新型贝利特硫铝酸钙水泥熟料矿物低温形成、共存机制及其组成匹配研究

Belite-calcium sulphoaluminate (C4A3$) cement has significant low carbon and energy saving features. However, low mid-term mechanical strength and sulfur emission pollution problem of belite-C4A3$ cement limited their applications. To overcome these problems, in this project, calcium sulphosilicate (C5S2$) will be used as a mid-term strength component, and based on the new idea of inducing nucleation to promote the formation of C4A3$ at low temperature, one step form the new type belite-C5S2$-C4A3$ cement clinker.Moreover, the decomposition of sulfur at high temperature will be eliminated from the source. The main research contents include (1) to elucidate the influence of calcium aluminate (C12A7, CA) and other nucleation on the formation process of C4A3$, select the best path of nucleation at low temperature, and establish the kinetic equation of C4A3$ formation at low temperature; (2) to adjust the composition of belite-C5S2$-C4A3$ clinker, and study the coexistence mechanism of the clinker minerals at low temperature and the existed form of sulfur using solid waste residue ( which can be decomposed into nucleating agent when calcination) as an accelerant; (3) to explore the relationship between the clinker mineral composition and the cement hydration- hardening properties. This project is expected to reveal the mechanism of low temperature formation of the clinker, establish the optimal composition matching, and optimize the mid-term performance of this cement. The research results will provide guidance for preparation and application of low sulfur emission belite-C4A3$ cement.

贝利特-硫铝酸钙(C4A3$)水泥具有显著的低碳与节能特性，针对该水泥中期力学强度低和硫排放污染问题，本项目以硫硅酸钙（C5S2$）为中期强度组分，基于诱导成核促使C4A3$低温形成的新思路，一步实现贝利特-C5S2$-C4A3$新型水泥熟料矿物共存，并从源头上杜绝硫的高温分解。着重研究：（1）阐明铝酸钙(C12A7、CA)等诱导成核作用对C4A3$形成过程的影响，优选出最佳低温成核路径，建立C4A3$低温形成的动力学方程;（2）调控贝利特-C5S2$-C4A3$熟料组成，并以煅烧分解形成成核剂的固体废渣作为促进剂，研究该熟料矿物相的低温共存机制、硫的存在形式;（3）探索熟料矿物组成的匹配与水化硬化性能间的相互关系。从而揭示该熟料的低温形成机制，确立最优组成匹配，优化中期性能。研究成果将为低硫排放新型贝利特-C4A3$水泥熟料制备奠定应用基础。

针对传统贝利特-硫铝酸钙水泥熟料中期强度低及硫排放污染等技术难题，本项目以新型贝利特硫铝酸盐水泥熟料的低温制备及其组成和性能调控为研究目标，研究了以水化产物前驱体、中间产物、矿化剂、机械力化学活化等不同方法促进低温制备新型熟料体系的技术路线。主要研究内容：（1）阐明不同中间产物、矿化剂对C4A3$低温形成过程的影响，优选出最佳低温形成路径，建立C4A3$低温形成的动力学方程;（2）设计并调控贝利特-C5S2$-C4A3$熟料组成，研究其熟料矿物形成过程及其原理，并选择以固体废渣作为促进剂，探索熟料矿物组成与水化硬化性能间的相互关系，从而揭示该熟料多矿物的低温共存机制，确立组成匹配范围;（3）在外加剂作用下提升水泥性能。研究成果将为低硫排放新型贝利特-C4A3$水泥熟料制备和应用奠定基础。.重要结果：（1）在1150℃-1250℃温度区间内，分别添加铝酸钙和矿化剂后C4A3$单矿物的形成均满足扩散反应方程。C12A7和CuO对C4A3$矿物形成促进作用最大；.（2）设计不同C2S:C4A3$:C5S2$熟料矿物配比，以化学试剂配料用水热合成法或者分别掺入矿化剂和铝酸钙，在1200℃下保温2h烧成了贝利特-硫硅酸钙-硫铝酸钙(BCT)熟料，可见圆球状的C2S、六边形状的C4A3$以及圆棒状的C5S2$矿物，且各熟料矿物实际矿物组成与设计组成相符。当C5S2$含量在10%-25.8%时，其水泥3d抗压强度为43.8-45.6MPa，28d达61.2-64.2MPa。.（3）以机械力活化后的钢渣、煤矸石为主要原料，在1200℃制备了BCT水泥熟料和硫硅酸钙-硫铝酸钙(TY)水泥熟料。钢渣中的铁相以及微量元素可以促进液相在低温下形成，从而促进熟料矿物形成；三熟料矿物清晰可见，且存在一些非晶相。BCT水泥3d和60d抗压强度可达到61.9MPa和88.4MPa。.（4）分别掺入柠檬酸钠（SC）、聚羧酸减水剂（PCE）与亚硝酸钙（Ca(NO2)2）复配均可延长BCT水泥的凝结时间，改善浆体的流动性，提高力学强度和耐久性。当掺0.4%PCE复配0.8% Ca(NO2)2、0.9%SC时，BCT水泥60d抗压强度分别可达到121.1MPa、111.6MPa。掺PCE复配β-CD能抑制水泥早期水化，减缓钙矾石（AFt）的生成速率，AFt多为扁平短柱状，同时提高了浆体致密性。