阿利特硫铝酸盐水泥概况及研究进展

阿利特-硫铝酸钡钙水泥烧成的影响 CuO的影响
CuO掺量增加，熟料中f-CaO呈递减趋势，说明CuO 能改善生料的易烧性，促进f-CaO吸收。 少量CuO对提高水泥3d和28d强度有利，过量的CuO 会导致水泥的凝结硬化时间延长，不利于水泥早期 和后期性能提高，CuO 在熟料中的含量应控制在质 量分数为0.5%以内。
阿利特硫铝酸盐水泥
演讲人
• 水泥是重要的建筑材料,它对工程建设起着重 要作用。2011年我国水泥产量达17.5亿t，居 世界第一，占世界水泥总产量的1/3，水泥仍 然是21世纪主要的建筑材料。
目前大量使用的硅酸盐水泥尚存在一些缺点。主要 表现在: 早期强度偏低; 烧成温度高,导致能源消耗高; 水泥熟料中阿利特(C3S)含量高,消耗了大量高品质 石灰石资源; 生产过程中产生大量的CO2等废气, 环境污染日趋严 重; 水泥水化后期, 由于硬化水泥浆体体积收缩而造成 收缩裂纹, 影响水泥混凝土的体积稳定性与耐久性 .
阿利特-硫铝酸钙水泥
其水泥熟料典型的矿物组成质量分数为 3CaO·3Al2O3·CaSO4 5%-20%, 3CaO·SiO2 30%-50%, 2CaO·SiO2 30%-40%, 4CaO·Al2O3·Fe2O3 3%-10%。
阿利特-硫铝酸钙水泥生产
• 与制造普通硫铝酸盐水泥不同，生产阿利特 -硫铝酸钙水泥，除了使用石灰石、矾土和 石膏作原料外，还要掺入少量助熔剂和矿化 剂，如萤石等。 • 该水泥烧成温度低，约为1300℃，并可采用 含铝工业废渣为原料，原料来源广泛。
阿利特硫铝酸盐水泥的优点
阿利特-硫铝酸盐水泥既具有硫铝酸盐水泥 优良的早期性能还具有硅酸盐水泥后期强 度高且持续增长的特点 且硬化水泥浆体收 缩小或不收缩,体积稳定性增强等良好性能 。 • 其生产不同之处是：在生料中除石灰石、 矾土和石膏外，还要掺入少量萤石；烧成 温度低，1300℃。该水泥凝结时间类似硅 酸盐水泥，初凝时间1-2h；早期强度类似 普通硫铝酸盐水泥，后期强度有较大增进 率。
程新[2]等人研究认为，硫铝酸钡钙和硅酸 盐熟料矿物可以在低温（低于1400℃）煅 烧条件下实现复合与共存，这为该水泥的 研究奠定了重要基础。 阿利特和硫铝酸钡钙能共存于同一水泥熟 料矿相体系中；C2.75B1.25A3S矿物设计质量 分数应低于10%；该水泥的抗压强度和硅酸 盐水泥同龄期强度相比有一定提高，特别 是早期强度。
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阿利特-硫铝酸钡钙水泥
• 与硫铝酸钙（C4A3S）相比，硫铝酸钡钙矿物 C(4-x)BxA3具有更好的快硬早强特性。 • 该矿物是通过Ba离子取代C4A3S中的Ca离子得 到的，当Ba离子的取代量为1.25mol时, 即硫 铝酸钡钙的组成为C2.75B1.25A3S时,其早期力学 性能最高。
阿利特-硫铝酸钡钙水泥
• 提高传统硅酸盐水泥的性能，满足现代建设工程 对水泥的多功能、高性能的要求，并达到节约资 源、保护环境的目的，是实现水泥工业可持续发 展的关键，对国民经济与社会发展具有重要意义 • 水泥水化硬化是影响水泥性能的重要因素, 所以 通过矿物复合技术合成新型高性能水泥并研究水 泥的水化过程、水化产物以及水化硬化机理, 是 提高水泥性能的重要途径。
铁相( 2CaO﹒Fe2O3- 6CaO﹒2Al2O3﹒Fe2O3 )
铁相是一个组成在2CaO.Fe2O3-6CaO.2Al2O3.Fe2O3 范围内的固溶系列。
其他少量矿物
游离石膏 量少、满足形成C4A3S的需要 游离石灰 含量极少、碱度系数过大时出现数量较多 方镁石 由石灰石带入MgCO3 结块、结圈，熟料不易粉磨
两种矿物的复合
因此,实现这两种矿物的复合, 制备以阿利 特和硫铝酸盐为主导矿物的新型水泥材料, 将使水泥的早期强度进一步提高, 并具有 较高的强度增进率和后期强度。 这种新型水泥材料称为阿利特-硫铝酸盐水 泥。
阿利特硫铝酸盐水泥的优点 阿利特硫铝酸盐水泥对那些因受原材料限制 而无法生产硫铝酸盐水泥的地区具有一定的 现实意义，即可以利用当地生产硅酸盐水泥 的原材料。 • 阿利特硫铝酸盐水泥熟料具有碱性与硫酸根 离子的双重激发作用，能很好的激发粉煤灰 ，矿渣等活性矿物材料，充分发挥双掺矿物 材料的超叠加效应。
阿利特的定义
阿利特
阿利特是指硅酸盐熟料中的固溶了其他少 量氧化物的硅酸三钙，又称A矿。其水化速 率很快，阿利特矿物的早期强度偏低,后期 强度高。 阿利特对硬化的水泥浆体和水泥石的大多 数工艺性能起决定作用。
硫铝酸盐矿物特性
硫铝酸盐矿物
• 硫铝酸盐矿物是一种快硬早强型水硬 性矿物,主要有硫铝酸钙和硫铝酸钡钙 两种类型,硫铝酸钙是典型的早强型矿 物, 但后期强度增进率低。 • 该矿物还具有烧成温度低、水化过程 体积微膨胀等特性。
硫铝酸盐水泥的配料
• 硫铝酸盐水泥是用品位较低的矾土和石灰石、石 膏为原料，烧制成以无水硫铝酸钙和硅酸二钙为 主要矿物组成的熟料，外掺适量二水石膏磨细而 成。但其对生产原材料的要求较硅酸盐水泥苛刻 ，生产成本较高。 • 硫铝酸盐水泥中C4A3S矿物所具有的快硬早强及水 化膨胀性能，正是硅酸盐水泥所欠缺的。
阿利特-硫铝酸钙水泥的水化
阿利特硫铝酸钙水泥的水化分为两个阶段
• 硫铝酸钙矿物的前期快速水化 • 硅酸盐熟料矿物的后期水化
• 从图1可以看到, 该矿物在水化初期就迅速发生水 化反应, 掺入NaOH、CaCl2 外加剂后, 其水化速 度加快, 诱导期缩短, 加速期提前, 在3h内就基 本水化完全, 进入水化稳定期。同时可以发现, 三乙醇胺和蔗糖对该矿物的水化速度有一定的延 迟作用,这两种外加剂使硫铝酸钙矿物的诱导期延 长, 在水化5h后才开始进入水化稳定期。硫铝酸 钙单矿物的水化方程式为:， • 硫铝酸钙单矿物的水化方程式为： • 3CaO·3Al2O3·CaSO4+CaSO4·2H2O+Ca(OH)2+H2O— 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O
阿利特-硫铝酸钡钙水泥烧成的影响
P2O5的影响[1]
P2O5能降低熟料中f-CaO含量，但对水泥的早期强 度和后期强度，均产生不利的影响。 当熟料中P2O5含量小于0. 3%, 其形成的水化 产物较为稳定, 随着P2O5 含量的增加, 相同龄期 水化产物的数量减少, 水泥的凝结时间延缓, 力 学性能降低;
硫铝酸盐水泥熟料组成
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无水硫铝酸钙（ 3CaO﹒3Al2O3﹒CaSO4 ） 硅酸二钙（2CaO﹒SiO2） 铁相( 2CaO﹒Fe2O3-6CaO﹒2Al2O3﹒Fe2O3 ) 其他少量矿物
硫铝酸盐水泥熟料组成 无水硫铝酸钙（ 3CaO﹒3Al2O3﹒CaSO4 ）
工厂生产的熟料中，3CaO﹒3Al2O3﹒CaSO4矿物 呈六角形板状或四边形柱状，晶体尺寸比较细 小，一般为5-10um。 3CaO﹒3Al2O3﹒CaSO4理论计算的化学成分是:Al2 O3的质量分数为50.12%、CaO的质量分数为36.76 %、SO3的质量分数为13.12%。实际生产中则不然 ，由于Al3+部分被Fe3+、Si4+、Ti4+等离子取代。
阿利特-硫铝酸钡钙水泥烧成的影响 SO3的影响
当熟料中含有适宜的SO3时, 可以促进阿利特) 硫铝 酸钙水泥熟料的水化, 增加水化产物的数量, 使水 泥硬化浆体结构更加致密, 各龄期强度提高, 但SO3 含量过多则导致水泥后期强度降低;
阿利特-硫铝酸钡钙水泥烧成的影响
• CaF2存在条件下，SO3对硫铝酸钙水化影响
阿利特-硫铝酸钡钙水泥
阿利特-硫铝酸钡钙水泥[1]
• 阿利特-硫铝酸钡钙水泥其水泥熟料主 要是由CBAS-C3S-C2S-C3A-C4AF组成的矿 相体系. • 阿利特-硫铝酸钡钙水泥熟料中各矿物 的重量百分比为：硫铝酸钡钙：3％～ 38％，硅酸三钙：30％～60％，硅酸 二钙：15％～40％，铝酸三钙：3％～ 20％，铁铝酸盐：3％～20％。
阿利特-硫铝酸钡钙水泥烧成的影响 ZnO的影响
掺质量分数为0.25%ZnO，可有效降低f-CaO含量， 提高水泥各龄期强度，特别是早期力学性能，这是 由于ZnO降低了液相形成的温度，使得f-CaO能更好 地参与熟料矿物的形成，促进阿利特生成，从而改 善了水泥的早期强度。
阿利特-硫铝酸钡钙水泥烧成的影响
在CaF2存在的条件下，适当过量SO3有利于提高抗 压强度。 CaF2掺量质量分数为0.5%时，过量1%-2%的SO3能 提高水泥的早期强度，但超过2%时不利于后期强 度的发展。 CaF2掺量质量分数为0.9%时过量1%-2%的SO3对强 度影响不大。对熟料矿物组成，过量SO3的适宜质 量分数为1%。
阿利特硫铝酸盐水泥分类
阿利特-硫铝酸盐水泥主要有两种：
阿利特-硫铝酸钙水泥，简称阿利特-硫铝酸盐水泥 阿利特-硫铝酸钡钙水泥
目前，这两种水泥均已实现了规模化生产。
阿利特-硫铝酸钙水泥
阿利特-硫铝酸钙水泥[1]
阿利特-硫铝酸钙水泥又称高钙硫铝酸盐水泥，是 一种性能优良的节能型水泥，近年来引起人们的 重视。 该水泥发挥了硅酸盐矿物-阿利特与硫铝酸盐矿物 -硫铝酸钙3CaO·3Al2O3·CaSO4（简写为C4A3S） 的早强特性，实现了C3S与C4A3S 矿物在低温煅烧 条件下的复合与共存。 阿利特-硫铝酸钙水泥既具有硫铝酸盐水泥优良的 早期性能，还具有硅酸盐水泥后期强度高且持续 增长的特点，且硬化水泥浆体收缩小或不收缩， 体积稳定性增强等良好性能。
MnO的影响
掺质量分数为0.25%MnO2促进熟料中f-CaO的吸收， 水泥早期强度没有明显变化，但后期强度下降明显. 随着MnO2掺量的增加，早期强度急剧下降。当掺质 量分数为0.75%MnO2时，水泥的各龄期强度最低。 当MnO2掺量为1%时，水泥的各龄期强度回升，特别 是早期强度。但水化28d时，水泥试样表面均产生微 裂纹，说明MnO2对水泥硬化浆体的体积稳定性有重 要影响。
硫铝酸盐水泥熟料组成 硅酸二钙（2CaO﹒SiO2） 硫铝酸盐水泥
830℃ 1470℃ α-c2s
α'-c2s
工业生产的硫铝酸盐水 泥熟料中，硅酸二钙主要 以α ′和β 两种形态存在 。 属介稳性，斜方晶系
属介稳型， 单斜晶系
670℃
β-c2s
体积膨胀 粉化
520℃
γ-c2s
属低温型，斜方晶系
硫铝酸盐水泥熟料组成
复合外加剂对阿利特-硫铝酸钙水泥影响原因
硅酸盐系列水泥:
• 作为应用最广泛的无机胶凝材料，其矿物组成C3S为 主，具有性能稳定、生产成本低等优点。 • 硅酸盐水泥熟料中通常含有10%-15%的C3A。C3A具有水 化速度快，水化热高，凝结时间短，早期强度高，但 强度的绝对值不高，后期强度不再增长，甚至出现倒 缩等特点，并且存在耐化学侵蚀性，特别是抗硫酸盐 腐蚀性能差，干缩性大的缺点。
阿利特硫铝酸盐水泥水化过程与机理
• 高活性阿利特硫铝酸盐水泥的熟料矿物水 化并释放出少量Ca(OH)2，熟料矿物的水化 反应示意如下[5]： • 3CaO· 2+nH2O-xCaO· 2· 2O+(3-x)Ca( SiO SiO yH OH)2 • 2CaO· 2+mH2O-xCaO· 2· 2O+(2-x)Ca( SiO SiO yH OH)2 • 3CaO· 2O3· 3Al CaSO4+8CaSO4+6CaO+96H2O3(C3A· 3CaSO4· 2O) 32H
硅酸盐水泥熟料组成
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硅酸三钙（3CaO﹒SiO2） 硅酸二钙（2CaO﹒SiO2） 铝酸三钙（3CaO·Al2O3） 铁铝酸四钙(C4AF) 其他少量矿物 游离石膏 游离氧化钙和方镁石等
硅酸盐、硫铝酸盐、阿利特硫铝酸盐水泥背景 硫铝酸盐系列水泥：
• 硫铝酸盐系列水泥的出现是水泥品种开发方面的 一大进步，其典型特征是熟料中含有大量的无水 硫铝酸钙（C4A3S，3CaO·3Al2O3·CaSO4）矿物， 具有一系列比硅酸盐水泥更为优异的性能，如抗 冻、抗渗、耐蚀和低碱度等优良特性。