淺析CaF2對貝利特—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展

與本課題相關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為主要強度礦物的含鋇硫鋁酸鹽水泥的研究，關于貝利特與硫鋁酸鋇鈣礦相復合體系，本課題組正在研究。煅燒制度對貝利特-硫鋁酸鋇鈣水泥性能的影響是本課題組研究的內容之一。

新的水泥品種的發現得益于廣大水泥研究工作者，尤其是主要針對水泥基礎性研究的工作者們。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，獲得了結構數據，利用量子化學計算方法，從鍵級和共價鍵兩方面初步確定了含鋇硫鋁酸鈣晶體的結構關系；常鈞[1]等按相應的化學計量的比例，經過準確稱量相應的化學試劑，經過粉磨、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度的硫鋁酸鋇鈣礦物，其組成為C2.75B1.25A3。經一系列試驗后通過對該礦物水化過程的研究可知，其水化產物主要有：C3AH6、BaSO4、少量的C3AH8-12及微量的CAH10和AH3凝膠，并且當C2.75B1.25A3水化至8h左右時，此過程中的放熱量達到近每克440焦，就水泥的早期強度而言，以硫鋁酸鋇鈣為主導礦物的含鋇硫鋁酸鹽水泥較普通硅酸鹽水泥早期強度高。

2 實驗方案

原料：實驗所用的原料有CaCO3、BaCO3、BaSO4、Al2O3、Fe2O3、SiO2、CaF2等，均為分析純化學試劑，細度要求過200目篩。

配料：根據原料化學成分計算出實際稱量的分析純化學試劑量，并進行準確稱量。

本試驗是在CaF2不同摻加量的條件下，研究CaF2對熟料燒成和性能的影響規律。

3 實驗過程

4 實驗結果及分析

通過查閱文獻得知，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結晶程度變差，晶體尺寸變?。欢悄芊€定α、α’ -C2S的生成；三是在適當產量的條件下，可改善生料的易燒性，促進f-CaO的吸收。從化學平衡的角度分析，提高反應物的濃度，平衡應向正反應方向移動，所以在熟料中提高反應物SO3、BaO的含量，一方面可以補充SO3、BaO含量的不足，另一方面可以增加C2.75Ba1.25A3礦物的生成量。

本試驗主要研究在過量摻加SO3和BaO的條件下熟料力學性能的變化，通過選取合適的SO3和BaO摻加量，充分利用XRD、SEM-EDS等測試手段對其熟料的組成、微觀結構來進行分析。在過量摻加SO3和BaO的條件下，通過改變CaF2的摻加量，研究CaF2不同摻量條件下對熟料力學性能的影響。通過CaF2不同摻加量條件下進行試驗，試驗方案及結果見表1及圖1。

表1 CaF2摻量對熟料性能的影響

從表1可以看出，各水泥試樣的f-CaO含量較低。在試驗條件下摻加CaF2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，早期強度已經達到峰值，隨著CaF2摻量的增大其意義并不大，同時隨著CaF2摻量的增加還會對A礦的早期水硬性發揮產生不利的影響。因此，應盡量降低CaF2在體系中的摻加量。根據對水泥試樣力學性能的分析，在熟料中CaF2的最佳摻入量應選取0.6%。

圖1 CaF2不同摻量水泥試樣抗壓強度

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，通過對比A礦物和B礦物，A礦物結晶比較規則，棱角較為分明，晶界比較清晰，有少量液相包裹其周圍。貝利特礦物呈規則的卵粒狀，分布均勻，晶體尺寸大約25μm。硫鋁酸鋇鈣礦物呈現顆粒狀并分散分布在水泥熟料體系中，尺寸比較小。結合在試驗條件下水泥熟料試樣的力學性能和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性能。依據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點能譜

圖4 圖2中2點能譜

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點能譜

圖7 圖5中2點能譜

6 結論及展望

本文通過研究在貝利特—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的抗壓強度值約為27MPa，展現了良好的早期強度。

[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.微量元素對含鋇硫鋁酸鈣的合成及特性的影響.硅酸鹽通報.1997年增刊，408-412.