高顯束 王 晶 王 敏 張坤悅（中國建筑材料科學(xué)研究總院，北京 100024）

高強高貝利特硅酸鹽水泥熟料礦相匹配研究

高顯束 王 晶 王 敏 張坤悅（中國建筑材料科學(xué)研究總院，北京 100024）

本文基于水泥工業(yè)節(jié)能減排的需求，通過高強高貝利特硅酸鹽水泥熟料的低鈣組成設(shè)計，針對硅酸鹽水泥熟料中不同礦物具有的不同性能特點，制備出高強高貝利特硅酸鹽水泥熟料，實現(xiàn)熟料CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3多元體系的礦相組成優(yōu)化匹配，達到實現(xiàn)低鈣組成和高強度高性能的目的，降低水泥制備過程的碳排放和能源消耗。

高強高貝利特；熟料；礦相匹配

1 前 言

在“十二五”期間乃至未來的20年間，我國國民經(jīng)濟仍將保持平穩(wěn)較快增長，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和新農(nóng)村建設(shè)進一步拉動內(nèi)需，高速鐵路、軌道交通、水利水電等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將帶動水泥需求平穩(wěn)增長。與此同時，水泥工業(yè)也是一個能源資源消耗大、環(huán)境污染較重的行業(yè)，其生產(chǎn)消耗大量不可再生資源和能源，排放大量CO2溫室氣體以及SO2、NOx等有害氣體。據(jù)預(yù)測，我國石灰石礦物資源和煤炭能源越來越匱乏，可經(jīng)濟開采的石灰石資源約為250億噸，僅夠水泥工業(yè)使用25年。

為積極應(yīng)對氣候變化，實現(xiàn)社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，我國政府提出“到2020年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放強度比2005年下降40%至45%”的減排目標(biāo)，水泥工業(yè)作為CO2排放大戶，低碳發(fā)展刻不容緩。在國家節(jié)能減排政策大背景下，水泥工業(yè)應(yīng)積極探索和大力發(fā)展水泥生產(chǎn)低碳技術(shù)新途徑，通過水泥基材料的技術(shù)創(chuàng)新，降低水泥生產(chǎn)能耗、減少CO2排放，這不僅是促進我國建設(shè)資源節(jié)約型國家的重要環(huán)節(jié)，也是實現(xiàn)國家節(jié)能減排重大發(fā)展目標(biāo)的要求。

表1 原材料化學(xué)成分分析

我國水泥工業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在引進、消化和吸收國外新型干法技術(shù)的基礎(chǔ)上，新型干法水泥技術(shù)日趨成熟，在水泥工藝技術(shù)與裝備升級等方面成績斐然，大（中）型新型干法生產(chǎn)線的主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)（能耗、電耗、廢渣利用水平等）已達到世界先進水平，但毋庸置疑，未來在此方向上發(fā)展的潛力越來越小、難度和投入也越來越大。因此，以現(xiàn)代材料科學(xué)理論為指導(dǎo)，開發(fā)新型低碳水泥熟料體系，提高水泥性能、降低能源和資源消耗、減少環(huán)境污染、提高水泥的應(yīng)用效能是水泥工業(yè)未來發(fā)展和技術(shù)進步的方向。

2 高強高貝利特硅酸鹽水泥熟料礦相匹配研究

原材料選用嘉華特種水泥股份有限公司沙灣總廠石灰石、石英砂、低堿頁巖、鋁礦廢石、鐵渣和石膏等生產(chǎn)用原材料，將各種原材料烘干磨細至一定細度后進行高強高貝利特硅酸鹽水泥熟料礦物設(shè)計。原材料化學(xué)成分如表1所示。

為達到節(jié)能減排的效果，設(shè)定高強高貝利特硅酸鹽水泥熟料C2S含量范圍為40%～60%，按照熟料中C3S、C2S、C3A的不同含量設(shè)計方案并配制生料，生料配料方案見表2。將各種工業(yè)原料先烘干，并在實驗室球磨機中粉磨至0.08mm方孔負壓篩篩余為10%左右。然后按照不同的生料配比稱量原材料，在混料機中充分混合生料。在生料中加入8%～10%的水，攪拌均勻，用80MPa左右的壓力壓制成生料片，并將其置于105℃烘箱中烘干。將烘干后的生料片放入950℃的馬弗爐中預(yù)燒30min，然后迅速轉(zhuǎn)移至已達到設(shè)定溫度的高溫電爐中恒溫煅燒30min，設(shè)定煅燒溫度分別為1350℃、1400℃和1450℃。煅燒后，迅速將樣品出爐，放在室溫中采用風(fēng)吹冷卻至室溫，即得到制備的熟料樣品。

表2 高強高貝利特硅酸鹽水泥熟料生料配比

圖1 不同溫度下煅燒熟料樣品的f-CaO含量

水泥生料易燒性，在理論上是指生料組分轉(zhuǎn)變成熟料相的傳質(zhì)的數(shù)量的難易程度，一般用熟料煅燒后的氧化鈣吸收反應(yīng)程度來衡量。不同配比的原料配料燒制得的熟料樣品游離氧化鈣含量測定結(jié)果見表3。

表3 不同溫度下煅燒熟料樣品的f-CaO含量/%

將煅燒好的熟料取樣磨細至比表面積340～360m2/kg，按照國家標(biāo)準GB/T 176《水泥化學(xué)分析方法》進行化學(xué)成分全分析，熟料化學(xué)分析結(jié)果見表4。

表4 高強高貝利特硅酸鹽水泥熟料化學(xué)成分和礦物組成

將制得的高強高貝利特硅酸鹽水泥熟料摻加適量的石膏，混合均勻，將SO3含量控制在2.0%～2.3%，即得到高強高貝利特硅酸鹽水泥樣品。按照相關(guān)國家標(biāo)準分別進行高強高貝利特硅酸鹽水泥樣品凝結(jié)時間和3d、7d和28d水泥膠砂強度試驗，試驗結(jié)果見表5。

表5 高強高貝利特硅酸鹽水泥樣品物理性能檢驗結(jié)果

由表5試驗結(jié)果可知，利用嘉華特種水泥股份有限公司生產(chǎn)用原材料進行高強高貝利特硅酸鹽水泥熟料試驗，通過礦物組成優(yōu)化設(shè)計，可以在C2S滿足課題指標(biāo)要求≥40%時，通過適當(dāng)提高水泥中C3A含量提高水泥的早期強度，水泥中各礦物含量實現(xiàn)良好匹配，當(dāng)高強高貝利特硅酸鹽水泥熟料中C2S含量為40%～48%時水泥樣品的7d抗壓強度≥17.0MPa，28d抗壓強度≥52.5MPa，實現(xiàn)了水泥熟料中C2S含量較高時水泥具有較高強度。

3 結(jié) 語

高強高貝利特硅酸鹽水泥具有石灰石消耗小和CO2排放較少的優(yōu)點。當(dāng)高強高貝利特硅酸鹽水泥熟料中C2S含量為40%～48%時，水泥樣品的7d抗壓強度≥17.0MPa，28d抗壓強度≥52.5MPa，可以實現(xiàn)水泥熟料中C2S含量較高時水泥具有較高強度。但是由于C2S含量較高，在制備過程中應(yīng)保證原材料充分均化，且在燒成時采取極冷等方式保證活性較高的貝利特晶型能在室溫下穩(wěn)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文獻識別碼B

1003-8965(2017)04-0032-02

國家“十二五”科技支撐計劃（課題編號：2014BAE05B01）