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    高性能水泥制备技术进展
    作者:winson    加入时间:2009/5/18    点击数:5299

    前言 作为一种大宗的应用性建筑材料,水泥在国家经济建设中具有重要的作用。作为人口最多的发展中国家,我国在未来数十年中尚需要进行大量的基础性建设,这需要大量水泥作为支撑,对于水泥数量与质量的要求自然也与日俱进。然而应该指出的是,由于发达国家基础性建设的高峰期已经过去,他们对于水泥的需求相对而言并不迫切,这在相当程度上影响了他们对于水泥科学研究的重视,因此,对于水泥工业许多高科技领域,中国水泥研究者、生产者与应用者从发达国家那里可以得到的借鉴也相对较少。 为了加速我国传统行业基础性研究的步伐,国家设立“重点基础研究发展规划”项目、又称之为“973”项目。与其它大多数科研项目不同的是,本项目中的每个立项针对的均是一个行业中所需要解决的共性问题。相应地,其每个立项的组成人员均基本涵盖该行业中所有的知名学者;而其它科研立项则大多数只是某领域内的数位研究者对该领域内的某个局部问题进行探索。

    经申请,2001年12月,国家科技部批准设立“高性能水泥制备与应用的基础研究”973项目,主要目的是基于目前水泥体系极其复杂、现有水泥科学理论尚不十分完善、无法支撑提高水泥性能和高效利用工业废渣的技术开发的现状,希望研制出一种不同于传统水泥的高性能水泥:具有高的强度,优异的耐久性和良好的环境协调性。项目组提出的技术路线是由高胶凝性水泥熟料和高度激活的具有性能调节作用的辅助性胶凝组分构成新的高性能低钙水泥材料体系。在大幅度提高水泥性能的同时增加工业废渣的掺量,消纳大量固态工业废弃物、提高其利用效率、降低资源和能源消耗;以这一水泥为胶结组分的水泥基材料水化硬化体应具有致密和稳定的亚微观结构,从而赋予其优异的耐久性能。

    该项目依托单位为中国建筑材料科学研究院,有八家大学或科研院所参加,集中了我国水泥科技界的几乎全部精干的研究力量。经过三年艰辛探索,该项目已取得较为丰硕的成果,共发表论文180余篇,申请国家专利34项,其中获专利授权5项,顺利通过国家科技部组织的中期考核,目前正在进行二期科研工作。本文就该项目所取得的某些主要成果进展作一简要介绍,以期能与广大水泥生产者与应用者共享。

    2 “高胶凝性水泥熟料矿物体系的研究”主要进展 熟料是硅酸盐水泥生产所需要制备的基础性物质,也是水泥厂消耗能源的主要对象;如何制备出高性能熟料,无疑是能否获得高性能水泥的重要因素。经深入研究,本项目建立了如下理论:

    2.1 初步建立如何形成高对称性晶型阿利特的理论 采用X射线衍射方法,测定纯C3S和掺杂C3S固溶体以及从熟料中萃取出的C3S固溶体(阿利特)的晶型变化,用扫描电子显微镜、能谱分析、光学显微镜岩相分析研究不同C3S的形貌和元素分布,采用高分辨率电子显微镜观察不同C3S的微观结构,得出主要结论是:某些掺杂条件可使C3S固溶体由对称性低的C3S三斜T3型向对称性高的晶型转变,这是C3S因晶格畸变化所导致的晶型变化。用高分辨率电子显微镜观察也发现C3S晶格发生明显变化。依据这些结论,可以认为,通过人为控制某些掺杂条件,可使C3S的晶格畸变化,由目前传统水泥中的对称性较低的结构转变成具有较高对称性的结构。

    2.2 初步建立通过阿利特晶体高度介稳化提高熟料胶凝性的理论 在阿利特的7种晶型中,三方的R型是高温稳定的晶型,三斜的M1型是最低温稳定的晶型,常温下各种晶型的阿利特都是以介稳状态存在的,显然高温型阿利特的介稳化程度较高。研究结果表明:含高温晶型阿利特的熟料胶凝性高于含低温晶型阿利特的熟料。通常熟料中的阿利特属较低温晶型的单斜晶系,因此,欲获得更高胶凝性的熟料,就应尽量使阿利特晶体保留高温晶型、高度介稳化,使其处于更高的跃迁能量状态。本项目通过大量研究,设法通过控制工艺参数制成了阿利特属高度介稳态的最高温型三方晶系的水泥熟料,研究表明,在熟料矿相组成相同的条件下,含高度介稳化阿利特的熟料28天强度可提高5MPa左右。

    2.3 初步建立多元掺杂提高阿利特高温形成速率的理论 传统复合矿化剂作用机理为:形成中间过渡相、增加液相含量、降低液相粘度,从而降低熟料烧成温度。虽有一定效果,但缺点是掺杂量大,高温时SO3挥发使矿化效果下降。本项目研究时考虑到矿化剂资源的广泛性,提出适合于高阿利特熟料体系的多元掺杂理论,实际的微量矿化元素掺入总量较低;其作用机理属于固溶、晶型转变和降低阿利特生长活化能等的复合效应。本理论适宜于现代化水泥生产工艺,因为现在的主导水泥生产装备在烧制熟料时并不需要降低烧成温度,而是普遍采用高温煅烧;对于高性能水泥所需的高C3S含量水泥熟料,为使所需烧成温度不至于过高,采用多元掺杂,可在正常烧成温度下加速阿利特的形成,因而可在正常烧成温度下制成优质的高胶凝性熟料。 2.4 初步建立适应于高胶凝性熟料体系的矿相匹配优化理论 目前,多数工厂采用石灰饱和系数KH、硅酸率SM和铝氧率IM进行配料计算和生产控制。而本项目研究结果表明:对于高胶凝性水泥熟料,采用李-派克系数LSF替代石灰饱和系数KH更有利于优化矿物匹配关系。不同硅酸率配料的烧成试验表明,硅酸率增加,熟料易烧性突然变差,所对应的石灰饱和系数KH值变化点数值也随之增加,不同SM和IM条件下KH和f-CaO关系表现出很大的离散性;另一方面,同等条件下LSF和f-CaO之间离散性关系则较小,无论熟料硅酸率如何变化,LSF的突变点相对比较稳定,均在较小的范围内波动。

    在上述研究基础上下面组提出高胶凝性硅酸盐水泥熟料极限石灰率值的基本控制方法:将LSF控制在一定数值,同时选择合理的SM值和IM值,优化率值方案,有利于烧成,从而提高熟料的胶凝性能。按照本方法,于实验室内制成的高胶凝性水泥熟料28天抗压强度达到70MPa,为实现本项目研究的最终目标奠定了良好的基础。

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