淺析CaF2對(duì)貝利特—硫鋁酸鋇鈣水泥熟料煅燒和性能的影響

1 硫鋁酸鋇鈣礦物及含鋇硫鋁酸鹽水泥的研究進(jìn)展

與本課題相關(guān)的研究主要集中在以貝利特礦物（C2S）為主要熟料礦物的貝利特水泥、貝利特-硫鋁酸鈣水泥和基于C(4－x)BxA3為主要強(qiáng)度礦物的含鋇硫鋁酸鹽水泥的研究，關(guān)于貝利特與硫鋁酸鋇鈣礦相復(fù)合體系，本課題組正在研究。煅燒制度對(duì)貝利特-硫鋁酸鋇鈣水泥性能的影響是本課題組研究的內(nèi)容之一。

新的水泥品種的發(fā)現(xiàn)得益于廣大水泥研究工作者，尤其是主要針對(duì)水泥基礎(chǔ)性研究的工作者們。以程新[1-3]教授為首的課題組成功合成了含鋇硫鋁酸鈣晶體體系的單晶體，獲得了結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，利用量子化學(xué)計(jì)算方法，從鍵級(jí)和共價(jià)鍵兩方面初步確定了含鋇硫鋁酸鈣晶體的結(jié)構(gòu)關(guān)系；常鈞[1]等按相應(yīng)的化學(xué)計(jì)量的比例，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確稱量相應(yīng)的化學(xué)試劑，經(jīng)過(guò)粉磨、成型，在硅碳棒高溫爐中燒制成了硫鋁酸鋇鈣礦物，從而獲得了具有較高強(qiáng)度的硫鋁酸鋇鈣礦物，其組成為C2.75B1.25A3。經(jīng)一系列試驗(yàn)后通過(guò)對(duì)該礦物水化過(guò)程的研究可知，其水化產(chǎn)物主要有：C3AH6、BaSO4、少量的C3AH8-12及微量的CAH10和AH3凝膠，并且當(dāng)C2.75B1.25A3水化至8h左右時(shí)，此過(guò)程中的放熱量達(dá)到近每克440焦，就水泥的早期強(qiáng)度而言，以硫鋁酸鋇鈣為主導(dǎo)礦物的含鋇硫鋁酸鹽水泥較普通硅酸鹽水泥早期強(qiáng)度高。

2 實(shí)驗(yàn)方案

原料：實(shí)驗(yàn)所用的原料有CaCO3、BaCO3、BaSO4、Al2O3、Fe2O3、SiO2、CaF2等，均為分析純化學(xué)試劑，細(xì)度要求過(guò)200目篩。

配料：根據(jù)原料化學(xué)成分計(jì)算出實(shí)際稱量的分析純化學(xué)試劑量，并進(jìn)行準(zhǔn)確稱量。

本試驗(yàn)是在CaF2不同摻加量的條件下，研究CaF2對(duì)熟料燒成和性能的影響規(guī)律。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)查閱文獻(xiàn)得知，SO3和BaO可以活化貝利特礦物，改善水泥的性能。其活化作用，一是使β-C2S結(jié)晶程度變差，晶體尺寸變??；二是能穩(wěn)定α、α’ -C2S的生成；三是在適當(dāng)產(chǎn)量的條件下，可改善生料的易燒性，促進(jìn)f-CaO的吸收。從化學(xué)平衡的角度分析，提高反應(yīng)物的濃度，平衡應(yīng)向正反應(yīng)方向移動(dòng)，所以在熟料中提高反應(yīng)物SO3、BaO的含量，一方面可以補(bǔ)充SO3、BaO含量的不足，另一方面可以增加C2.75Ba1.25A3礦物的生成量。

本試驗(yàn)主要研究在過(guò)量摻加SO3和BaO的條件下熟料力學(xué)性能的變化，通過(guò)選取合適的SO3和BaO摻加量，充分利用XRD、SEM-EDS等測(cè)試手段對(duì)其熟料的組成、微觀結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行分析。在過(guò)量摻加SO3和BaO的條件下，通過(guò)改變CaF2的摻加量，研究CaF2不同摻量條件下對(duì)熟料力學(xué)性能的影響。通過(guò)CaF2不同摻加量條件下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表1及圖1。

表1 CaF2摻量對(duì)熟料性能的影響

從表1可以看出，各水泥試樣的f-CaO含量較低。在試驗(yàn)條件下?lián)郊覥aF2主要是加速高溫型礦物A礦的形成。從圖1中看出，在CaF2的摻加量為0.6%的體系中f-CaO的含量較低，早期強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到峰值，隨著CaF2摻量的增大其意義并不大，同時(shí)隨著CaF2摻量的增加還會(huì)對(duì)A礦的早期水硬性發(fā)揮產(chǎn)生不利的影響。因此，應(yīng)盡量降低CaF2在體系中的摻加量。根據(jù)對(duì)水泥試樣力學(xué)性能的分析，在熟料中CaF2的最佳摻入量應(yīng)選取0.6%。

圖1 CaF2不同摻量水泥試樣抗壓強(qiáng)度

圖2 I2熟料硅酸鹽礦物SEM照片

5 熟料的SEM-EDS分析

圖2—圖7是在CaF2不同摻加量的條件下，水泥熟料的SEM—EDS分析。從圖3可以看出，通過(guò)對(duì)比A礦物和B礦物，A礦物結(jié)晶比較規(guī)則，棱角較為分明，晶界比較清晰，有少量液相包裹其周?chē)Ｘ惱氐V物呈規(guī)則的卵粒狀，分布均勻，晶體尺寸大約25μm。硫鋁酸鋇鈣礦物呈現(xiàn)顆粒狀并分散分布在水泥熟料體系中，尺寸比較小。結(jié)合在試驗(yàn)條件下水泥熟料試樣的力學(xué)性能和f-CaO含量的分析，CaF2摻入量為0.6%的情況下同樣可以加速A礦物較好的形成，并且水泥熟料試樣具有較好的力學(xué)性能。依據(jù)以上分析在盡量降低CaF2摻加量的條件下，本文選取0.6%為CaF2的最佳摻加量可以作為貝利特—硫鋁酸鋇鈣水泥的最佳摻加量。

圖3 圖2 中1點(diǎn)能譜

圖4 圖2中2點(diǎn)能譜

圖5 I2熟料硫鋁酸鋇鈣礦物SEM照片

表2 圖2和圖5中礦物的能譜分析

圖6 圖5中1點(diǎn)能譜

圖7 圖5中2點(diǎn)能譜

6 結(jié)論及展望

本文通過(guò)研究在貝利特—硫鋁酸鋇鈣水泥中CaF2的最佳摻加量，確定了比較適合于貝利特—硫鋁酸鋇鈣水泥礦物體系的最佳摻加量，得出了以下結(jié)論：

1）CaF2在貝利特—硫鋁酸鋇鈣水泥體系中的最佳摻加量為0.6%；

2）在CaF2最佳摻加量的條件下，按照確定的配合比制成的貝利特—硫鋁酸鋇鈣水泥試樣3d的抗壓強(qiáng)度值約為27MPa，展現(xiàn)了良好的早期強(qiáng)度。

[1]Cheng Xin,Chang Jun,Lu Lingchao,Liu Futian,Teng Bing.Study of Ba-bearing sulphoaluminate minerals and cement，Cement and Concrete Research.2000，30（1），77-81.

[2]Cheng Xin,Yu jinghua, Liu Futian .Predictions on the formation and bond performance of some ettringites by a quantum chemistry method.Cement and Concrete Research.1997，27（7），1085-1092.

[3]常鈞，蘆令超，劉福田等.微量元素對(duì)含鋇硫鋁酸鈣的合成及特性的影響.硅酸鹽通報(bào).1997年增刊，408-412.