高强高贝利特硅酸盐水泥熟料矿相匹配研究

高显束 王 晶 王 敏 张坤悦（中国建筑材料科学研究总院，北京 100024）

高强高贝利特硅酸盐水泥熟料矿相匹配研究

高显束 王 晶 王 敏 张坤悦（中国建筑材料科学研究总院，北京 100024）

本文基于水泥工业节能减排的需求，通过高强高贝利特硅酸盐水泥熟料的低钙组成设计，针对硅酸盐水泥熟料中不同矿物具有的不同性能特点，制备出高强高贝利特硅酸盐水泥熟料，实现熟料CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3多元体系的矿相组成优化匹配，达到实现低钙组成和高强度高性能的目的，降低水泥制备过程的碳排放和能源消耗。

高强高贝利特；熟料；矿相匹配

1 前 言

在“十二五”期间乃至未来的20年间，我国国民经济仍将保持平稳较快增长，工业化、城镇化和新农村建设进一步拉动内需，高速铁路、轨道交通、水利水电等基础设施建设将带动水泥需求平稳增长。与此同时，水泥工业也是一个能源资源消耗大、环境污染较重的行业，其生产消耗大量不可再生资源和能源，排放大量CO2温室气体以及SO2、NOx等有害气体。据预测，我国石灰石矿物资源和煤炭能源越来越匮乏，可经济开采的石灰石资源约为250亿吨，仅够水泥工业使用25年。

为积极应对气候变化，实现社会经济的可持续发展，我国政府提出“到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放强度比2005年下降40%至45%”的减排目标，水泥工业作为CO2排放大户，低碳发展刻不容缓。在国家节能减排政策大背景下，水泥工业应积极探索和大力发展水泥生产低碳技术新途径，通过水泥基材料的技术创新，降低水泥生产能耗、减少CO2排放，这不仅是促进我国建设资源节约型国家的重要环节，也是实现国家节能减排重大发展目标的要求。

表1 原材料化学成分分析

我国水泥工业经过几十年的发展，在引进、消化和吸收国外新型干法技术的基础上，新型干法水泥技术日趋成熟，在水泥工艺技术与装备升级等方面成绩斐然，大（中）型新型干法生产线的主要技术经济指标（能耗、电耗、废渣利用水平等）已达到世界先进水平，但毋庸置疑，未来在此方向上发展的潜力越来越小、难度和投入也越来越大。因此，以现代材料科学理论为指导，开发新型低碳水泥熟料体系，提高水泥性能、降低能源和资源消耗、减少环境污染、提高水泥的应用效能是水泥工业未来发展和技术进步的方向。

2 高强高贝利特硅酸盐水泥熟料矿相匹配研究

原材料选用嘉华特种水泥股份有限公司沙湾总厂石灰石、石英砂、低碱页岩、铝矿废石、铁渣和石膏等生产用原材料，将各种原材料烘干磨细至一定细度后进行高强高贝利特硅酸盐水泥熟料矿物设计。原材料化学成分如表1所示。

为达到节能减排的效果，设定高强高贝利特硅酸盐水泥熟料C2S含量范围为40%～60%，按照熟料中C3S、C2S、C3A的不同含量设计方案并配制生料，生料配料方案见表2。将各种工业原料先烘干，并在实验室球磨机中粉磨至0.08mm方孔负压筛筛余为10%左右。然后按照不同的生料配比称量原材料，在混料机中充分混合生料。在生料中加入8%～10%的水，搅拌均匀，用80MPa左右的压力压制成生料片，并将其置于105℃烘箱中烘干。将烘干后的生料片放入950℃的马弗炉中预烧30min，然后迅速转移至已达到设定温度的高温电炉中恒温煅烧30min，设定煅烧温度分别为1350℃、1400℃和1450℃。煅烧后，迅速将样品出炉，放在室温中采用风吹冷却至室温，即得到制备的熟料样品。

表2 高强高贝利特硅酸盐水泥熟料生料配比

图1 不同温度下煅烧熟料样品的f-CaO含量

水泥生料易烧性，在理论上是指生料组分转变成熟料相的传质的数量的难易程度，一般用熟料煅烧后的氧化钙吸收反应程度来衡量。不同配比的原料配料烧制得的熟料样品游离氧化钙含量测定结果见表3。

表3 不同温度下煅烧熟料样品的f-CaO含量/%

将煅烧好的熟料取样磨细至比表面积340～360m2/kg，按照国家标准GB/T 176《水泥化学分析方法》进行化学成分全分析，熟料化学分析结果见表4。

表4 高强高贝利特硅酸盐水泥熟料化学成分和矿物组成

将制得的高强高贝利特硅酸盐水泥熟料掺加适量的石膏，混合均匀，将SO3含量控制在2.0%～2.3%，即得到高强高贝利特硅酸盐水泥样品。按照相关国家标准分别进行高强高贝利特硅酸盐水泥样品凝结时间和3d、7d和28d水泥胶砂强度试验，试验结果见表5。

表5 高强高贝利特硅酸盐水泥样品物理性能检验结果

由表5试验结果可知，利用嘉华特种水泥股份有限公司生产用原材料进行高强高贝利特硅酸盐水泥熟料试验，通过矿物组成优化设计，可以在C2S满足课题指标要求≥40%时，通过适当提高水泥中C3A含量提高水泥的早期强度，水泥中各矿物含量实现良好匹配，当高强高贝利特硅酸盐水泥熟料中C2S含量为40%～48%时水泥样品的7d抗压强度≥17.0MPa，28d抗压强度≥52.5MPa，实现了水泥熟料中C2S含量较高时水泥具有较高强度。

3 结 语

高强高贝利特硅酸盐水泥具有石灰石消耗小和CO2排放较少的优点。当高强高贝利特硅酸盐水泥熟料中C2S含量为40%～48%时，水泥样品的7d抗压强度≥17.0MPa，28d抗压强度≥52.5MPa，可以实现水泥熟料中C2S含量较高时水泥具有较高强度。但是由于C2S含量较高，在制备过程中应保证原材料充分均化，且在烧成时采取极冷等方式保证活性较高的贝利特晶型能在室温下稳定。

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文献识别码B

1003-8965(2017)04-0032-02

国家“十二五”科技支撑计划（课题编号：2014BAE05B01）