CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3-SO3系统硅酸盐水泥熟料形成化学与水化基础研究

The emission of lots of CO2 is from clinker in cement industry. It is key to lower the emission of CO2 by increasing the cohesion of the clinker and decreasing energy consumption for the manufacture of the clinker. CaO-SiO2 -Al2O3-Fe2O3-SO3 quinary system as the research object in this project, the formation chemistry of the clinker and microstructural development of the clinker paste will be explores as far as the formation and hydration of the clinker are concered , especially thermochemistry of the clinker formation in the process of cooling. The second formation chemistry and thermodynamics of calcium sulphoaluminate will be studied at the different chemical composition and different cooling protocol. The clinker containing 5-10% calcium sulphoaluminate and 65-70% Alite will be made to improve its cohesion. The microscope structure of the clinker paste will be investigated to illustrate the mechanisum of structural development. The XRD-Rietveld and HighScore Plus software will be used to quantify the mineral composition and hydration products of the clinker. The hydration kinetics , microscope structure and pore distribution in the clinker paste will be conducted by Isothermal Calorimetery，SEM-BSE and MIP. On the base of above research, the technical parameters for the manufacture of the clinker will be proposed which is important guidance for the manufacture and application of the clinker.

水泥CO2排放绝大部分来自熟料，提高熟料胶凝性，降低形成热耗是实现碳减排的关键。本项目以CaO-SiO2 -Al2O3-Fe2O3-SO3体系为研究对象，围绕熟料形成尤其是冷却过程的热化学，以及水化过程，探索体系矿相形成化学和浆体结构演变等科学问题，研究不同的化学组成，不同的冷却制度条件下，硫铝酸钙二次形成化学和热动力学，制备硫铝酸钙含量为5-10%，阿利特含量为65-70%的水泥熟料，提高水泥熟料的胶凝性；研究该体系水泥熟料微观结构的发展规律，阐明微观结构的演变机理。借助XRD-Rietveld分析方法和HighScore Plus软件定量分析熟料矿物和水化产物组成；利用Isothermal Calorimetery，SEM-BSE和MIP研究水泥熟料的水化动力学，浆体微观结构和孔分布。通过以上基础研究，提出该体系水泥熟料的制备工艺参数，对实现工业化生产和应用具有重要指导作用。

2014年我国水泥产量24.76亿吨，约占全球水泥产量的60%，已连续30年居世界首位。世界自然基金会（WWF）预计2050年全球产量为55亿吨。水泥中60%-95%的组成材料是熟料。熟料的生产过程存在能耗高、资源消耗大、污染严重以及产品品质差等问题。1吨熟料大约排放0.98吨CO2。据统计水泥工业CO2排放约占全球CO2排放总量的8%。因此，从本质上提高熟料的胶凝性，减少水泥对熟料量的需求，提高水泥中工业废渣的使用量，是实现水泥工业节能减排的一条切实可行之路。. 硅酸盐熟料中引入硫铝酸钙矿物（C4A3$），可改善硅酸盐熟料的早期力学性能。为使硅酸盐熟料的早、后期强度协同发展，本项目系统研究了CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3-SO3五元体系在升温和降温过程中的物理化学反应及其反应机理；研究了热处理和化学组成以对CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3-SO3五元体系矿物组成的影响；研究了不同气氛环境对CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3四元体系硅酸盐熟料组成的调控；以及研究了CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3-SO3五元体系熟料的水化动力学，浆体的组成及结构随水化龄期的变化规律。阐明了CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3-SO3五元体系在升降温过程中的物理化学过程，发现冷却过程中C4A3$的二次形成，并揭示了C4A3$二次形成机理和建立了二次形成的模型。提出了高C3S含量协同C4A3$共存的熟料制备新技术，并确定了制备工艺参数。以此为基础，成功制备了C3S含量为65%左右，C4A3$含量在5%左右共存同一体系的熟料。同时，利用工业废渣作为原料，在1300℃煅烧温度未经热处理的情况下制备了C3S- C4A3$体系的熟料，且各龄期的力学高于同组成原料在1450℃煅烧温度下制备的硅酸盐熟料。另外，发明了气固反应制备C3S- C4A3$体系熟料的新工艺，揭示了含SO2气氛环境下C3S- C4A3$体系熟料形成机理。阐明了C3S- C4A3$体系熟料早期力学性能发展机理。. 本项目的研究完善了CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3-SO3五元体系的基础理论知识，为水泥工业的节能减排提供了新的技术途径和研究思路。同时也为其它行业减少SO2对环境的污染提供了参考。