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1、 文章编号:1671-3559(2004)01-0024-04收稿日期:2003-10-31基金项目:国家重点基础研究973计划资助项目(2001CB610701)作者简介:王来国(1977-),男,山东荷泽人,济南大学材料科学与工程学院硕士生。硅酸盐与硫铝酸盐矿物复合水泥材料的研究进展王来国,芦令超,程 新(济南大学 材料科学与工程学院,山东 济南250022)摘 要:阐述了阿利特-硫铝酸盐水泥、贝利特-硫铝酸钙钡水泥的研究、进展及目前研究的热点。同时对以阿利特-硫铝酸钙钡为主导矿物的新型高胶凝性水泥材料进行了展望。关键词:阿利特;贝利特;硫铝酸盐矿物;硫铝酸钙钡矿物中图分类号:TQ172.
2、2文献标识码:A水泥及水泥基复合材料是世界上用量最大的人造材料。但目前大量使用的硅酸盐水泥存在如下一些缺点和不足:早期强度偏低,仅有2030 MPa,强度尚需要进一步提高;烧成温度高(1 450),电耗、煤耗高;水泥熟料中C3S的含量高,通常为50%左右,有时甚至高达60%,对石灰石原料品质要求高,消耗了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CO2等废气,环境污染严重;水化后期,硬化水泥浆体产生体积收缩,造成收缩裂纹,影响水泥混凝土的稳定性与耐久性。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
3、现水泥工业可持续发展,对国民经济与社会发展具有重要意义。科技工作者除了通过改进工艺和设备来降低能耗外,在水泥组成设计上也在积极寻找节能的途径。1 阿利特-硫铝酸盐水泥阿利特-硫铝酸盐水泥又称高钙硫铝酸盐水泥。该种水泥发挥了C3S、C4A3两种水泥矿物的早强、高强特性,成功实现了C3S与C4A3矿物低温下的复合与共生。该水泥除具有硫铝酸盐水泥的一系列优良性能外,还具有后期强度高且持续发展、硬化时体积收缩小或不收缩、体积稳定性增强等优良的建筑性能。这种水泥矿物组成的基本特征是除3CaO3Al2O3CaSO4、2CaOSiO2和4CaOAl2O3Fe2O3矿物外,还存在相当数量的3CaOSiO2矿物
4、。各矿物质量分数的范围为:3CaO3Al2O3CaSO4520%3CaOSiO23050%2CaOSiO23040%4CaOAl2O3Fe2O3310%生产高钙硫铝酸盐水泥与普通硫铝酸盐水泥的不同之处是:在生料中除石灰石、矾土和石膏外,还要掺入少量助熔剂和矿化剂,如萤石等;烧成温度低,约为1 300。同时可采用含铝工业废渣取代矾土,扩大了原料来源。阿利特-硫铝酸盐水泥作为一种性能优良的节能型水泥,近年来引起人们的重视1-3。近年对利用矿渣、粉煤灰配料烧制阿利特-硫铝酸盐水泥的研究或生产实践4,5也已见诸报道。1997年刘晓存等人进行了利用高炉矿渣、石膏和石灰石制备阿利特-硫铝酸盐水泥的研究6。
5、研究表明,利用矿渣制备的阿利特-硫铝酸盐水泥具有优良的强度及凝结性能。掺加较多量矿渣,强度的降低幅度较小,而当有适量的石膏存在时,水泥的7 d、28 d强度可以赶上或超过不掺矿渣的试样。1998年刘晓存、李艳君又以粉煤灰配料生产了阿利特-硫铝酸盐水泥7,结果表明,用粉煤灰配料可不用铁粉,亦不用或少用粘土,原料的种类少,配料易于控制,生料合格率高;生料的易磨、易烧性好,窑的产量高;烧制的熟料易磨性好;熟料的烧成温度低,与硅酸盐水泥熟料相比,节煤可达20%,节能效果显著;同时在粉磨水泥时可掺加大量的粉煤灰作混合材而对水泥的早期强度影响较小。以矿渣或粉煤灰等工业废渣配料烧制阿利特-硫铝酸盐水泥为节能
6、、利废、降低成本、和提高水泥性能开辟了一条有效途径。第18卷第1期2004年3月济南大学学报(自然科学版)JOURNAL OFJINAN UNIVERSITY(Sci.&Tech1)Vol.18No.1Mar.2004 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/1998年,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系中占比例较大的一种水泥所控制8,9。2000
7、年蔡丰礼等人,利用高铝煤矸石和盐石膏在硅酸盐水泥的生产设备和工艺线上,低温烧制了主要矿物组成为C3S、C2S、C4A3和C4AF的阿利特-硫铝酸盐水泥熟料10,取得了良好效果。该水泥熟料具有凝结硬化快、早后期强度高的特点,还具有微膨胀和抗蚀性强的特性,并指出,熟料中C4A3的适宜含量为46%,煅烧温度控制在1 2501 300。作者同时指出了该种水泥的弊端。2002年蔡丰礼还研究了阿利特-硫铝酸盐自应力水泥11,实验结果表明水泥强度、膨胀等性能主要取决于熟料中C3S和C4A3含量及水泥中石膏掺量(可用1.5%4.5%的石灰石代替部分石膏作缓凝剂)。目前的研究主要集中在助熔剂或矿化剂对阿利特-硫
8、铝酸盐水泥熟料烧成及性能的影响上。我们知道,矿化剂降低了液相形成温度,从而降低熟料结晶温度50150。Christensen和Johansen、Klemn分别研究并指出,含1%CaF2的C-S-A-F生料能够在1 300 形成阿利特;而没有CaF2存在时,保持相同速率形成阿利特需1 45012,13。Klemn进一步指出,在掺有CaF2的样品中,甚至在1 200 阿利特也能以中等的速率形成13。李艳君、刘晓存等人 研 究 了P2O514、Fe2O315-16、MgO17-18、SO319-20、CaF221、碱22等对阿利特-硫铝酸盐水泥熟料性能的影响,结果表明适量的上述各物质可改善生料的易烧
9、性,促进f-CaO的吸收,除碱和P2O5外,适量Fe2O3、MgO、SO3、CaF2均能促进C3S及C4A3两种主要矿物的形成并提高水泥的强度。但当以上各物质含量较高时,其影响结果稍有区别,Fe2O3含量较高时,不利于C3S与C4A3的形成且使水泥的强度降低,凝结时间延长;含量较高时,将阻碍C3S的形成并导致熟料中f-CaO升高,水泥的强度降低;CaF2掺加量达到1.0%时,对于C3S的形成仍然有利,但影响C4A3矿物的形成;过多的碱使C4A3矿物难以形成,当碱掺量约1.2%时,Na2O有利于C3S的形成,并提高水泥的早期强度,而K2O则使C3S的形成量减少,水泥的强度降低,掺加碱还使水泥的凝
10、结时间延长;而P2O5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可允许有较高的MgO存在,当熟料中MgO含量0.5%5%时,水泥强度显著提高,而达8%时,水泥强度则有所降低。2001年,刘晓存研究了ZnO及ZnO与CaF2复合对C3S和C4A3矿物形成及共存的影响23,认为一定量的ZnO可改善配合料的易烧性,促进C3S及C4A3矿物的形成,有利于其在熟料中的共存;当同时添加ZnO与CaF2时,效果更显著。此外,李艳君还研究了石膏24、石灰石25对阿利特-硫铝酸盐水泥强度、凝结时间、干缩性等性能的影响。2 贝利特-硫铝酸钙钡水泥1970年以来,以3CaO3
11、Al2O3CaSO4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等因素使其远不能满足特殊建设工程的需要。1985年I.Teoreanu26首次研究了含锶钡硫铝酸钙矿物,对3CaO-3Al2O3-Mx(SO4)y系统中3CaO3Al2O3Mx(SO4)y型系列矿物(M=Mg2+、Sr2+、Ba2+、Zn2+、Fe2+、Fe3+、Al3+)及其相容性进行了详细研究并合成了3CASrSO4,抗压强度结果表明,两者的胶凝性明显优于C4A3;冯修吉、廖广林、阎培
12、渝等研究了3CABaSO4和3CASrSO4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27-29,程新首次制成了尺寸为60120m的3CASrSO4单晶并通过分析获得了全套结构参数30,31;P.Yan对含Sr、Ba的硫铝酸钙的水化过程进行了研究32,33。综上所述,众多专家都发现3CABaSO4和3CASrSO4的胶凝性优于3CACaSO4,于是开发一种以3CABaSO4-C2S或3CASrSO4-C2S为主要矿物的新型含Sr、Ba的硫铝酸盐水泥成为可能。程新等在含钡硫铝酸盐水泥领域应用材料设计理论与材料表征技术,用熔盐法合成了含钡硫铝酸钙晶体体系的单晶体,获得了结构数
13、据34;利用量子化学计算方法,从键级和共价键两方面初步确定了含钡硫铝酸钙晶体的构效关系35-36;研究了含钡硫铝酸钙矿物的形(合)成与水化机制37-42。常钧等按(3-x)CaOxBaO3Al2O3CaSO4化学计量(其中x=0.00,0.25,0.50,0.75,1.00,1.25,2.00,2.25,52第1期 王来国,等:硅酸盐与硫铝酸盐矿物复合水泥材料的研究进展 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/2.50,2.75,3.00)的比例准确称量各试剂,
14、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C2.75Ba1.25A3?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(或称贝利特-硫铝酸钙钡水泥),该水泥体系具有较高的强度(1、3、28 d的抗压强度分别达到50、70、90 MPa)43-44。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35。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12 h、1 d和3 d强度分别达到6065、6570和7075 MPa,
15、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45。3 阿利特-硫铝酸钙钡水泥硫铝酸钡钙复合增强硅酸盐水泥的研究就是以含钡硫铝酸钙(C(4-x)BxA3?S)矿物优良的快硬早强性能为出发点,使其能够改善和提高硅酸盐水泥的性能。它是用部分或大部分含钡硫铝酸钙矿物代替部分或大部分普通硅酸盐水泥熟料中的C3S相。由于含钡硫铝酸钙矿物具有优异的早强(6070 MPa)、高强性能,且后期强度有较大的增进率,烧成温度低,若能与硅酸盐水泥复合制得阿利特-含钡硫铝酸盐水泥,将会有如下优点:由于
16、含钡硫铝酸钙(C(4-x)BxA3?S)矿物具有优异的早强、高强性能,它与C3S相共同起作用,可使得该新品种水泥早期强度提高(期望提高10 MPa以上);该水泥烧成温度低(1320 左右),能耗大大降低;由于含钡硫铝酸钙后期强度高且有微膨胀性,部分的抵消了硅酸盐水泥的后期收缩,而不致使水泥本体产生裂缝或开裂;可大量使用含钡工业废渣,使其转化为无毒的含钡硫铝酸钙矿物,既做到了废弃物的利用,又消除了有毒钡渣对环境的污染;由于熟料中C3S的含量要求降低,可使用低品位石灰石,生料中含铝量降低,可采用高铝粘土或低品位铝矾土,如此,既扩大了原料来源,又大大节约了优质石灰石等不可再生资源的使用,也减少了废气
17、(CO2)排放对环境的污染;从提高强度、降低生产成本、节约矿产资源、节能利废、保护环境等方面综合考虑,其经济、环境、社会效益显著。目前,对于阿利特-硫铝酸钡钙矿相体系我们已经作了初步的研究和探讨46,并在较低的温度范围内烧成了(CB)4A3?S-C3S。(CB)4A3与C3S等硅酸盐水泥熟料矿物可以共存,这为高胶凝性阿利特-硫铝酸钙(钡)矿相体系的建立奠定了重要基础。从以上分析可见,若能成功研制阿利特-含钡硫铝酸盐水泥,则将对我国水泥工业的发展具有深远的意义。参考文献:1I V Kravchenko.Alite-sulphoaluminate clinker and its cementJ.C
18、ement(Russian),1978,7(8):1-6.2TV Kuzcovaetal.Manufacture and studyof modified Alite-sulphoalu2minate clinkerJ.Cement(Russian),1978,39:5-6.3 刘晓存,李艳君.粉煤灰配料制备阿利特-硫铝酸盐水泥J.水泥 石灰,1993,(3):2-7.4H GSmoiczyk.矿渣的结构和矿物鉴定A.第七届国际水泥化学会议论文集 C.北京:中国建筑工业出版社,1985:239-253.5M Daimon.矿渣水泥化学机理和动力学A.第七届国际水泥化学会议论文集 C.北京:中国
19、建筑工业出版社,1985:254-262.6 刘晓存,李艳君,邱一平.矿渣阿利特-硫铝酸盐水泥性能的研究J.水泥,1997,(12):2-5.7 刘晓存,李艳君.粉煤灰配料烧制阿利特-硫铝酸盐水泥的生产实践J.水泥,2001,(5):34-35.8 刘晓存,李艳君.阿利特-硫铝酸盐水泥与硅酸盐水泥复合性能的研究J.水泥,1998,(2):10-12.9 王复生,杨海艳,汤仕发.复合硫铝酸盐水泥的实验研究J.山东建材,1997,(6):4-6.10 蔡丰礼.利用高铝煤矸石和盐石膏低温烧制阿利特-硫铝酸盐水泥熟料的研究J.水泥,2001,(6):4-8.11蔡丰礼.阿利特-硫铝酸盐自应力水泥的试验
20、研究J.水泥,2002,(2):11-13.12Christensen N H,Johansen V.The effect of fluxes in cement mineralsJ.Cement and concret research,1979,(9):1-6.13K lemn WA,Holub KJ,SkalnyJ.The effect of fluxes and mineralizersin liwering cement kiln temperatureJ.Progress Report 3,MartinMarietta Corp,Maryland,1978,10:35-38.14
21、刘晓存,李艳君,孙祥作.P2O5对阿利特-硫铝酸盐水泥熟料矿物形成及性能的影响J.水泥,1996,(12):10-13.15 李艳君,刘晓存,陈亚明.Fe2O3对阿利特-硫铝酸盐水泥性能影响的初步研究J.水泥工程,2000,(3):9-10.16 李艳君,刘晓存,曾贤成.Fe2O3对阿利特-硫铝酸盐水泥熟料矿物形成影响的研究J.水泥,2000,(3):5-7.17 李艳君,刘晓存,陈亚明.MgO对阿利特-硫铝酸盐水泥熟料矿物形成及性能影响的研究J.水泥,1999,(1):1-3.18 李艳君,刘晓存,徐红燕.MgO对高钙硫铝酸盐水泥性能影响的研究J.水泥技术,2000,(1):50-52.19
22、 李艳君,刘晓存,张启龙.SO3对阿利特-硫铝酸盐水泥熟料中C3S,C4A3矿物形成影响的研究J.山东建材学院学报,2000,14(1):1-3.20 李艳君,谢 英,刘晓存.SO3对阿利特-硫铝酸盐水泥熟料62 济 南 大 学 学 报(自然科学版)第18卷 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/性能影响的研究J.水泥工程,2000,(6):4-6.21 李艳君,张 宁,张西臣,等.CaF2对C3S和C4A3矿物形成及共存的影响J.山东建材学院学报,2001,
23、15(2):105-107.22 李艳君,李永怀,张宁,等.碱对阿利特-硫铝酸盐水泥熟料矿物形成及水泥性能的影响J.水泥,2001,(4):4-6.23 刘晓存,张健茂,陈亚明,等.添加剂对C3S和C4A3矿物形成及共存的影响J.济南大学学报(自然科学版),2002,16(1):14-18.24 李艳君,刘晓存.石膏对阿利特-硫铝酸盐水泥性能的影响J.水泥,1994,(8):1-4.25 李艳君,刘晓存.石灰石对阿利特-硫铝酸盐水泥性能的影响J.硅酸盐通报,1994,(4):64-68.26I Teoreanu.Type 3(CaOAl2O3)Mx(SO4)ycompounds and com
24、pati2bility relations in CaO-CaOAl2O3Mx(SO4)ysystemsJ.Cemen2to,1986,(2):39-46.27 冯修吉,廖广林,李郑辉.新型含钡硫铝酸盐水泥的研究A.第四届全国水泥化学会议论文C1 北京:中国建筑工业出版社,1988.28 廖广林,李郑辉.含钡硫铝酸盐水泥的研究J.武汉工业大学学报,1992,14(2):37-41.29 阎培渝.3CaO3Al2O3SrSO4浆体结构与强度的关系J.武汉工业大学学报,1994,16(1):19-22.30 程 新.3CASrSO4的结构与特性和计算量子化学在一些水泥矿物研究中的应用D.武汉:武汉
25、工业大学,1994.31Feng Xiuji,Cheng xin.The structure and quantum chemistry studiesof 3 CaO3Al2O3Sr SO4J.Cement and Concrete Research,1996,26(6):955-962.32P Yan.Hydration of Sr-and Ba-bearing sulphoaluminates in thepresence of sulphatesJ.Advances in Cement Research,1993,(5):65-69.33P Yan.Investigation on t
26、he hydration of Sr-and Ba-bearingsulphoaluminate A.9th International Congresson the ChemistryofCementC.India:Elsevier Applied Science,1992:411-417.34 滕 兵,程 新.含钡硫铝酸钙晶体的合成及其结构和形态J.人工晶体学报,1999,28(2):193-197.35 常 钧,刘福田,芦令超,等.利用含钡废渣烧制硫铝酸盐水泥的研究J.硅酸盐通报,1999,(3):43-47.36 程新,常钧.The systhesis and hydration of
27、 some minerals in system(Ca,Ba,Zn)O-Al2O3-(Ca,Sr)SO4J.4thBISCC,1998.1(10):283-285.37常 钧.新型含钡水泥的研究M.武汉:武汉工业大学,1998.38Cheng Xin,Chang Jun,Lu Lingchao,et al.Study of Ba-bearingsulphoaluminate minerals and cementJ.Cement and Concrete Re2search,2000,30(1):77-81.39Cheng Xin,Yu jinghua.Formation and bond p
28、erformance of some et2tringites by aquantum chemistry methodsJ.Cement and ConcreteResearch,1997,27(7):1085-1092.40 常 钧,芦令超,刘福田,等.含钡硫铝酸钙水泥矿物的研究J.硅酸盐学报,1999,27(6):644-650.41 程 新,刘福田,宋廷寿,等.新水泥矿物含钡硫铝酸钙的合成与水化 C.北京:第七届水泥化学学术会议论文:417-421.42 常 钧,芦令超,刘福田,等.微量元素对含钡硫铝酸钙的合成及特性的影响J.硅酸盐通报,1997,增刊:408-412.43Cheng
29、Xin,Chang Jun.Study of Ba and Sr bearing calcium sulphoa2luminate cement J.14thInt.Baustofftagung,2000,10:513-518.44Cheng Xin,Chang Jun.Study on Ba-bearing sulphoaluminate ce2ment mineral J.Cement and Concrete Research,2000,30(1):77-81.44 Cheng Xin,Chang Jun.Influence of fluorite on the Ba-bearingsu
30、lphoaluminate cement J.Cement and Concrete Research,2001,31(3):213-216.45 董广驰.我国含钡硫铝酸盐水泥研究及产品达到国际领先水平J.中国建材,2001,33(11):36.46 程 新,芦令超,王来国,等.高胶凝性阿利特-硫铝酸钡钙矿相体系的初步研究C.北京:中国硅酸盐学会2003年学术年会,2003:502-507.Development of compositecement materials on Portlandand sulphoaluminate mineralsWANGLai-guo,LU Ling-cha
31、o,CHENG Xin(School of Materials Science and Engineering,Jinan University,Jinan 250022,China)Abstract:This paper has the comprehensive research,devel2opmental status and the present study hotspot of Alite-sulphoalumi2nate cement and Belite-Ba-bearing calcium sulphoaluminate ce2ment.Finally,the develo
32、pmental trends of a new type cement withAlite-Ba-bearing calcium sulphoaluminate as dominant mineralwas prospected.Key words:alite;belite;sulphoaluminate mineral;Ba-bearingcalcium sulphoaluminate minerals72第1期 王来国,等:硅酸盐与硫铝酸盐矿物复合水泥材料的研究进展 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/