济南人学顸：0 学位论立第一章绪论l ，1 课题研究的背景在5 0 年代人们就对钡水泥作了大量的研究，发现它有很多的优越性，例如腐蚀·性能好，有很强的抗辐射能力当时，人们研究的钡水泥是含钡的硅酸赫水泥和铝酸盐水泥含钡铝酸盐水泥是一种水硬性的胶凝材料，而该水泥的水化产物中台有大量的B a S 0 4 ，3 个月后，B “O H ) 2 结晶成B a ( O H ) 2 ’8H 2 0 ，这一过程体积增大而导致水泥试体开裂，所以钡水泥一直没有推广应用近年来，人们开始转向含钡硫铝酸盐水泥把钡渣作为水泥制备的主要原料以B a 离子取代C a 离子对硫铝酸盐水泥有很大的影响，同时也对C 3 S 、C 2 S 的生成有影响，B a 离子的引入生成一系列的新矿物2 0 世纪7 0 年代我国发明了普通硫铝酸盐水泥，8 0 年代又首创高铁硫铝酸盐水泥( 又称铁铝酸盐水泥) ，从而形成了不同种类的硫铝酸盐水泥系列与硅酸盐水泥相比，硫铝酸盐水泥的组成属于另一个物理化学系统，它以3 C a O ·A 1 2 0 3 ·C a S 0 4 矿物为主⋯3 C a O ·3 A 1 2 0 3 ·C a S 0 4 矿物使水泥具有早强、高强、抗渗、耐蚀、低碱度等优良特性，是当代世界水泥发展史上出现的新品种系列，已显示出十分乐观的发展前景。
它具有较高的早期强度，但是后期强度不高甚至会出现倒缩的现象，所以为了改进硫铝酸盐水泥性能，对由该矿物衍生的硫铝酸钡钙矿物及含钡硫铝酸盐水泥进行更加深入的研究，生产低能耗、低成本的胶凝材料是合理和具有广阔前景的，这对于全球日益恶化的环境来说也是具有很重大的意义1 ．2 选题目的和意义自1 8 2 4 年英国阿斯普T ( J ．A s p c h i n ) 发明波特兰水泥( 即硅酸盐水泥) ，迄今已有1 8 0 年的历史由于硅酸盐类水泥原料来源丰富，性能可靠、低廉，又能大规模生产，成为当今最重要的建筑材料之～，2 1 世纪水泥材科仍然是必不可少的建筑材料之一，水泥工业在国民经济中仍占有重要的基础地位但是，随着现代化建设中多种特殊：[程和施工工艺的不同技术要求，提高性能、节约能源、降低消耗、保护环境、走可持续发展道路已成为水泥科研工作者未来奋斗的方向和目标随着水泥化学研究工作进一步深入，新品种水泥不断开发，到目前为止，水泥已微量儿索对含钏硫铝陵盐水泥性能的影响近2 0 0 种在我国已研究、丌发出6 大体系，7 大类共6 0 余种特种水泥，在品种、数量和研究水平方面跨入世界先进行列，基本满足国民经济发展和各行业的需要。
但是，我国特种水泥发展还不平衡，和工业发达国家相比较，我国装饰水泥、膨胀水泥和自应力水泥所占比例大体相当：油井水泥和水工水泥所占比例偏低；快硬早强水泥则严重短缺国外此类水泥产量通常占3 ％～8 ％，是各类特种水泥中产量最高的～类，而我国仅占0 ．1 3 ％，是产量最低的一类【2 1 传统硅酸盐水泥材料以其良好的建筑性能、只益先进的生产方式仍然在当今社会占有举足轻重的地位，但传统硅酸盐水泥生产所暴露的问题也越来越为人们所关切，人们对其性能的要求也越来越高，开发新品种特种水泥并不断改善和提高其性能，降低其生产成本至关重要因此，如何发展高性能、长寿命、低环境负荷的新型水泥，已成为我国国民经济和社会可持续发展战略中亟待解决的重大课题程新教授的课题组合成的系列硫铝酸钡钙，具有优异的快硬早强、高强、抗冻融性能，是一种性能优异的胶凝矿物，对开发新品种水泥有着重要意义在此基础上，常钧等学者烧成了系列硫铝酸钡钙矿物，获得了最佳组成c 27 5 B l2 5 A 3 s 含钡硫铝酸盐水泥的生产，利用原普通水泥生产线，无须进行工艺改造；利用含钡工业废渣，节约资源、保护环境；烧成温度低，节约能源该水泥虽早期强度较高，但存在后期强度不稳定的现象，且正处于推广阶段，虽然其性能优异，但市场价格还是比普通硅酸盐水泥要高，这不利于该水泥的普遍应用。
本研究课题的基本思路是通过在含钡硫铝酸盐水泥的体系中加入微量元素，如C r 、Z n 、C u 等，以期能进一步改善含钡硫铝酸盐水泥的性能，并探讨能否用工业废渣F e粉取代体系中的部分铝矾土：用工业废渣磷石膏或氟石膏取代体系中的部分石膏，从而大大降低生产成本将上述微量元素引入含钡硫铝酸盐水泥体系中，将会迸一步提高该水泥的性能和降低生产成本，其意义重大：1 ．进一步提高水泥的早期强度性能：2 ．改善水泥的后期强度稳定性，提高水泥耐久性；3 ．节能该水泥烧成温度低( 1 3 5 0 C 左右) ，由于F e 的引入，将会进一步降低该水泥的烧成温度，可节约能源：济南火学硕，L 学位论文4 ．废弃物资源化将含钡工业废渣转化为无毒的硫铝酸钡钙矿物，消除了有霉钡渣对环境的污染；工业废渣磷石膏、c r 渣、F e 渣的回收利用不但降低了生产成本，还减少了废弃物对环境的污染5 ．从提高强度、节约矿产资源、节能利废、保护环境等方面综合考虑，其经济、环境、社会效益显著只有弄清楚了这些微量元素对其体系的影响，爿+ 有可能更广泛地选择台钡硫铝酸盐水泥的原料，从而降低其生产成本，同时还能进一步提高含钡硫铝酸特水泥的性能，尤其是稳定该水泥的后期强度。
这对该品种水泥的推广具有重要的意义，而且从提高强度、节约矿产资源、节能利废、保护环境等方面综合考虑，其经济、环境、社会效益显著，意义深远1 ．3 国内外研究动态1 ．3 ．1 含钡硫铝酸盐水泥发展概况7 0 年代以来，以3 C a O ·3 A 1 2 0 3 ·C a S 0 4 矿物为主的快硬硫铝酸盐水泥得到了广泛生产和应用，水泥的早期性能得到了明显改善和提高，但是随着特殊建设工程要求的提高，硫铝酸盐水泥的后期强度不高甚至会出现倒缩，凝结时间不易调节以及膨胀不稳定因素的影响使其远不能满足特殊建设工程的需要为了改进硫铝酸盐水泥性能，材料工作者对该矿物已有了很多研究1 9 8 5 年I ．T e o r e a n u [ 3 1 首次研究了含锶钡硫铝酸钙矿物，对3C a O ．3A 1 2 0 3 ．M ；( s 0 4 ) ，系统中3 C a O ·3 A 1 2 0 3 ·M s 0 4 ) v 型系列矿物( M =M 2 2 + 、s r 2 十、B a 2 + 、z n 2 + 、F e 2 + 、F e 3 + 、A 1 3 + ) 及其相容性进行了详细研究并合成了3C A S r S O 。
抗压强度结果表明，两者的胶凝性明显优于C 4 A 3 i ；冯修吉【4 】、廖广林口l 、阎培渝【6 】等研究了3C A - B a S 0 4 和3C A ·S r S 0 4 的结构和性能，确定了两种矿物的x光衍射数据并讨论了它们的热稳定性：程新i 7 ，8 1 首次制成了尺寸6 0 ～1 2 0 肚m 的3C A ．S r S O 单晶并通过分析获得了全套结构参数；P ．Y a h 吼1 e 】对含S r 、B a 的硫铝酸钙的水化过程进行了研究，研究表明，含s r 、B a 的硫铝酸钙矿物的水化在硫酸赫存在的条件下受到很大影响，在硫酸盐环境下，C 3 A 3 B a S 0 4 的强度更高，但较3 C a O ．3 A 1 2 0 3 ．C a S 0 4 的强度要低，含s r 的硫铝酸钙的水化速度得以加速综上所述，众多专家都发现3C A ·B a S 0 4 和3C A ·S r S 0 4 的胶凝性优于3C A - C a S 0 4 ，于是丌发诺盈儿素对古钏碱锚胺敲水泥性能的蟛响一种以3 C A ·B a S 0 4 一B ．C 2 S 或3 C A ·S r S 0 4 一p ．C 2 S 为主要矿物的新型含S r 、B a 的硫铝酸盐水泥成为可能。
程新教授课题组，在合成3C a O ·3A 1 2 0 3 ·S r S 0 4 单晶体并获得整套结构数据的基础上，用熔赫法合成了含钡硫铝酸钙晶体体系的单晶体⋯】；首次利用量子化学原理，确定矿物的构效关系[ 1 2 , 1 3 l ；合成了一系列高强硫铝酸钡钙矿物，并进行测试与表征，探明其水化机制∽挎】：合成以硫铝酸钡钙矿物为主体的含钡硫铝酸盐水泥，研究水泥的形成条件和水化原理及微量元素的影响在此基础上常钧等学者按( 3 一z ) C a O ，X B a O ·3 A 1 2 0 3 ·C a S 0 4 化学计量( 其中x= 0 ．0 0 ，0 ，2 5 ，0 ．5 0 ，0 ．7 5 ，1 ．O O ，1 ．2 5 ，2 ．0 0 ，2 ．2 5 ，2 ，5 0 2 ．7 5 ，3 ．0 0 ) 的比例准确称量各试剂，经粉磨、成型，在硅碳棒高温炉中烧成各硫铝酸钡钙矿物获得了最佳组成，其矿物为C 27 5 B a I2 5 A 3 S 基于上述研究，利用提取碳酸钡的工业废渣、重晶石尾矿等原料低温合成了含钡硫铝酸盐水泥，最终首次工业化生产出1 0 0 0 吨性能优异的含钡硫铝酸盐水泥：初步建立了含钡硫铝酸盐水泥的科学技术体系。
该水泥体系具有较高的强度( 1 、3 、2 8 d 的抗压强度分别达到5 0 、7 0 、9 0M P a ) [ 2 0 - 2 2 】且实验发现，熟料矿物中硫铝酸钡钙及钡含量的多少是决定该水泥具有快硬早强性能的重要因素，且随它们含量的增加而提高【1 2 】由于硫铝酸钡钙矿物的优异性能，使得新型含钡硫铝酸盐水泥不但具有快硬早强性能，特别是1 2 小时、l 天和3 天强度分别达到6 0 ～6 5 、6 5 ～7 0 和7 0 —7 5M P a ，且长期强度稳定，还具有良好的抗硫酸盐侵蚀和抗冻融性，可以开发出许多高附加值的系列材料，对各种工程建设具有重要的意义鉴定专家认为，含钡硫铝酸盐水泥达到了国际领先水平田】1 ．3 ．2 微量元素在硫铝酸盐水泥中的应用研究概况C r 2 0 3 对硫铝酸盐水泥的矿化作用程新f 2 4 】等学者在实验室条件下用直接法掺加C r 2 0 3 烧制了绿色硫铝酸盐水泥，通过D T A 测试发现C r 2 0 3 能降低C a C 0 3 的分解温度( 1 0 ～1 9 C ) 和开始分解温度( 2 7～3 5 ℃) ，并能促进C a O 的吸收，使f - C a O 的含量降低。
而且C r 2 0 3 的掺入能显著提高水泥的1 2h 、1d 和3d 的强度其主要原因是C r 2 0 3 加速C a C 0 3 的分解并促进f - C a O的吸收使烧成反应完全所致济南大学硕．I j 学位论文C r 2 0 3 ，M g O 对贝利特一硫铝酸钙水泥熟料矿物形成的影响李艳君、刘晓存【2 5 】等学者应用X R D ，E D A X 等分析测试手段，研究了C r 2 0 3 ，M g O 对贝利特- 硫铝酸钙水泥熟料矿物形成的影响结果表明，适量的C r 2 0 3 ，M g O能促进系统f - C a O 的吸收，降低烧成温度C r ／0 3 ，M g O 主要固溶在C 2 S ，铁相及2C 2 S - C a S 0 4 中，并可使c 2 S 稳定为g ．C 2 S 及d ’一C 2 S 以及稳定2C 2 S - C a S 0 4 当C r 2 0 3含量较高时，使M g O 在熟料矿物中的固溶量显著增加由于水泥中的微量组分显著影响熟料煅烧及性能，有关的研究一直是水泥工作者的重要课题之一这一研究的开展对水泥生产中的节能、水泥质量的控制和产量的提高起着重要作用在水泥生产中，由工业原料带入较多量的M g O ，因此目前对其影响的研究较为深入和普遍【2 6 1 。
近年来有关C r 2 0 3 对水泥的影响问题也引起了水泥工作者的关注，并进行了较为广泛的研究[ 2 7 - 3 0 1 鉴于高镁原料的开发利用和某些化学工业废渣的处理利用( 如铬盐厂铬渣) ，探讨C r 2 0 3 ，M g O 共存时对贝利特一硫铝酸钙水泥的影响有其实际意义Z n O 。