新型体系贝利特-硫铝酸钡钙水泥熟料矿相形成机制及组成优化

与传统硅酸盐水泥相比，高贝利特水泥具有烧成煤耗低、CO2排放量低、可使用低品质石灰石且消耗量少、长期强度高、耐久性好等突出优点，但该水泥最大缺点是早期强度低，使其应用受到极大限制。本人所在课题组发现硫铝酸钡钙矿相具有突出快硬早强性能，其形成温度与高贝利特水泥主矿相一致。以此为基础，本研究突破硅酸盐水泥四元体系，把硫铝酸钡钙矿相引入到高贝利特水泥熟料中，建立具有五元矿相组成的新型水泥熟料体系，提高贝利特水泥早期强度。为了有效调控该新型水泥熟料体系的矿相组成、微结构和性能，必须在该新型水泥熟料矿相形成机制及组成优化方面展开深入探索。主要研究内容包括：该新型水泥体系中主要矿相的形成机制，熟料主要矿相的形成动力学，贝利特矿相微结构调控，以及熟料矿物组成匹配优化。探索建立该新型水泥熟料体系矿相形成机制的理论基础。

贝利特-硫铝酸钡钙水泥是由两类不同特性的矿物为主导矿物构建的复合型矿物体系，为了有效控制该新型水泥熟料的生产工艺，调控熟料体系的矿相组成和性能，必须研究该新型水泥熟料体系中熟料矿相的形成机制及形成动力学。本课题研究和分析了该水泥熟料各主要矿相形成机制，建立了该水泥熟料体系的形成动力学模型，为工程应用提供理论和技术指导。结论如下：BaO和BaSO4均能够促进贝利特矿物的形成，其晶型为β-C2S、γ-C2S和少量高水化活性α'-C2S，并对稳定β-C2S有重要作用； 0.6%CaF2可使贝利特矿相形成活化能从206kJ•mol-1后降为164kJ•mol-1。 少量BaSO4可稳定M3-C3S晶型，且存在少量的T3-C3S、R3-C3S和T1-C3S；过量BaSO4不利于阿利特矿物形成。CaF2能够促进阿利特矿物的形成，显著促进M3-C3S含量增加。C2.75B1.25A3$矿物形成可通过4个反应途径，并受扩散机制的控制，符合的动力学模型为：D4=1-2α/3-(1-α)2/3。在1100-1300℃和1300-1380℃范围内，C2.75B1.25A3$矿物形成的反应活化能分别为227.5kJ•mol-1和175.9kJ•mol-1。C2.75B1.25A3$矿物的分解受界面化学反应的控制，符合的动力学模型为：R2=1-(1-α)1/3，分解活化能为449.78 kJ•mol-1，主要分解产物为C3A、BA和SO3。在C2S-C2.75B1.25A3$系统中，钡、硫元素的存在使贝利特矿物的形成得到促进，其晶型主要为β-C2S；贝利特矿物的存在为C2.75B1.25A3$矿物的形成提供了表面，降低了其形成势垒，促进了其大量形成，且抑制其高温分解。在C3A/C4AF- C2.75B1.25A3$系统中，中间相能够促进C2.75B1.25A3$矿物的形成，同时中间相粘度和含量对C2.75B1.25A3$矿物的生长发育有重要影响。在水泥熟料中，MgO能够促进f-CaO的吸收，促进阿利特矿物和白色中间相的形成，其适宜掺量为5%。掺杂CaF2水泥熟料形成符合的动力学模型为D4=1-2α/3-(1-α)2/3，0.6%CaF2的使水泥熟料的形成活化能为由250kJ•mol-1 降低到195kJ•mol-1，因此能够很好地促进水泥熟料形成。