文献综述

1. 1 研究背景

水泥基材料作为经济发展和生产建设不可或缺的原材料，在国内市场中始终保持着较高的需求量。同时，水泥工业又是一个主要的能源消耗行业和CO₂排放大户。国家统计局公布2012年11月份全国水泥产量20108万吨，同比增长9.4％，2012年1~11月份累计水泥产量达200836万吨，同比增长7.5％^[1]，水泥工业CO₂排放量已达到全社会总排放量的较高份额。水泥工业CO₂排放量的降低对于实现国家节能减排的目标具有非常重要的意义。随着可持续发展战略的实施，水泥工业的资源、能源、环境问题成为制约其发展的主要因素。如何根据需要改善水泥的性能，降低水泥生产的成本，是水泥科技术界和生产企业的重要研究课题。

硅酸盐系列水泥（portland cement）是当今使用最为广泛的无机胶凝材料^[2]。然而硅酸盐水泥的生产耗能高，且排出大量的CO₂^[3,4]，这与经济社会的可持续发展相抵触。基于此，各国研究人员均在研究探索新型的节能、环境友好水泥。20世纪70、80年代，中国开发出硫铝酸盐系列水泥 (sulphoaluminate cement)^[2]。该水泥熟料的矿物组成主要包括硅酸二钙2CaO#183;SiO₂(简写为C₂S)、无水硫铝酸钙4CaO#183;3Al₂O₃#183;SO₃（简写为C₄A₃S(#8212;))、铁铝酸四钙4CaO#183;Al₂O₃#183;Fe₂O₃(简写为C₄AF)和硅酸钙CaO#183;SO₃(简写为CS(#8212;))四相,而没有硅酸三钙3CaO#183;SiO₂(简写为C₃S)和铝酸三钙3CaO#183;Al₂O₃(简写为C₃A)两相^[5]。

C₂S-C₄A₃S(#8212;)体系水泥是一种以硅酸二钙和无水硫铝酸钙为主要矿物组成的水泥。相比传统硅酸盐水泥熟料，C₂S-C₄A₃S(#8212;)体系熟料的钙含量较低，所需石灰石的量大大减少，CO₂排放量降低最多可达35%^[6]。多项研究表明，利用粉煤灰^[7]和煤矸石^[8]等固体废弃物来制备硫铝酸盐水泥熟料或C₂S-C₄A₃S(#8212;)体系的熟料，可进一步降低其生产过程对环境的影响。此外，该体系熟料的煅烧温度较传统硅酸盐水泥熟料低约100℃，能够有效降低熟料烧成热耗，并显著改善熟料的易磨性。

C₂S-C₄A₃S(#8212;)体系的水泥在发挥了C₄A₃S(#8212;)矿物水化速度快、早期强度高等优点的同时，体系中大量的C₂S矿物能够保证后期强度的持续增长，使得水泥总体上具有早期强度好、后期强度增进率高、耐久性和体积稳定性好等优点。随着C₂S-C₄A₃S(#8212;)体系水泥研究的深入，其性能的优点需要理论的证实，缺点也需要理论来帮助改善，最终产品的推广也需要详尽的微观结构和水化理论来支撑，进一步研究C₂S-C₄A₃S(#8212;)体系水化机制与结构具有重要的意义。由于C₂S-C₄A₃S(#8212;)体系水泥与硫铝酸盐水泥的矿物类型大体相同，对其水化过程的研究可以借鉴硫铝酸盐水泥相关理论。

1.2 C₂S-C₄A₃S(#8212;)体系熟料的矿物组成

C₂S-C₄A₃S(#8212;)体系熟料与硫铝酸盐水泥熟料的主要矿物组分相同，均为无水硫铝酸钙、硅酸而钙、铁相以及方镁石、钙钛矿等少量矿物，但两种熟料中C₄A₃S(#8212;)和C₂S矿物的含量有很大差别。硫铝酸盐水泥熟料中C₄A₃S(#8212;)含量为55-75%，C₂S含量为8-37%；C₂S-C₄A₃S(#8212;)体系的熟料中C₄A₃S(#8212;)含量为30-50%，C₂S为40-60%。

无水硫铝酸钙可用化学式3CaO#183;3Al₂O₃#183;CaSO₄表示，中国建筑材料科学研究院水泥物化室张丕兴等人对无水硫铝酸钙进行大量研究工作后认为其矿物为四方晶系；晶胞参数a₀ = b₀ = 1.303 nm、c₀ = 0.916 nm、α=β=90#176;，X射线衍射谱主要d值为0.376、0.265、0.217nm。无水硫铝酸钙晶体结构如图1-1所示，其是以节点相连的铝氧四面体构成的多孔骨架，在这个骨架里四个Al-O四面体构成四方环状，其具有较高的水化活性可能与之有关^[9]。

图 1-1 C₄A₃S(#8212;)晶体结构示意图（平行[001]晶轴方向投影）