C4A3$-Ternesite-C2S体系熟料形成化学及水化基础研究

This project aim to research a new kind of clinker based on C4A3$-Ternesite-C2S system, which can be prepared by using industrial wastes and low-grade limestone. The clinker has some advantages, such as low energy consumption and low CO2 emission. For the preparation of the clinker at low temperature and the matching of main phases, the formation chemistry and thermodynamics and kinetics of formation and decomposition of the main phases in the process of heating and cooling will be investigated by High temperature X ray diffractometer and Simultaneous thermogravimetric analyzer. The effects of solution containing high alumina on the hydrations of Ternesite and C2S, and the hydration process of the system clinker will be studied by Micro laser Raman spectroscopy and ICP spectrometer. It is hoped to reveal the preparation mechanism and action mechanism of trace elements on the clinker, set up the relationship between the main phase components and properties, discuss the hydration interaction among C4A3$, Ternesite and C2S, and clarify the hydration mechanism of the clinker, the composition of hydration products and evolution of micro nanostructure. The basic theoretical knowledge will be improved and perfected for C4A3$-Ternesite-C2S system clinker to achieve the adjustment and upgrading of traditional cement industrial structure under the new economic normal state.

本项目旨在研究一种基于C4A3$-Ternesite-C2S体系的新型低碳熟料，该熟料可利用工业废渣及低品位石灰石等作为原材料，具有低能耗、低CO2排放等优点。围绕新体系熟料低温制备及矿物组成匹配等科学问题，利用高温X射线衍射仪、同步热重分析仪等模拟分析研究升降温过程新体系熟料中主要矿物相的形成化学及其形成、分解热力学和动力学；利用显微激光拉曼光谱、ICP光谱仪等分析研究高铝溶液对Ternesite和C2S水化的影响及新体系熟料的水化历程。揭示新体系熟料低温制备机理及微量元素的作用机制；建立主要矿物相组成与性能的关系；探讨C4A3$、Ternesite、C2S之间的水化相互作用，阐明新体系熟料水化机理以及水化产物组成、微纳米层次结构的演变规律，为新体系熟料矿物相组成的匹配优化提供理论指导。完善新体系熟料制备与水化的基础理论知识，实现经济新常态下传统水泥产业结构调整与升级。

针对水泥行业双碳战略目标，以新型低碳胶凝材料“C4A3$-Ternesite-C2S熟料”为研究对象，围绕该体系熟料形成热力学、动力学和矿物组成匹配两个关键科学问题，在C4A3$-Ternesite-C2S体系熟料高温形成化学及动力学、熟料矿相组成设计及调控、微量元素对熟料制备的影响和熟料水化浆体组成、微结构演变规律与调控等方面开展了研究工作。.通过四年的研究工作，已全面完成项目研究内容，达到了项目预期目标。主要成果包括：确定了ternesite单矿形成和分解热、动力学条件，该矿物在1100℃下形成，1225℃时发生分解；建立了该单矿的形成和分解动力学方程，均符合杨德尔模型；并建立了ternesite形成固相反应模型。确定了C4A3$-ternesite-C2S体系烧成工艺制度，构建了物相组成与煅烧温度、保温时间的关系；阐明了生料在升温过程中的物理化学反应过程以及微量元素(Na2O、MgO、Fe2O3)等对主要物相形成的作用机制。阐明了该体系水泥的水化浆体物相组成与微结构演变规律；揭示了ternesite的水化反应机理，并建立了反应模型；构建了该体系水泥的抗压强度与体系中ternesite含量的关系。在以上研究基础上，利用工业固体废弃物和天然原料为原料，成功低温制备了C4A3$-Ternesite-C2S体系熟料；并确定了该体系水泥中的石膏最佳掺入量和熟料中的ternesite物相最佳含量，形成了该体系水泥制备技术。.研究过程中共发表SCI论文10篇；授权国家发明专利3件，俄罗斯发明专利1件；获中国建筑材料联合会.中国硅酸盐学会建筑材料科学技术奖一等奖1项；共培养教授1名，副教授1名，硕士研究生11名。 .本项目研究方向契合国家双碳战略目标，研究成果具有良好应用前景，并对社会发展具有重要意义。