以C_2S為主要礦物組成的低碳水泥初探

吳偉偉 周 琨

（河南省豫鶴同力水泥有限公司，458000）

以C_2S為主要礦物組成的低碳水泥初探

吳偉偉 周 琨

（河南省豫鶴同力水泥有限公司，458000）

隨著低碳型水泥產(chǎn)品的不斷開(kāi)發(fā)，國(guó)內(nèi)水泥行業(yè)目前在低碳型水泥方面更強(qiáng)調(diào)CaCO3含量較少且不會(huì)排放過(guò)多的CO2。盡管這種類型水泥如鋁酸鹽或硫鋁酸鹽等水泥具有低碳型特征，可進(jìn)一步研究或擴(kuò)大生產(chǎn)，但這些水泥在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中也會(huì)消耗大量的鋁礬土，且從整體性能角度并不能完全取代硅酸鹽水泥。對(duì)此需注重改善低碳水泥的礦物組成部分，以C_2S為典型代表，能夠取得良好的應(yīng)用效果。本文主要對(duì)主要熟料礦物主要為C2S的水泥基本概述、應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)以及熟料礦物為C2S水泥的合成方式進(jìn)行探析。

C2S熟料礦物；低碳水泥；合成方式

前言：作為我國(guó)目前二氧化碳排放量較大的行業(yè)，水泥行業(yè)近年來(lái)發(fā)展過(guò)程中更注重落實(shí)我國(guó)當(dāng)前推行的節(jié)能減排理念。盡管許多節(jié)能減排技術(shù)已逐漸投入水泥行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，但其中仍存在一定的弊端如投入成本較多或節(jié)能減排效果不理想等。這就要求以低碳水泥為出發(fā)點(diǎn)，引入 C2S熟料在生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于水泥行業(yè)的持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

一、熟料礦物以C2S為主的水泥基本概述

相比C3S，水泥行業(yè)生產(chǎn)中C2S的應(yīng)用無(wú)需利用過(guò)多的CaCO3，且不會(huì)排放較多的CO2。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，以kg單位對(duì)其衡量，1kg的C2S僅排放約512g的CO2，C3S在生產(chǎn)過(guò)程中CO2排放達(dá)到579g，說(shuō)明水泥生產(chǎn)中引入C2S作為主要熟料礦物能夠獲得良好的減排效果。而以我國(guó)目前水泥熟料年產(chǎn)量10億噸計(jì)算。CO2排放量每年可減少1900萬(wàn)噸左右，所以應(yīng)用C2S極為客觀。應(yīng)用過(guò)程中，許多水泥廠商會(huì)顧慮到水泥強(qiáng)度是否會(huì)因 C3S的減少而受到影響，但事實(shí)上國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已對(duì)C2S性質(zhì)進(jìn)行一定的實(shí)驗(yàn)研究，在C2S中存有一定量的C3S，且具有較高的強(qiáng)度，將其置于溫度較低并利用NaF礦化劑證明C2S在早期活性方面也較高[1]。

二、低碳水泥生產(chǎn)中應(yīng)用C2S作為熟料礦物的優(yōu)勢(shì)研究

(一)從高C2S水泥性能角度

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在低能耗水泥研究方面逐漸深入，通過(guò)對(duì)高β-C2S水泥中的熟料礦物成分進(jìn)行分析以證明其在性能方面的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，相比PC熟料，C3S含量在HBC熟料中極少，而且與硅酸鹽水泥比較，在早期強(qiáng)度方面，高C2S含量水泥盡管表現(xiàn)出一定的劣勢(shì)，但其仍可滿足52.5等級(jí)要求并在強(qiáng)度上為28d，在抗壓與抗拆強(qiáng)度方面都可與硅酸鹽水泥相媲美，且在應(yīng)用約為三個(gè)月后便會(huì)超出硅酸鹽水泥許多。同時(shí)，分別從HBC與PC中取出一定C2S與C3S量，對(duì)其抗壓強(qiáng)度進(jìn)行比較，可得出對(duì)于硅酸鹽水泥中較為固定的數(shù)量礦物成分，可進(jìn)行一定的改變。但需注意C3S的含量在60%以上的情況下需保證燒成溫度至少為 1450℃，但水化性能會(huì)因此受到影響。而使水泥保持較高的 C2S含量既能改變這種燒成的溫度，也可使CO2排放量得以減少[2]。

（二）從高C2S水泥熟料性能角度

高C2S水泥熟料在性能上的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為水化熱較低。通過(guò)以往實(shí)驗(yàn)表明，7d與3d在HBC中的水化熱表現(xiàn)為222kJ/kg與193kJ/kg，說(shuō)明其在水化放熱水平方面與低熱礦渣水泥保持相當(dāng)，而且相比硅酸鹽水泥，高 C2S水泥熟料在絕熱溫升方面也降低50%左右。也有實(shí)驗(yàn)研究中對(duì)硅酸鹽水泥與高C2S水泥進(jìn)行比較，在28d以內(nèi)的條件下，高C2S水泥熟料表現(xiàn)出的抗海水侵蝕性能較差，但在180d條件下，溶液Na2SO4中可發(fā)現(xiàn)高C2S熟料的耐腐蝕系數(shù)可達(dá)1以上，但普通硅酸鹽水泥僅為0.57[3]。

（三）從高C2S水泥混凝土角度

現(xiàn)階段水泥的應(yīng)用大多集中在混凝土配置過(guò)程中，所以有學(xué)者對(duì)利用高 C2S水泥所配置的混凝土性能進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)比以硅酸鹽水泥為主的混凝土，發(fā)現(xiàn)相比PC混凝土，HBC混凝土的早其強(qiáng)度不具備明顯的優(yōu)勢(shì)，但在28d以后可發(fā)現(xiàn)比PC混凝土高出許多，且在抗拉能力以及抗拆能力方面，PC水泥混凝土都無(wú)法與其媲美。而其他混凝土性能如抗凍性能、干縮性或抗?jié)B性等也與PC混凝土保持接近甚至超出許多。另外，高 C2S熟料生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用的石灰石較少且燒成熱耗較低，不會(huì)排放過(guò)多的CO2。同時(shí)由于進(jìn)行混凝土制備過(guò)程中，高C2S水泥熟料不會(huì)產(chǎn)生較多的水化放熱量，水化后不會(huì)產(chǎn)生較多的 Ca（OH）2，有利于提高混凝土耐久性能。因此，對(duì)于我國(guó)許多地區(qū)在石灰石品位不高的情況下，可充分利用這種礦物組成的方式，高C2S熟料的應(yīng)用更能獲得較多的經(jīng)濟(jì)效益[4]。

三、C2S水泥合成的方式研究

近年來(lái)在水泥應(yīng)用逐漸廣泛背景下，許多學(xué)者以水熱合成法為根據(jù)研究出低溫合成粉煤灰水泥的方式，是水泥制備中極為有效的方式。其應(yīng)用的工藝流程中為在將適量水與石灰、粉煤灰混合并碾壓后使其成為磚型，然后將其置于蒸養(yǎng)釜中直到自然冷卻為止，此時(shí)需碾碎塊狀物體并在加熱爐中完成煅燒，最后在制冷后便可得到產(chǎn)品。但需注意在配比方面石灰與粉煤灰應(yīng)保持在1：4，碾壓中需利用輥壓盤(pán)磨以此活化粉煤灰，而其中煅燒過(guò)程中的溫度應(yīng)控制在700℃與800℃之間以保證礦物的膠凝性。另外，在冷卻過(guò)程中可利用空氣急冷的方式，使C2S熟料性能得以保證。這種低溫粉煤灰水泥應(yīng)用的特征以及用途主要體現(xiàn)在以下兩方面。

（一）低溫粉煤灰水泥應(yīng)用中的特性分析

這種水泥應(yīng)用中的特性主要表現(xiàn)在：①凝膠時(shí)間與稠度較為合理。粉煤灰水泥在低溫合成過(guò)程中所占的比重僅為2.6，且碳的含量較少，要求水量需保證在40%以上。而其中的成分也保過(guò)C12A7，能夠快速凝結(jié)且可利用一定的措施對(duì)凝結(jié)的時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)。②具備良好的耐凍性能。在耐凍性能方面，這種水泥較硅酸鹽水泥相比存在一定的劣勢(shì)，但接近于礦渣硅酸鹽水泥。③較高的強(qiáng)度。盡管這種水泥中存有一定量的C12A7以及β-C2S，但在強(qiáng)度方面仍具備一定的優(yōu)勢(shì)，若能夠激發(fā)未反應(yīng)的A12O3以及SIO2等，可使強(qiáng)度方面得到大幅度的提高。④具有良好的抗腐蝕性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，若將其置于飽和石膏溶液中，抗腐蝕的指數(shù)仍保持 1以上，主要原因在于C3A與C3S不存在水泥中，在抗化學(xué)腐蝕方面表現(xiàn)的性能尤為突出。⑤大氣穩(wěn)定性較差。因?yàn)檫@種水泥中的灰比以及水含量較高，且僅有11.0的漿體液相PH值，所以不具備較強(qiáng)的抗大氣穩(wěn)定性。

（二）低溫粉煤灰水泥應(yīng)用的具體范圍

這種水泥的應(yīng)用可概括為三方面：首先在地下工程中的應(yīng)用，通過(guò)前文敘述可知這種水泥在抗腐蝕性以及抗?jié)B性等方面具備較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，可在對(duì)強(qiáng)度要求較低的隧道或其他地下工程中廣泛應(yīng)用。其次，巷道噴射水泥的制作過(guò)程中。因?yàn)檫@種水泥凝膠時(shí)間較快，可直接作為隧道噴射水泥，如淮南發(fā)電廠在井下巷道施工中便充分利用這種水泥。最后，配合硅酸鹽水泥應(yīng)用。與硅酸鹽水泥共同應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)在于使早期強(qiáng)度得以提高，特別在早期抗拆強(qiáng)度方面表現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)較為突出[3]。

結(jié)論：低碳水泥以C2S作為熟料礦物將成為未來(lái)水泥行業(yè)發(fā)展中的重要內(nèi)容。通過(guò)文中的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)充分說(shuō)明，以C2S熟料礦物為主的水泥無(wú)論在自身性能或應(yīng)用于混凝土配置中都具有極強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，而且低溫合成粉煤灰水泥的應(yīng)用也充分證明C2S的活性特征。盡管以C2S熟料礦物為主的水泥具備一定的優(yōu)勢(shì)，但在應(yīng)用中仍需不斷改進(jìn)完善，保證其能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

[1]楊南如. 以 C_2S為主要礦物組成的低碳水泥初探[J]. 水泥技術(shù),2010,10（04）:20-25.

[2]李保亮. 礦物組成對(duì)阿利特—硫鋁酸鹽水泥熟料煅燒及性能影響的研究[D].濟(jì)南大學(xué),2011.

[3]栗潮. C_2S和中間相前導(dǎo)礦物對(duì)熟料中 C_3S形成動(dòng)力學(xué)影響[D].鄭州大學(xué),2010.

[4]裘國(guó)華. 煤矸石、尾礦代粘土匹配低品位石灰石煅燒水泥熟料試驗(yàn)研究[D].浙江大學(xué),2012.

[5]王衛(wèi)山. 早強(qiáng)礦物添加劑對(duì)混合材硅酸鹽水泥性能的影響[D].濟(jì)南大學(xué),2013.

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1007-6344（2015）09-0006-01