熟料相组成优化及工业示范

第一课题

高介稳阿利特微结构和熟料矿物相组成优化课题负责人：沈晓冬分五个课题阿利特微结构表征南京大学朱建民阿利特微结构演变规律与调控南工大吕忆农熟料矿物相组成优化及工业示范南工大沈晓冬马素花阿利特介稳化过程及对性能的影响与工业示范建材院张文生掺杂作用下的熟料形成热力学与动力学（工业示范）济南大学芦令超第三专题

熟料矿物相组成优化及工业示范负责人：沈晓冬马素花专题任务书1一研究内容二三技术路线四预期目标专题任务书关键科学问题及创新点本课题需解决的关键科学问题创新点建立熟料相组成匹配模型和阿利特介稳化控制准则熟料AliteR型熟料矿物相组成优化阿利特微结构调控熟料相组成优化及工业示范阿利特矿物微结构XRD-Reitveld表征研究（中子衍射）阿利特矿物与其水化活性关系及结构调控

高胶凝性水泥熟料相组成设计及优化掺杂（MgO、SO3、K2O、Na2O等）对高胶凝性熟料的作用机制研究内容高胶凝性水泥熟料的工业示范预期目标阐明掺杂效应和冷却速度对高介稳阿利特微结构的影响规律，建立阿利特微结构介稳程度和缺陷形态与其活性的关系

提出高胶凝性熟料相组成匹配优化机理以及新相形成的控制参数，揭示掺杂物质作用规律和存在状态通过阿利特微结构调控和高胶凝性熟料矿物相的优化匹配，提高熟料胶凝性、降低烧成热耗

研究成果在日产1000或2500吨熟料的新型干法生产线上示范使用；在稳定生产28天抗压强度65MPa高胶凝性熟料的基础上，熟料烧成节煤10％以上。

发表高水平论文15篇，申报发明专利2项，培养博士研究生5人

掺杂、改变热历史、调整化学组成阿利特熟料微结构水化活性相组成物理性能确定熟料矿物相最佳组成确定阿利特矿物最佳微结构制备高胶凝性水泥熟料技术路线专题前两年开题报告2有关熟料文献统计:编号分类04-08年/前期1测试分析20/362掺杂17/503废物利用21/324晶型9/20粉磨5/10模型1/45水泥厂及窑13/236综合10/24总计96/199水泥熟料主要相关文献期刊统计一、文献综述水泥熟料主要相关文献期刊统计一、文献综述序号杂志（从多到少的顺序）近五年前期IF1CementandConcreteResearch18591.0282ICCC12th1111/3JournalofHazardousMaterials8102.3374JournaloftheAmericanCeramicSociety5241.7925CementandConcreteComposites460.9626JournalofMaterialsScience351.0817Chemosphere332.7398JournalofThermalAnalysisandCalorimetry331.4259JournaloftheEuropeanCeramicSociety341.56110WasteManagement241.33811InternationalJournalofMineralProcessing230.9712MaterialsandStructures230.5313EnvironmentalScience&Technology224.36314MaterialsResearchBulletin221.48415NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchSectionB220.99716Industrial&EngineeringChemistryResearch221.74917ResourcesConservationandRecycling151.2718MaterialsLetters151.62519J.Appl.Crystallogr.123.62920MineralsEngineering130.93921JournalofWuhanUniversityofTechnology-MaterialsScience120.31222MaterialsScienceandEngineering121.457合计78162/水泥熟料文献被引频次DelaTorreAG;Cabeza,A;Calvente,A,etal.Fullphaseanalysisofportlandclinkerbypenetratingsynchrotronpowderdiffraction[J]ANALYTICALCHEMISTRY,2001,73(2)

:151-156

TimesCited:24DeLaTorreAG,BruqueS,CampoJ,etal.ThesuperstructureofC3Sfromsynchrotronandneutronpowderdiffractionanditsroleinquantitativephaseanalyses[J].CementandConcreteResearch,2002,32(9):1347-1356.TimesCited:20

――6-Ⅲ-26DelaTorreAG,ArandaMAG.AccuracyinRietveldquantitativephaseanalysisofPortlandcements[J].J.Appl.Crystallogr.,2003,36:1169-1176.TimesCited:16

――6-Ⅲ-21KolovosK,TsivilisS,KakaliG.TheeffectofforeignionsonthereactivityoftheCaO–SiO2–Al2O3–Fe2O3systemPartII:Cations

[J].CementandConcreteResearch,2002,32:463-469.

TimesCited:15――6-Ⅰ-25BlackL,StummA,GarbevK,etal.X-rayphotoelectronspectroscopyofthecementclinkerphasestricalciumsilicateand[beta]-dicalciumsilicate[J].CementandConcreteResearch,2003,33(10):1561-1565.TimesCited:10――6-Ⅲ-24DeNoirfontaineMN,DunstetterF,CourtialM.Polymorphismoftricalciumsilicate,themajorcompoundofPortlandcementclinker:1.Structuraldata:reviewandunifiedanalysis[J].CementandConcreteResearch,2006,36:39-53.TimesCited:9――6-Ⅳ-5水泥熟料主要相关文献期刊统计一、文献综述DepartamentodeQuimicaInorganica,CristalografiayMineralogia,UniversidaddeMalaga,SpainChemicalEngineeringDepartment,LabsofInorganicandAnalyticalChemistry,NationalTechnicalUniversityofAthens,GreeceForschungszentrumKarlsruheGmbH(ITC-WGT),Hermann-von-Helmholtz-Platz1,76344Eggenstein-Leopoldshafen,GermanyEcolePolytech,SolidesIrradiesLab,F-91128Palaiseau,France

研究机构一、文献综述分六个部分C3S单矿物和Alite矿物的制备1C3S多晶型的表征方法2C3S晶型及晶体结构3掺杂对C3S晶型的影响4C3S晶型与性能的关系5掺杂对熟料相组成的影响61.C3S单矿物和Alite的制备方法

普通煅烧法快速煅烧法

分步煅烧法

溶胶凝胶法

1.低温放入2.升温至1500℃3.保温3h4.急冷5.重新研碎6.反复煅烧数次

直接放入合成温度内1.低温放入2.升温至900℃3.保温12h4.粉磨压片5.至于1500℃下6.保温12h一、文献综述1.Ca(NO3)2和胶状硅溶液加热边搅拌至70℃2.稳定数小时3.缓慢加热至1500℃4.1260℃取出5.粉磨样品6.在1500℃下煅烧6h7.煅烧2次在原料CaCO3和SiO2中直接加入需要掺杂离子进行混匀后，煅烧直接制得Alite固溶体阿利特在合成好的C3S单矿物中加入需要掺杂离子的化合物，再次烧制得到Alite固溶体

一、文献综述水泥熟料样品磨细乙二醇酒精溶液烘干氢氧化钾蔗糖溶液阿利特一、文献综述f-CaO铝相铁相硫相2.C3S多晶型的表征方法粉末衍射法

60年代：指纹区图谱鉴别

90年代：Rietveld精修技术发展趋势：X射线衍射结合中子衍射电子显微镜法

扫描电镜(SEM)，透射电镜(TEM)，高分辨透射电镜(HRTEM)热分析法差示扫描量热分析(DSC)

，差示热分析(DTA)光学显微镜法一、文献综述T1T2T3M1M2M3RTriclinicMonoclinicpseudo-orthorhombieMonoclinicRhombohedralTITIITIIIMIMIIMIIIR=R(MIaMIIaMIIbR=R(T1T2T3M1M2M3T3.C3S晶型及晶体结构一、文献综述一、文献综述样品作者单晶

/粉末空间群H/OHa(Å)b(Å)c(Å)α(º)β(º)γ(º)体积M2晶型C3S;T=1000ºCBigarePCmOH12.3427.14325.4429090902242C3S+0.5%ZnO;T=990ºCRegourdP?OH12.3337.13725.4429090902239M1晶型C3S;T=980ºCBigarePCmOH12.3327.14225.4209089.95902239C3S;T=980ºCTaylorP?OH12.4267.04524.9859090.07902155C3S;T=980ºCDeNoirfontainePPc27.8737.059012.25790116.03902167OH12.2577.05925.0469090.06902167T3晶型Ca2.96Mg0.03Al0.01

(Si0.99Al0.01)O5DelaTorrePP-111.74014.27613.771105.2994.41689.8882166C3S;T=940ºCBigarePC1OH24.63314.2925.41290.0689.8689.918945T2晶型C3S;T=682ºCPetersonPP-111.74214.27813.773105.1394.41589.8892222C3S;T=680ºCBigarePC1OH24.52814.27025.29889.9889.7589.828854T1晶型C3S;T=20ºCBigarePC1OH24.39814.21225.10389.9189.6989.698704C3S;T=20ºCGolovastikovSP-111.6714.2413.72105.594.33902190OH12.327.0525.2189.9590.41902190C3S;T=20ºCDeNoirfontainePOH12.3077.04125.09789.7490.2389.72175一、文献综述R晶型:Nishi,et.al.,ZeitKrist.,1984,168,197.Il’inets,et.al.,Sov.Phys.Dokl.,1985,30,191.M3晶型:Nishi,et.al.,ZeitKrist.,1985,172,297.T1晶型:Golovastikov,et.al.,Sov.Phys.Crystallogr.,1975,20,441.晶型R晶型M3晶型T1晶型空间群R3mCmP-1a7.135(6)Å33.083(8)Å11.67Åb7.135(6)Å7.027(2)Å14.24Åc25.586(15)Å18.499(4)Å13.72Åa90º90º105.5ºb90º94.12(2)º94.33ºg120º90º90º一、文献综述4.掺杂对C3S晶型的影响矿物掺杂含量晶型极限固溶C3S单矿物T1Cr2O30-0.5T11-2.0T24.0-5.0M1Cr2O30-1.4T10-1.4%BaO<2.0T4MTiO20-2T1T1/M12T24-5M14.5%，超过则生成CaOTiO26RMgO0-0.55T10.55-1.45T21.45-2.0M1P2O50.4M1CaF21.0M12.0RP2O5+CaF2RZnO0.02-0.1T10.5T22.5M23.8-4.0%NiO0.02-0.5T1+T22.5T2一、文献综述ForeignoxideConcentrationofMgOinwt.%ConcentrationofAl2O3inwt.%ConcentrationofFe2O3inwt.%ModificationofaliteReference0--TMgO0.33--T0.66--T1.33--T2.00--MAl2O30.50T1.00TFe2O30.37T0.73T1.10TMgO+Al2O30.330.50T0.331.00T0.660.50T0.661.00T1.330.50M1.331.00M2.000.50M2.001.00M一、文献综述ForeignoxideConcentrationofMgOinwt.%ConcentrationofAl2O3inwt.%ConcentrationofFe2O3inwt.%ModificationofaliteMgO+Fe2O30.330.37T0.330.73T0.331.10T0.660.37T0.660.73T0.661.10T1.330.37T1.330.73T1.331.10T2.000.37M2.000.73M2.001.10MAl2O3+Fe2O30.500.37T0.500.73T0.501.10T1.000.37T1.000.73T1.001.10T一、文献综述ForeignoxideConcentrationofMgOinwt.%ConcentrationofAl2O3inwt.%ConcentrationofFe2O3inwt.%ModificationofaliteMgO+Al2O3+Fe2O30.660.500.37M0.660.500.73M0.660.501.10M0.661.000.37M0.661.000.73M0.661.001.10M2.000.500.37M2.000.500.73M2.000.501.10M2.001.000.37M2.001.000.73M2.001.001.10M一、文献综述一、文献综述技术措施结论熟料中MgO和SO3含量的变化增加MgO/SO3比率导致M3型稳定，相反，比率减小稳定M1型生料的预热生料预热导致M3型消失生料反应活性的改变、煅烧强度的改变和掺加晶种生料反应活性的改变、烧成强度和加入晶种并无相对强烈的影响而仅导致Alite两种晶型比例的微小变化T.Stanek,et.al.,Cem.ConcrRes.32(2002):1169.T.Stanek,et.al.,Cem.ConcrRes.32(2002):1169.一、文献综述NameofcementSpecificsurfaceContentCompressiveStrenthModificationofaliteSO3MgOK2O2d7d28dcM313.60.560.890.9763.675.497.7M3cM/800305.20.560.890.9771.088.1107.1M1熟料加热到800℃随后慢冷可使M3转变为M1，且M1的抗压强度高于M35.晶型与性能的关系6.掺杂对熟料相组成的影响通过Rietveld定量分析各相随着升温和冷却过程中的含量铝率为1.38和2.00时，随着温度的升高C3S含量降低，反应关系：L+C3S—C2S+C3A,铝率为1.13时，随着温度升高C3S含量增加，反应式：L+C2S—C3S+C4AF一、文献综述一、文献综述Rietveld定量分析C3S/C2S含量之比随着升温和冷却的变化。不同SO3含量的样品中alite和belite中固溶SO3的含量SO3固溶在硅酸盐矿相中，且优先固溶于belite相一、文献综述XRD检测不同MgO和SO3含量的样品中出现铝相的温度点各矿相之比随MgO含量的变化阿利特矿物微结构XRD-Reitveld（中子衍射）表征研究阿利特矿物形成及冷却过程研究阿利特微结构与其水化活性的关系及结构调控二、研究内容熟料矿物相组成优化及工业示范高胶凝性水泥熟料相组成匹配与设计熟料矿物相组成优化及工业示范掺杂离子对高胶凝性水泥熟料的作用机理研究三、技术途径熟料矿物相组成优化及工业示范阿利特矿物微结构XRD-Reitveld（中子衍射）表征研究C3S和阿利特1.结构模型2.结构表征XRD－Reitveld中子衍射阿利特矿物形成及冷却过程研究阿利特和熟料1.阿利特晶型转变2.阿利特量的变化高温显微镜高温XRDXRD-Reitveld阿利特微结构与其水化活性的关系及结构调控三、技术途径熟料矿物相组成优化及工业示范阿利特和熟料1.水化热2.水化程度差热分析量热仪场发射扫描电镜高胶凝性水泥熟料相组成匹配与设计水泥熟料1.相组成设计2.熟料中矿物组成3.相组成与性能的关系化学分析高温显微镜X射线三、技术途径熟料矿物相组成优化及工业示范掺杂离子对高胶凝性水泥熟料的作用机理研究水泥熟料1.液相最低共熔点2.新相形成的控制参数3.熟料煅烧过程中的物理化学反应高温X射线常温X射线化学分析扫描电镜高温影响仪四、预期目标熟料矿物相组成优化及工业示范前两年预期目标阐明实验室制备的阿利特矿物介稳化过程、介稳程度和缺陷形态以及掺杂离子的作用规律

。初步建立阿利特矿物微结构与其水化活性的关系和熟料相组成匹配设计原则

发表高水平论文5篇，申报发明专利1项，培养博士研究生1人。

仪器设备序号仪器设备名称型号规格制造商性能指标范围用途与特点在本项目研究中的作用1量热仪TAMAir瑞典ThermometricAB公司功率范围-600mw-600mw材料反应热水泥水化热高性能水泥制备和应用研究相关的原料、水泥、硬化体中物质化学组成成分分析和物质结构分析2高温显微镜AxioImager.A1m普瑞赛司最高温度1500℃物质结晶、成核过程分析3扫描电子显微镜JSM-5900日本电子公司分辨率：3nm放大倍数：18×-300,000×4X-射线衍射仪ARLX'TRA美国热电公司高温台温度范围：RT-2000℃高温状态下X-衍射分析5核磁共振波谱仪AV400D瑞士布鲁克公司液相109Ag-31P，固相109Ag-31P半固态1H、13C物质结构、原子周围环境分析6X射线荧光光谱仪ADVANT'XP美国热电集团瑞士ARL公司3.6kW发生器Umax:60kV,Imax:120mA检出限：10-6g/g左右，精密度小于±1%元素分析7热分析仪STA449C德国耐驰公司温度范围：-170-1650℃重量灵敏度：0.1μg升温速率：1-20K/min加热过程中物理化学变化跟踪测定8傅里叶变换红外光谱仪Nexus670美国热电集团尼高