高強(qiáng)高貝利特硅酸鹽水泥熟料礦相匹配研究

高顯束 王 晶 王 敏 張坤悅（中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院，北京 100024）

高強(qiáng)高貝利特硅酸鹽水泥熟料礦相匹配研究

高顯束 王 晶 王 敏 張坤悅（中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院，北京 100024）

本文基于水泥工業(yè)節(jié)能減排的需求，通過(guò)高強(qiáng)高貝利特硅酸鹽水泥熟料的低鈣組成設(shè)計(jì)，針對(duì)硅酸鹽水泥熟料中不同礦物具有的不同性能特點(diǎn)，制備出高強(qiáng)高貝利特硅酸鹽水泥熟料，實(shí)現(xiàn)熟料CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3多元體系的礦相組成優(yōu)化匹配，達(dá)到實(shí)現(xiàn)低鈣組成和高強(qiáng)度高性能的目的，降低水泥制備過(guò)程的碳排放和能源消耗。

高強(qiáng)高貝利特；熟料；礦相匹配

1 前 言

在“十二五”期間乃至未來(lái)的20年間，我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)仍將保持平穩(wěn)較快增長(zhǎng)，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和新農(nóng)村建設(shè)進(jìn)一步拉動(dòng)內(nèi)需，高速鐵路、軌道交通、水利水電等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將帶動(dòng)水泥需求平穩(wěn)增長(zhǎng)。與此同時(shí)，水泥工業(yè)也是一個(gè)能源資源消耗大、環(huán)境污染較重的行業(yè)，其生產(chǎn)消耗大量不可再生資源和能源，排放大量CO2溫室氣體以及SO2、NOx等有害氣體。據(jù)預(yù)測(cè)，我國(guó)石灰石礦物資源和煤炭能源越來(lái)越匱乏，可經(jīng)濟(jì)開(kāi)采的石灰石資源約為250億噸，僅夠水泥工業(yè)使用25年。

為積極應(yīng)對(duì)氣候變化，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，我國(guó)政府提出“到2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放強(qiáng)度比2005年下降40%至45%”的減排目標(biāo)，水泥工業(yè)作為CO2排放大戶，低碳發(fā)展刻不容緩。在國(guó)家節(jié)能減排政策大背景下，水泥工業(yè)應(yīng)積極探索和大力發(fā)展水泥生產(chǎn)低碳技術(shù)新途徑，通過(guò)水泥基材料的技術(shù)創(chuàng)新，降低水泥生產(chǎn)能耗、減少CO2排放，這不僅是促進(jìn)我國(guó)建設(shè)資源節(jié)約型國(guó)家的重要環(huán)節(jié)，也是實(shí)現(xiàn)國(guó)家節(jié)能減排重大發(fā)展目標(biāo)的要求。

表1 原材料化學(xué)成分分析

我國(guó)水泥工業(yè)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，在引進(jìn)、消化和吸收國(guó)外新型干法技術(shù)的基礎(chǔ)上，新型干法水泥技術(shù)日趨成熟，在水泥工藝技術(shù)與裝備升級(jí)等方面成績(jī)斐然，大（中）型新型干法生產(chǎn)線的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（能耗、電耗、廢渣利用水平等）已達(dá)到世界先進(jìn)水平，但毋庸置疑，未來(lái)在此方向上發(fā)展的潛力越來(lái)越小、難度和投入也越來(lái)越大。因此，以現(xiàn)代材料科學(xué)理論為指導(dǎo)，開(kāi)發(fā)新型低碳水泥熟料體系，提高水泥性能、降低能源和資源消耗、減少環(huán)境污染、提高水泥的應(yīng)用效能是水泥工業(yè)未來(lái)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步的方向。

2 高強(qiáng)高貝利特硅酸鹽水泥熟料礦相匹配研究

原材料選用嘉華特種水泥股份有限公司沙灣總廠石灰石、石英砂、低堿頁(yè)巖、鋁礦廢石、鐵渣和石膏等生產(chǎn)用原材料，將各種原材料烘干磨細(xì)至一定細(xì)度后進(jìn)行高強(qiáng)高貝利特硅酸鹽水泥熟料礦物設(shè)計(jì)。原材料化學(xué)成分如表1所示。

為達(dá)到節(jié)能減排的效果，設(shè)定高強(qiáng)高貝利特硅酸鹽水泥熟料C2S含量范圍為40%～60%，按照熟料中C3S、C2S、C3A的不同含量設(shè)計(jì)方案并配制生料，生料配料方案見(jiàn)表2。將各種工業(yè)原料先烘干，并在實(shí)驗(yàn)室球磨機(jī)中粉磨至0.08mm方孔負(fù)壓篩篩余為10%左右。然后按照不同的生料配比稱量原材料，在混料機(jī)中充分混合生料。在生料中加入8%～10%的水，攪拌均勻，用80MPa左右的壓力壓制成生料片，并將其置于105℃烘箱中烘干。將烘干后的生料片放入950℃的馬弗爐中預(yù)燒30min，然后迅速轉(zhuǎn)移至已達(dá)到設(shè)定溫度的高溫電爐中恒溫煅燒30min，設(shè)定煅燒溫度分別為1350℃、1400℃和1450℃。煅燒后，迅速將樣品出爐，放在室溫中采用風(fēng)吹冷卻至室溫，即得到制備的熟料樣品。

表2 高強(qiáng)高貝利特硅酸鹽水泥熟料生料配比

圖1 不同溫度下煅燒熟料樣品的f-CaO含量

水泥生料易燒性，在理論上是指生料組分轉(zhuǎn)變成熟料相的傳質(zhì)的數(shù)量的難易程度，一般用熟料煅燒后的氧化鈣吸收反應(yīng)程度來(lái)衡量。不同配比的原料配料燒制得的熟料樣品游離氧化鈣含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同溫度下煅燒熟料樣品的f-CaO含量/%

將煅燒好的熟料取樣磨細(xì)至比表面積340～360m2/kg，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 176《水泥化學(xué)分析方法》進(jìn)行化學(xué)成分全分析，熟料化學(xué)分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 高強(qiáng)高貝利特硅酸鹽水泥熟料化學(xué)成分和礦物組成

將制得的高強(qiáng)高貝利特硅酸鹽水泥熟料摻加適量的石膏，混合均勻，將SO3含量控制在2.0%～2.3%，即得到高強(qiáng)高貝利特硅酸鹽水泥樣品。按照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行高強(qiáng)高貝利特硅酸鹽水泥樣品凝結(jié)時(shí)間和3d、7d和28d水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 高強(qiáng)高貝利特硅酸鹽水泥樣品物理性能檢驗(yàn)結(jié)果

由表5試驗(yàn)結(jié)果可知，利用嘉華特種水泥股份有限公司生產(chǎn)用原材料進(jìn)行高強(qiáng)高貝利特硅酸鹽水泥熟料試驗(yàn)，通過(guò)礦物組成優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以在C2S滿足課題指標(biāo)要求≥40%時(shí)，通過(guò)適當(dāng)提高水泥中C3A含量提高水泥的早期強(qiáng)度，水泥中各礦物含量實(shí)現(xiàn)良好匹配，當(dāng)高強(qiáng)高貝利特硅酸鹽水泥熟料中C2S含量為40%～48%時(shí)水泥樣品的7d抗壓強(qiáng)度≥17.0MPa，28d抗壓強(qiáng)度≥52.5MPa，實(shí)現(xiàn)了水泥熟料中C2S含量較高時(shí)水泥具有較高強(qiáng)度。

3 結(jié) 語(yǔ)

高強(qiáng)高貝利特硅酸鹽水泥具有石灰石消耗小和CO2排放較少的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)高強(qiáng)高貝利特硅酸鹽水泥熟料中C2S含量為40%～48%時(shí)，水泥樣品的7d抗壓強(qiáng)度≥17.0MPa，28d抗壓強(qiáng)度≥52.5MPa，可以實(shí)現(xiàn)水泥熟料中C2S含量較高時(shí)水泥具有較高強(qiáng)度。但是由于C2S含量較高，在制備過(guò)程中應(yīng)保證原材料充分均化，且在燒成時(shí)采取極冷等方式保證活性較高的貝利特晶型能在室溫下穩(wěn)定。

Preparation of high strength high belite portland cement clinker

This article is based on the demand for cement industrial energy conservation and emissions reduction,through with high strength and high bailey,of low calcium silicate cement clinker design, aiming at different minerals in Portland cement clinker with different performance characteristics，to prepare a kind of Portland cement clinker with high strength and high C2S content,to realize the clinker CaO- SiO2-Al2O3-Fe2O3composition optimization matching of multivariate system,thus achieving the purpose of the implementation of low calcium and high strength and high performance,and reducing carbon emissions and energy consumption of cement preparation process.

high strength high belite;clinker;composition optimization

TQ172.7文獻(xiàn)識(shí)別碼B

1003-8965(2017)04-0032-02

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃（課題編號(hào)：2014BAE05B01）