利用低品位原料及工业废弃物制备贝利特—硫铝酸钡钙水泥及其性能的研究

论文摘要

随着水泥工业的快速发展,其生产规模不断扩大,优质石灰石、粘土等资源的消耗量也越来越大。加之传统硅酸盐水泥能耗高、污染大且水泥混凝土耐久性偏差等缺点,难以满足低碳节能以及生产高性能、多功能水泥的要求。因此,利用低品位原料及工业废弃物替代优质资源,生产高性能水泥成为研究热点。贝利特-硫铝酸钡钙水泥是一种新型低钙水泥,具有节能降耗、长期强度高和耐久性好等优点,适合制备高性能水泥混凝土。本文主要通过应用低品位原料以及工业废弃物制备贝利特-硫铝酸钡钙水泥,结合XRD、SEM-EDS、HTM等测试手段对该水泥熟料的结构和性能进行了系统研究。同时为了研究氧化钡掺入对该水泥熟料体系的影响,特别是对贝利特矿物的影响,利用化学试剂为原料,结合XRD、SEM-EDS等测试方法研究了掺杂BaO对C2S组成和结构的影响。主要结论如下:利用高硅石灰石可以在煅烧温度为1380℃的条件下制备出含有C2S,C3S,C3A,C4AF和C2.75B1.25A3S五种矿物的贝利特-硫铝酸钡钙水泥熟料。高硅石灰石具有分解温度低的特点,虽然其内部的α-石英阻碍了C3S矿物的形成和发育,但是本身固有的氧化镁等微量组分又对C3S的形成具有促进作用。随着其掺量的增加,水泥抗压强度呈现先增大后减小、再缓慢增大的规律,当高硅石灰石与普通石灰石的质量比为1:5时,水泥的3,7,28d抗压强度分别为37.9,60.3,87.9MPa,展现了良好的力学性能。电石渣的分解温度低,掺入电石渣可降低熟料煅烧过程中液相出现的温度,增加液相量,改善生料的易烧性,促进硅酸盐矿物的形成。可利用电石渣与高硅石灰石制备出贝利特-硫铝酸钡钙水泥熟料。随着电石渣掺加比例的降低,水泥抗压强度呈现出先减小、再缓慢增大的规律。当全部用电石渣提供钙质原料时,水泥的3,7,28d抗压强度分别为29.3,40.5,81.1MPa,力学性能良好。利用粉煤灰制备贝利特-硫铝酸钡钙水泥熟料的最佳煅烧制度为煅烧温度1380℃,保温时间90min,冷却方式急冷。在最佳煅烧条件下,熟料中的硫铝酸钡钙矿物形成数量较多,矿物发育良好,水泥3,7,28d抗压强度分别为32.6,47.9,88.5MPa。在13501410℃范围内,随着煅烧温度的升高,抗压强度先增大,后减小。掺入粉煤灰可以改善生料的易烧性,促进硅酸盐矿物的形成,有利于贝利特-硫铝酸钡钙水泥性能的提高。在熟料率值为石灰饱和系数0.81、铝率1.1、硅率2.9,且粘土与粉煤灰的质量比为2:1时,水泥的3,7,28d抗压强度分别为34.6,49.8,92.2MPa,展现了良好的力学性能。利用化学试剂在煅烧制度设计为升温速率5℃/min,煅烧温度1350℃,保温时间10h,冷却方式为随炉冷却的条件下,经过两次煅烧可合成C2S单矿物。随着BaO外掺量和内掺量的增加,试样的粉化率都呈现下降的趋势,有利于β-C2S结晶发育和常温下晶型的稳定。当外掺量为5%（质量分数）时,试样的粉化率降至最低,试样的f-CaO接近最大值,为外掺BaO的极限固溶比例,此时β-C2S分散均匀,呈现出较为圆润的晶体轮廓。进行内掺研究,当矿物设计为Ca1.997Ba0.03SiO4时,试样的f-CaO降至最低,矿物尺寸接近7μm,内掺量高于3%时,f-CaO反而升高,晶体之间熔合程度较大,不利于矿物的形成和发育。随着煅烧次数的增加,以及冷却速率的提高,试样的粉化率降低,但下降幅度不大,较BaO掺入量变化带来的影响,反复煅烧的次数和不同的冷却方式对于稳定β-C2S所起作用不显著。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的目的和意义
• 1.2 国内外研究动态
• 1.2.1 贝利特水泥
• 1.2.2 贝利特矿物的活化
• 1.2.3 贝利特-硫铝酸盐（钙）水泥
• 1.2.4 硫铝酸钡钙矿物和含钡硫铝酸盐水泥
• 1.2.5 低品位原料与工业废弃物的应用研究
• 1.2.6 贝利特-硫铝酸钡钙水泥
• 1.3 主要实验内容
• 1.4 实验方案设计
• 第二章 原料和实验方法
• 2.1 实验原料
• 2.2 实验
• 2.2.1 水泥配料计算
• 2.2.2 实验方法
• 2.2.3 测试方法
• 第三章 高硅石灰石制备贝利特-硫铝酸钡钙水泥的研究
• 3.1 实验原料与方案
• 3.1.1 原料及实验方法
• 3.1.2 实验方案
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 水泥力学性能分析
• 3.2.2 石灰石DTA-TG-DTG 分析
• 3.2.3 原料的XRD 分析
• 3.2.4 熟料的XRD 分析
• 3.2.5 熟料的岩相分析
• 3.2.6 熟料的SEM-EDS分析
• 3.2.7 水化产物的XRD 分析
• 3.2.8 水泥水化产物的SEM-EDS分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 电石渣制备贝利特-硫铝酸钡钙水泥的研究
• 4.1 实验原料与方案
• 4.1.1 原料及实验方法
• 4.1.2 实验方案
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 水泥力学性能分析
• 4.2.2 电石渣的XRD 分析
• 4.2.3 生料的易烧性分析
• 4.2.4 熟料液相性质的HTM 分析
• 4.2.5 熟料的XRD 分析
• 4.2.6 熟料的岩相分析
• 4.2.7 熟料的SEM-EDS分析
• 4.2.8 水化产物的XRD分析
• 4.2.9 水化产物的SEM-EDS分析
• 4.2.10 电石渣对贝利特-硫铝酸钡钙水泥性能的影响机理
• 4.3 本章小结
• 第五章 粉煤灰制备贝利特-硫铝酸钡钙水泥的研究
• 5.1 煅烧制度的研究
• 5.1.1 实验原料与方案
• 5.1.2 结果与分析
• 5.2 掺入量的研究
• 5.2.1 实验原料与方案
• 5.2.2 结果与分析
• 5.3 本章小结
• 2S组成和结构的影响'>第六章 掺杂BaO 对C₂S组成和结构的影响
• 2S单矿物合成方法的探究'>6.1 C₂S单矿物合成方法的探究
• 6.1.1 实验原料
• 6.1.2 实验方案
• 6.1.3 矿物的XRD分析
• 6.1.4 矿物的SEM-EDS分析
• 2S组成与结构的影响'>6.2 外掺BaO对C₂S组成与结构的影响
• 6.2.1 实验原料
• 6.2.2 实验步骤与方案
• 6.2.3 粉化率分析
• 6.2.4 f-CaO 分析
• 6.2.5 试样的XRD 分析
• 6.2.6 试样的SEM-EDS分析
• 2S组成与结构的影响'>6.3 内掺BaO对C₂S组成与结构的影响
• 6.3.1 实验步骤与方案
• 6.3.2 粉化率分析
• 6.3.3 f-CaO分析
• 6.3.4 试样的XRD分析
• 6.3.5 试样的SEM-EDS分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录