中国建材总院在低碳水泥研究方面取得新进展

日前，中国建筑材料科学研究总院有限公司绿色建筑材料国家重点实验室低碳水泥研究团队在《Cement and Concrete Research》发表了题为“Influence of free calcium sulfate levels on the early hydration of sulfate-rich belite sulfoaluminate clinkers: A comparative study with anhydrite and gypsum”（游离硫酸钙含量对富硫型高贝利特硫铝酸盐熟料早期水化的影响：与硬石膏和二水石膏的比较研究）的论文。

富硫型高贝利特硫铝酸盐水泥（sulfate-rich BSAC）是在高贝利特硫铝酸盐水泥的矿物组成基础上，提高熟料中SO₃含量，并使之以高温煅烧游离硫酸钙形式存在的一种新型水泥。高温煅烧游离硫酸钙对熟料组成、水化有重要影响。同时硬石膏和二水石膏又是调节硫铝酸盐水泥性能的重要组分。因此，研究新型熟料中高温煅烧游离硫酸钙与硬石膏/二水石膏共同作用下，富硫型高贝利特硫铝酸盐熟料的水化机理具有重要意义。

为此，绿色建筑材料国家重点实验室张文生团队探讨了sulfate-rich BSAC这种新型水泥熟料中游离硫酸钙含量对熟料水化的影响，研究了石膏种类和掺量对水泥水化过程中的水化放热、水化产物的演变和水泥的物理性能的影响。研究取得的成果如下：

1. 不含游离硫酸钙BSA熟料在6h内的水化速度较慢。与硬石膏相比，二水石膏能显著提高BSA熟料的早期水化速度[图1(a)]。

2. 随着sulfate-rich BSAC中游离硫酸钙含量的增加，熟料中高活性c-C₄A₃$含量增加，熟料的早期水化速率也相应提高。此外，游离硫酸钙促进了熟料的水化和AFt的生成。游离硫酸钙含量低时，由于SO₄^2⁻离子不足，导致浆体中逐渐形成AFm相，样品抗压强度降低。反之，充足的游离硫酸钙含量可确保C₄A₃$充分反应，从而提高早期抗压强度[图1(b、c)]。

3. sulfate-rich BSAC中的游离硫酸钙溶解较快，可以使溶液中的Ca²⁺和SO₄^2⁻离子快速饱和，从而抑制二水石膏的溶解[图2(a)]。

4. 与二水石膏相比，高溶解度的硬石膏能提高溶液中Ca²⁺和SO₄^2⁻浓度，促进C₄A₃$的水化。因此，硬石膏对sulfate-rich BSAC的早期性能的提高更为明显[图1(d)]。

图1 硬石膏(A)/石膏(G)对熟料早期水化放热与抗压强度的影响

图2 硬石膏(A)/石膏(G)对熟料水化产物的影响

该成果有以下主要创新点：通过对比研究游离硫酸钙sulfate-rich BSAC与BSA熟料早期水化，以及游离硫酸钙与硬石膏/二水石膏协同作用下sulfate-rich BSAC的早期水化特征。发现，sulfate-rich BSAC较BSA水泥具有更好的小时级强度，其6h强度超过15MPa。此外，sulfate-rich BSAC中掺加硬石膏能进一步提高早期水化速度，使6h强度达到20MPa。研究阐明了硬石膏和二水石膏影响sulfate-rich BSAC早期水化的机制，为sulfate-rich BSAC熟料制备水泥时，选择石膏种类和掺量提供了理论支撑。