低热硅酸盐水泥的研究进展

低热硅酸盐水泥的研究进展

诸葛瑞金

临沂中联水泥有限公司，276000

摘要：作为混凝土新型胶凝材料的低热水泥具有低能源消耗、低环境负荷及优异的耐久性能，符合当今国际水泥行业节能、环保、节约资源以及高性能和可持续发展的要求，其应用前景广阔。但由于低热水泥的早期强度偏低阻碍了其产业化生产与规模化的应用，因此在此方面还应加强研究。

关键词：低热水泥；性能；高性能化

1低热水泥的研究现状

贝利特的稳定与活化

纯硅酸二钙在1450℃下发生多晶转变，通常以a，a＇H，a＇L，β和γ晶型存在。在室温下，有水硬性的a，a＇H，a＇L和β型纯硅酸二钙的几种变体都是不稳定的，有趋于转变成水硬性微弱的γ型。固溶有少量氧化物的硅酸二钙称为贝利特，根据硅酸二钙固溶体中的氧化物的种类与数量以及冷却开始的温度与速率，可以保留不同的高温变型，其中a＇型强度最高。为了使贝利特的水化性能更有利于强度的提高和发展，其稳定与活化是关键。自20世纪70年代以来国内外学者对这一问题开展了大量的研究工作。AKC hatterjee等在对低热水泥长龄期浆体的水化研究中发现，对初始熟料中以β和a＇晶型存在的贝利特相，水化5年后未反应的贝利特相仅呈a＇形态。由两种不同的化学物质进行稳定的同一种晶型的活性差别很大，热历史及矿物晶体生长的化学环境不同，均可导致贝利特矿物活性的差别。

根据结晶化学原理，稳定贝利特的高温变体、减小贝利特结晶尺寸和增大晶格畸变可增加其水化反应活性，要达到这一目的主要技术途径可归纳为：热活化和化学活化。

1.1热活化

热活化包括快速升温和急速冷却。

孙庆凌等人研究了升温速度对贝利特活性的影响，结果表明快速升温可以提高贝利特的水化活性和早期强度，并降低贝利特的形成温度，缩短烧成时间。快速升温之所以能够提高β－C2S的水化活性，是由于所形成的矿物晶粒细小比表面积大，晶体间空隙多，微观应力大造成的。B.S.Albats等人对快速烧成条件下（升温速度20℃／min）制备的高贝利特水泥熟料进行组成矿物的定量X射线分析表明，快速烧成的熟料其C3S含量实测值，显著高于理论计算值（5％～9％）。而对于高饱和比熟料，以较慢的升温速度煅烧时，C3S实测值低于理论计算值。这说明快速升温有利于增加熟料中的C3S含量，微区X－射线能谱分析结果表明此C3S中的Ca／Si摩尔比仅2.85左右。在这种条件下所得高贝利特含量水泥的强度性能和高C3S含量水泥相比，早期相当而28天强度更为优越。

急冷的目的是稳定贝利特的高温变体，主要是稳定a＇相。J．Stark和A．Muller等研究了活性贝利特水泥的制备条件，尤其是冷却速度对贝利特水泥强度的影响。结果表明，在1300℃～900℃的温度区间内的冷却速度对贝利特活性影响很大，低于900℃时，转变已很慢，对活性无影响。冷却速率对3d强度影响甚微，快速冷却不能改善贝利特的早期水化活性，然而对28d强度影响非常大，尤其适合贝利特含量为50％～60％，阿利特含量为20％～30％的水泥。

1.2化学活化

化学活化即通过掺杂氧化物来稳定贝利特的高温相，同时引起贝利特的晶格畸变以提高贝利特的活性。目前研究较多的是Na2O，K2O，SO3，BaO，B2O3，Cr2O3和P2O5等。研究结果表明：在不含SO3的高贝利特水泥熟料中，大多数碱固溶于贝利特中。Na2O和K2O的存在可使a和a′相稳定，从而提高贝利特的水化活性。但也有研究表明当熟料中存在A12O3时，Na2O和K2O不能稳定a相。GiesA等人认为在不存在碱时，添加SO3使熟料中贝利特大大增加，相应阿利特大大减少。ZiemerB等人则认为SO3只是加速1100～1300℃间贝利特的形成，并不显著提高贝利特的水化活性。MatkovicB和BobesicB等人研究结果表明BaO可以稳定a和a′相；P2O5在贝利特中不仅具有相当的固溶量，而且是a、β型贝利特的良好稳定剂。P2O5在煅烧期间的挥发量较少，且在贝利特晶体内部的分布比较均匀，P2O5的加入，无疑将增加贝利特内部的点缺陷。从结构化学上讲，将P5＋加入贝利特晶体中，由于P5＋与Si4＋的取代作用，将在晶格中产生Ca2＋空穴，随着P5＋的增加，Ca2＋空穴浓度及其捕获正电子的能力增加，从而增加了贝利特晶体界面上的自由能和水化活性，使贝利特强度增加。因此，在低掺量条件下，适当掺入P2O5对贝利特强度的提高将是有利的。

2低热水泥生产工艺及使用性能的研究

近年来，我国对低热硅酸盐水泥的生产与应用研究也取得了重大进展。中国建筑材料科学研究院郭随华等对低热硅酸盐水泥熟料出窑颗粒度、显微结构组成和水泥性能关系进行了研究。分析表明，结粒越大，熟料的C3S含量越高；在致密度相近的条件下，当结粒大于5mm，结粒越小，出窑熟料冷却越快，a′－C2S形成数量越多，水泥的性能越好，试验表明，当熟料结粒尺寸在5～15mm时，低热硅酸盐水泥的强度性能最好。

相关研究对低热硅酸盐水泥强度的影响因素进行了分析，分析表明，熟料烧成制度、出窑熟料升重控制、不同石膏种类及掺量和不同细度对水泥强度均有影响。张文生等在前人工作基础上，对低热硅酸盐水泥熟料的矿物组成要求进行了综合评述，表明为了实现高强化，应适当提高熟料中硅酸盐矿物的总量，而减少中间相特别是C3A的数量，这有利于实现浆体的低需水量和高流动性，并可降低水泥水化热，提高所形成熟料的活性和混凝土耐久性。在熟料矿物中引入C4A3S可显著提高低热硅酸盐水泥的早强，但必须对其凝结控制问题展开深入研究。

王晶等对低热硅酸盐水泥在高温环境下的砂浆强度特性进行了探讨，并和传统硅酸盐水泥砂浆强度特性进行了比较，结果表明，这种水泥具有传统水泥及传统改性水泥所不可比拟的高温强度稳定性，而且早强比较高；当养护温度超过50℃时，其早强就可赶上同标号的传统水泥，另外掺入一定量的矿渣，还可进一步改善其高温稳定性。隋同波和彭小平等都对低热硅酸盐水泥的性能进行了研究，结果表明，低热硅酸盐水泥具有流动性好、水化热低、水化产物细致及耐久性好、后期强度高、高温稳定性好、干缩小等优点。文寨军等研究了石膏类型及掺量对低热硅酸盐水泥的影响，结果表明，在相同的试验条件下，掺硬石膏对提高低热硅酸盐水泥的强度性能有利，并且随着硬石膏掺量的增加，水泥的3d、7d强度提高，且28d强度基本不变，而且对于二水石膏而言，水泥中SO3的最佳含量在2.5﹪左右，同时，随着粉磨细度的提高，低热硅酸盐水泥的强度有较大幅度的增长。范磊等研究了低热硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、基准水泥等三种水泥与四种不同的高效外加剂的适应性，研究结果表明，低热硅酸盐水泥与高效减水剂之间具有优良的适应性，而低热硅酸盐水泥中较少的C3A含量以及相对较高的C2S含量，是其与高效减水剂具有优异适应性的主要原因。

3展望

与通用硅酸盐水泥相比，低热水泥具有低能源消耗、低环境负荷、低水化热、良好的高温稳定性、干缩率小、与外加剂适应性好、后期强度增进率大等优点，符合当今国际水泥行业节能、环保、节约资源以及高性能和可持续发展的要求，被誉为“生态水泥”。低热水泥具有如此优良的性能，目前在我国的建材行业却很少有生产与应用，其主要原因是低热水泥的早期强度相对通用硅酸盐水泥偏低，难以满足建设施工速度的要求。因此，如何提高低热硅酸盐水泥的早期强度对推动低热水泥的产业化生产与规模化应用显得尤为重要。我们有望对影响低热水泥早期强度的因素及其作用机理进行分析，寻找改善和提高低热早期强度以及其他各方面性能行之有效的办法，将低热水泥广泛推广应用于更多工程实践中。

参考文献

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[2]闵娟.水泥工业发展对策研究[J].建筑工程技术与设计，2019（1）.   

[3]付晓哲.浅谈中国的绿色发展之路[J].商情，2020（45）.