧制温度低,性能优良,因此优化BCSAF的矿物组成以及制备工艺,使其满足工程使用需求,最终替代或部分替代传统普通硅酸盐水泥是降低水泥产业CO2排放的有效途径。与此同时,普通硅酸盐水泥在使用过程中,常根据混凝土的工作环境而选择与不同的活性辅助胶凝材料复合使用,从而减少水泥用量,是普通硅酸盐水泥降低CO2的排放手段之一。因此探索将BCSAF水泥与活性辅助胶凝材料的复合使用即可以实现CO2排放的进一步降低,也是评价该水泥在工程运用中是否比普通硅酸盐水泥具有更低CO2排放的重要依据。
表1 各种水泥熟料矿物组成及物理性能
编号
熟料矿物组成
(wt.%)
抗压强度(MPa)
熟料烧成温度()
3d
28d
BCSAF
C2S:54%
C4A3:32%
C4AF:9%
33.2
55.7
1300
HBC
C2S:40-70%
C3S:10-40%
C3A:2-8%
C4AF:10-25%
17.2
70.2
1300-1400
高贝利特硫铝酸盐水泥研究现状
摘要:众所周知,水泥是一种高耗能,高污染行业,水泥生产要排放大量的CO2。随着全球变暖和人们环保意识的增强,减少水泥行业的CO2排放已经成为目前迫切需要解决的问题。本文将介绍一种高贝利特硫铝酸盐体系水泥(BCSAF),并简单概述其制备与使用性能。
关键字:二氧化碳 贝利特 硫铝酸盐
1250~1300℃
4CaO·2SiO2·CaSO4分解为α’-2CaO·SiO2和游离CaSO4
上世纪80年代,Mehta[13]在实验室中成功制备了“改性水泥”——Clinker 5#。熟料体系为:C2S 45%,20%,20%,15%。通过对该水泥性能的研究,其早期强度发展良好,后期强度较高,而CaO含量仅51.8%,烧制温度为1200,因此该水泥被认为是一种既能满足低CO2排放和低能耗要求又同时具备较好的力学性能的水泥。随后,Kusnetsova[14]以C2S、C4A3 、C4AF、C3A四种矿物相制备出高贝利特-硫铝酸钙-铝酸钙体系水泥熟料,取得了较好的进展。H. El-Didamony[15]等尝试采用纳米SiO2、Al(OH)3、Ca(NO3)2、CaSO4制备纳米β-C2S以纳米。与常规方法高温制备的方法相比,采用纳米原料制备的过程中β-C2S和C2S和的最佳形成温度。近年来,拉法基研究中心[16]为进一步实现水泥产业的低碳生产,尝试开发新型低碳水泥——BCSAF。水泥体系采用C2S、C4A3 、C4AF为主要矿物相,同时在制备过程中通过加入金属氧化物以提高贝利特的活性,而使其早期宏观强度有所提高。
根据早期强度高的特点,以替代普通硅酸盐水泥中的C3S矿物相,并将其与C2S矿物复合,以弥补贝利特其早期强度低的缺陷,可制成含有贝利特、硫铝酸钙及铁铝酸钙三个主要矿物相的新型低碳水泥。同时向水泥中掺入一定的矿物元素,使贝利特以活性更高的相存在,可使得贝利特早期水化活性得以提高。根据报道,BCSAF水泥熟料有可能实现与普通硅酸盐水泥具有相似的性能,并能通过传统的水泥生产线进行生产,并且与普通硅酸盐水泥相比降低20-30%的碳排放。表1中给出了目前研究较为广泛的低碳水泥品种:BCSAF水泥、高贝利特水泥(HBC)、硫铝酸盐水泥(SAC)以及普通硅酸盐水泥(OPC)熟料的矿物组成以及强度性能。
通常普通波特兰水泥,氧化钙含量约为66%,在熟料中占50%~70%的阿利特矿物﹙Alite,即硅酸三钙,3CaO·SiO2)的形成温度约1450℃,该矿物含氧化钙达73.7%。在不考虑其它热损失的前提下,熟料的烧成热耗主要来自两个方面:一是熟料矿物(主要是阿利特矿物)的高温形成;二是生料中石灰石的分解。据估算,CaCO3分解耗能占熟料理论热耗的46%左右。显然,通用硅酸盐水泥熟料烧成的高能耗的根本原因在于其高钙矿物组成设计。早在1978年,Mehta[4]指出开发新型节能低排放水泥的关键在于在同等性能水平的基础上,采用低能耗、低温室气体排放组分替代高能耗高排放组分。