阿利特硫铝酸钡钙水泥的制备及组成、结构与性能研究

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1、武汉理工大学薄士学位论文摘要传统硅酸盐水泥已经得到了广泛的应用，并且在二十一世纪仍然是最重要的建筑材料之一。但其具有的早期强度偏低，烧成温度高，硬化水泥浆体体积收缩等缺点不能适应现代建筑对高性能胶凝材料的要求，因此，如何提升水泥材料的性能，特别是早期力学性能、体积稳定和耐久性，并达到节约能源、节约资源、保护环境的目的，是水泥科技领域研究的重要方向，对国民经济与社会发展具有重要意义。通过矿物复合技术制备新型高性能水泥材料是解决这些问题的有效途径之一。近年来，硫铝酸钡钙矿物的发现，引起了众多学者的关注。组成为2．75CAO·3A12

2、03·1．25BaS04(C2758125A3S)的硫铝酸钡钙具有优良的快硬早强性能，特别是其早期力学性能明显优于无水硫铝酸钙4CaO·3舢203-CaS04(C4A3i)，而且该矿物的烧成温度低，并在水化硬化过程中具有体积微膨胀等特性，能够有效的改善硅酸盐水泥的早期性能和耐久性，但是其后期强度增进率低。本文将硫铝酸钡钙矿物与硅酸盐熟料矿物体系进行复合，充分发挥硫铝酸钡钙和阿利特这两种高胶凝性矿物的优点，制各了早期性能优良的高胶凝性阿利特．硫铝酸钡钙水泥材料，系统研究了其制备工艺及组成、结构与性能的关系。本文首先研究了C2758

3、1．25A3s的形成动力学、热分解特性和水化性能，结果表明：该矿物在l000℃左右就开始形成．1300—1350℃生成速度较快，继续升高温度到1370℃以上，开始发生缓慢分解，其热稳定性明显高于C4A3i；c275BI25A3S矿物的水化速率较快，快硬早强性能突出；在1150～1300℃温度范围内C27581．25A3S的形成反应属于扩散动力学范围，满足Glinsfling动力学方程F(Q)=卜2Q／3一(卜n)∞=K“．口t，矿物形成的扩散活化能为280．39kJ·tool-1。当合成温度为1350"C时，Cz，sBt25A3

4、S的形成同时受扩散和界面化学反应控制，满足界面化学反应方程F(n)=1-(1-n)∞=Kn_c)t；当少量CaF2存在时，C275Bl25A3S形成过程中一直伴随有CllA7-CaF2的生成。当煅烧温度低于1300"(2时，CaF2能促进C2mB协A3S矿物的生成，高于1300"C时，由于C11A7。CaF2的形成速度加快，CRF2可能会延缓C2．75Bl工5A3S的形成。采用正交实验的方法优选了熟料组成和煅烧制度，应用材料热力学的基本原理对熟料组成进一步优化，并综合考虑了水泥的力学性能和新型干法制造工艺对熟料组成设计的要求，确

5、定了熟料最佳组成。在优化选择熟料组成的基础上，考虑到s03和BaO在熟辩烧成过程中有少量挥发或固溶，使C2．75Bl∞A3S武汉理工大学博士学位论文的形成量减少，故相应提高了S03和BaO在熟料中的掺最，并研究了水泥力学性能随S03、BaO以及CaF2掺量的变化规律。结果表明：阿利特和硫铝酸钡钙矿物可以在同一熟料矿物体系中复合与共存，这为高胶凝性阿利特．硫铝酸钡钙水泥的合成奠定了重要基础；在硫铝酸钡钙矿物含量为6，O％的条件下，与之复合的硅酸盐水泥熟料的率值分别为铝率1．5，硅率2．5，石灰饱和系数0．92；具有该组成的熟料其反

6、应标准吉布斯自由能较小，反应趋势较大，掺加CaF2后熟料体系的反应趋势继续增大；在熟料中过量掺入s03和BaO对体系力学性能有利，适宜过掺量为其理论含量的50％，CaFz在熟料中适宜掺加量是0．6．1％；熟料的适宜煅烧温度是1380‘C；在该条件下制备的水泥净浆小试体ld龄期抗压强度超过27MPa，3d和29d龄期的抗压强度分别达到70MPa和l19MPa，展现了良好的早期力学性能和稳定发展的后期强度。采用Ⅺ①、sEM．EDS、ESEM、DTA．TG、岩相、孔结构和水化热等测试技术，研究了水灰比、铝硫比对水泥的水化速率、水化程度

7、及硬化浆体组成、微观结构和孔结构的影响规律，分析了孔结构与力学性能的关系。结果表明：适当增加石膏掺量能加快水化速率，明显提高水泥早期强度，其适宜的铝硫比为I／0．9；硬化水泥浆体的结构致密，最可几孔径在10rim以下；对钙矾石含量较高的阿利特-硫铝酸钡钙水泥硬化浆体，由于其多害孔孔隙率不随胶空比的增加而降低，使其抗压强度与胶空比不符合Powers公式f=Axn。在实验室研究的基础上，进行了工业化技术研究，取得了较好效果。工业化研究结果表明：阿衬特．硫铝酸钡钙水泥在ld、3d和29d龄期的标准抗压强度分别达到28．1、38．6和6

8、0．7MPa，其早期强度明显高于硅酸盐水泥；该水泥烧成温度约为1350℃，比硅酸盐水泥降低100．150"(3，熟料易于烧成和粉磨，因此可节约能源；同时，可利用含钡工业废渣进行生产，既节约资源，又利于环保。关键词：硫铝酸钡钙，阿利特，水泥，熟料组成，热力学。硬化