以C_2S为主要矿物组成的低碳水泥初探

吴伟伟 周 琨

（河南省豫鹤同力水泥有限公司，458000）

以C_2S为主要矿物组成的低碳水泥初探

吴伟伟 周 琨

（河南省豫鹤同力水泥有限公司，458000）

随着低碳型水泥产品的不断开发，国内水泥行业目前在低碳型水泥方面更强调CaCO3含量较少且不会排放过多的CO2。尽管这种类型水泥如铝酸盐或硫铝酸盐等水泥具有低碳型特征，可进一步研究或扩大生产，但这些水泥在实际生产过程中也会消耗大量的铝矾土，且从整体性能角度并不能完全取代硅酸盐水泥。对此需注重改善低碳水泥的矿物组成部分，以C_2S为典型代表，能够取得良好的应用效果。本文主要对主要熟料矿物主要为C2S的水泥基本概述、应用的优势以及熟料矿物为C2S水泥的合成方式进行探析。

C2S熟料矿物；低碳水泥；合成方式

前言：作为我国目前二氧化碳排放量较大的行业，水泥行业近年来发展过程中更注重落实我国当前推行的节能减排理念。尽管许多节能减排技术已逐渐投入水泥行业生产过程中，但其中仍存在一定的弊端如投入成本较多或节能减排效果不理想等。这就要求以低碳水泥为出发点，引入 C2S熟料在生产过程中，对于水泥行业的持续发展具有十分重要的意义。

一、熟料矿物以C2S为主的水泥基本概述

相比C3S，水泥行业生产中C2S的应用无需利用过多的CaCO3，且不会排放较多的CO2。根据数据统计，以kg单位对其衡量，1kg的C2S仅排放约512g的CO2，C3S在生产过程中CO2排放达到579g，说明水泥生产中引入C2S作为主要熟料矿物能够获得良好的减排效果。而以我国目前水泥熟料年产量10亿吨计算。CO2排放量每年可减少1900万吨左右，所以应用C2S极为客观。应用过程中，许多水泥厂商会顾虑到水泥强度是否会因 C3S的减少而受到影响，但事实上国内外许多学者已对C2S性质进行一定的实验研究，在C2S中存有一定量的C3S，且具有较高的强度，将其置于温度较低并利用NaF矿化剂证明C2S在早期活性方面也较高[1]。

二、低碳水泥生产中应用C2S作为熟料矿物的优势研究

(一)从高C2S水泥性能角度

近年来，国内外许多学者在低能耗水泥研究方面逐渐深入，通过对高β-C2S水泥中的熟料矿物成分进行分析以证明其在性能方面的优势。根据相关实验数据可发现，相比PC熟料，C3S含量在HBC熟料中极少，而且与硅酸盐水泥比较，在早期强度方面，高C2S含量水泥尽管表现出一定的劣势，但其仍可满足52.5等级要求并在强度上为28d，在抗压与抗拆强度方面都可与硅酸盐水泥相媲美，且在应用约为三个月后便会超出硅酸盐水泥许多。同时，分别从HBC与PC中取出一定C2S与C3S量，对其抗压强度进行比较，可得出对于硅酸盐水泥中较为固定的数量矿物成分，可进行一定的改变。但需注意C3S的含量在60%以上的情况下需保证烧成温度至少为 1450℃，但水化性能会因此受到影响。而使水泥保持较高的 C2S含量既能改变这种烧成的温度，也可使CO2排放量得以减少[2]。

（二）从高C2S水泥熟料性能角度

高C2S水泥熟料在性能上的优势主要表现为水化热较低。通过以往实验表明，7d与3d在HBC中的水化热表现为222kJ/kg与193kJ/kg，说明其在水化放热水平方面与低热矿渣水泥保持相当，而且相比硅酸盐水泥，高 C2S水泥熟料在绝热温升方面也降低50%左右。也有实验研究中对硅酸盐水泥与高C2S水泥进行比较，在28d以内的条件下，高C2S水泥熟料表现出的抗海水侵蚀性能较差，但在180d条件下，溶液Na2SO4中可发现高C2S熟料的耐腐蚀系数可达1以上，但普通硅酸盐水泥仅为0.57[3]。

（三）从高C2S水泥混凝土角度

现阶段水泥的应用大多集中在混凝土配置过程中，所以有学者对利用高 C2S水泥所配置的混凝土性能进行测试，并对比以硅酸盐水泥为主的混凝土，发现相比PC混凝土，HBC混凝土的早其强度不具备明显的优势，但在28d以后可发现比PC混凝土高出许多，且在抗拉能力以及抗拆能力方面，PC水泥混凝土都无法与其媲美。而其他混凝土性能如抗冻性能、干缩性或抗渗性等也与PC混凝土保持接近甚至超出许多。另外，高 C2S熟料生产过程中应用的石灰石较少且烧成热耗较低，不会排放过多的CO2。同时由于进行混凝土制备过程中，高C2S水泥熟料不会产生较多的水化放热量，水化后不会产生较多的 Ca（OH）2，有利于提高混凝土耐久性能。因此，对于我国许多地区在石灰石品位不高的情况下，可充分利用这种矿物组成的方式，高C2S熟料的应用更能获得较多的经济效益[4]。

三、C2S水泥合成的方式研究

近年来在水泥应用逐渐广泛背景下，许多学者以水热合成法为根据研究出低温合成粉煤灰水泥的方式，是水泥制备中极为有效的方式。其应用的工艺流程中为在将适量水与石灰、粉煤灰混合并碾压后使其成为砖型，然后将其置于蒸养釜中直到自然冷却为止，此时需碾碎块状物体并在加热炉中完成煅烧，最后在制冷后便可得到产品。但需注意在配比方面石灰与粉煤灰应保持在1：4，碾压中需利用辊压盘磨以此活化粉煤灰，而其中煅烧过程中的温度应控制在700℃与800℃之间以保证矿物的胶凝性。另外，在冷却过程中可利用空气急冷的方式，使C2S熟料性能得以保证。这种低温粉煤灰水泥应用的特征以及用途主要体现在以下两方面。

（一）低温粉煤灰水泥应用中的特性分析

这种水泥应用中的特性主要表现在：①凝胶时间与稠度较为合理。粉煤灰水泥在低温合成过程中所占的比重仅为2.6，且碳的含量较少，要求水量需保证在40%以上。而其中的成分也保过C12A7，能够快速凝结且可利用一定的措施对凝结的时间进行调节。②具备良好的耐冻性能。在耐冻性能方面，这种水泥较硅酸盐水泥相比存在一定的劣势，但接近于矿渣硅酸盐水泥。③较高的强度。尽管这种水泥中存有一定量的C12A7以及β-C2S，但在强度方面仍具备一定的优势，若能够激发未反应的A12O3以及SIO2等，可使强度方面得到大幅度的提高。④具有良好的抗腐蚀性。通过实验数据表明，若将其置于饱和石膏溶液中，抗腐蚀的指数仍保持 1以上，主要原因在于C3A与C3S不存在水泥中，在抗化学腐蚀方面表现的性能尤为突出。⑤大气稳定性较差。因为这种水泥中的灰比以及水含量较高，且仅有11.0的浆体液相PH值，所以不具备较强的抗大气稳定性。

（二）低温粉煤灰水泥应用的具体范围

这种水泥的应用可概括为三方面：首先在地下工程中的应用，通过前文叙述可知这种水泥在抗腐蚀性以及抗渗性等方面具备较强的优势，可在对强度要求较低的隧道或其他地下工程中广泛应用。其次，巷道喷射水泥的制作过程中。因为这种水泥凝胶时间较快，可直接作为隧道喷射水泥，如淮南发电厂在井下巷道施工中便充分利用这种水泥。最后，配合硅酸盐水泥应用。与硅酸盐水泥共同应用的优势在于使早期强度得以提高，特别在早期抗拆强度方面表现的优势较为突出[3]。

结论：低碳水泥以C2S作为熟料矿物将成为未来水泥行业发展中的重要内容。通过文中的相关实验数据充分说明，以C2S熟料矿物为主的水泥无论在自身性能或应用于混凝土配置中都具有极强的优势，而且低温合成粉煤灰水泥的应用也充分证明C2S的活性特征。尽管以C2S熟料矿物为主的水泥具备一定的优势，但在应用中仍需不断改进完善，保证其能够实现节能减排的目标。

[1]杨南如. 以 C_2S为主要矿物组成的低碳水泥初探[J]. 水泥技术,2010,10（04）:20-25.

[2]李保亮. 矿物组成对阿利特—硫铝酸盐水泥熟料煅烧及性能影响的研究[D].济南大学,2011.

[3]栗潮. C_2S和中间相前导矿物对熟料中 C_3S形成动力学影响[D].郑州大学,2010.

[4]裘国华. 煤矸石、尾矿代粘土匹配低品位石灰石煅烧水泥熟料试验研究[D].浙江大学,2012.

[5]王卫山. 早强矿物添加剂对混合材硅酸盐水泥性能的影响[D].济南大学,2013.

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1007-6344（2015）09-0006-01