貝利特-硫鋁酸鋇鈣水泥熟料中間相的溶解研究

劉 帥 張 潔

1.山東省交通科學(xué)研究院，山東濟南 250102；2.山東省建筑科學(xué)研究院，山東濟南 250000

貝利特-硫鋁酸鋇鈣水泥是將早強型的膠凝性礦物硫鋁酸鋇鈣（C2.75Ba1.25A3$）[1-2]引入到貝利特水泥體系中，制備出的一種新型的低碳、低鈣的環(huán)境友好型水泥[3-4]。與普通硅酸鹽水泥相比，該水泥熟料具有新的礦相組成體系，礦物組成復(fù)雜。因此，若結(jié)合礦相分離技術(shù)，將復(fù)雜體系簡單化，來對其硅酸鹽相微結(jié)構(gòu)進行研究意義重大。

目前，礦相分離技術(shù)[5-6]已在普通硅酸鹽水泥熟料中得到了應(yīng)用和研究，一方面，可以通過分離礦相來獲取水泥熟料的實際礦物組成，以指導(dǎo)水泥生產(chǎn)和原材料的選??；另一方面，為水泥熟料中貝利特和阿利特晶型的研究也提供了條件。然而，在貝利特-硫鋁酸鋇鈣水泥熟料中未見有相關(guān)報道。本文利用KOH-蔗糖溶液分離貝利特-硫鋁酸鋇鈣水泥熟料中間相與硅酸鹽相，主要研究了貝利特-硫鋁酸鋇鈣水泥體系中的礦相分離，探索該水泥熟料中間相的溶解的條件，以萃取出富硅酸鹽相，為后期貝利特-硫鋁酸鋇鈣水泥體系微結(jié)構(gòu)的研究，以及該水泥的生產(chǎn)和應(yīng)用提供技術(shù)支持和理論指導(dǎo)。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

分析純化學(xué)試劑 ：CaCO3、SiO2、Al2O3、Fe2O3、BaSO4、BaCO3和CaF2等，來自國藥集團化學(xué)試劑有限公司。KOH、蔗糖、無水甲醇、無水乙醇和苯甲酸等，來自天津市大茂化學(xué)試劑廠。

1.2 試驗設(shè)備

主要包括：KE-2L行星式球磨機、ZrO2球磨罐、DZF-ZB型電熱真空干燥箱，壓生料餅?zāi)ゾ?、硅鉬棒高溫爐、YP-175型盤式研磨機、自組裝過濾設(shè)備（見圖1）、D8 ADVANCE型X射線衍射儀（布魯克公司）以及LS 13 320 型激光粒度分析儀。

圖1 自組裝抽濾裝置圖

1.3 試驗方法

1.3.1 貝利特-硫鋁酸鋇鈣水泥熟料的制備

貝利特-硫鋁酸鋇鈣水泥的制備參照先前作者的研究[3]。本文中制備的貝利特-硫鋁酸鋇鈣水泥熟料的XRD圖譜如圖2所示?？梢钥闯觯擞衅胀ㄋ嗍炝纤拇蟮V物C3S、C2S、C3A和C4AF外，還有C2.75B1.25A3$礦物。

圖2 貝利特-硫鋁酸鋇鈣水泥熟料XRD圖譜

1.3.2 水泥熟料中間相的溶解

貝利特-硫鋁酸鋇鈣水泥熟料除具有C3S、C2S、C3A和C4AF外，還具有新增礦物C2.75B1.25A3$。故在研究該單礦物在KOSH溶液中的溶解性的基礎(chǔ)上，進一步研究了貝利特-硫鋁酸鋇鈣水泥熟料中間相的溶解。

步驟一：將熟料粉磨至一定細度備用。

步驟二：將300mL水倒入500mL燒杯中，并加熱至一定溫度，在攪拌情況下加入30g KOH和30g蔗糖，置于恒溫水浴箱中保持在95℃，然后將9g磨好的水泥熟料加入其中，繼續(xù)攪拌1～2min。

步驟三：用布氏漏斗和中速濾紙在抽真空的條件下趁熱過濾。先用50ml熱蒸餾水，后用100mL甲醇洗滌濾渣，獲得殘留物。在電熱真空干燥箱內(nèi)于60℃下干燥。

步驟四：對干燥后的殘渣連同定量濾紙一同煅燒，粉磨后稱量殘留物的質(zhì)量，并進行XRD分析礦物組成等研究。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 C2.75B1.25A3$礦物在KOSH溶液中的溶解性

本實驗制備出的C2.75B1.25A3$單礦物的XRD如圖3所示，可以得出在燒成溫度為1350℃，保溫120min時，燒成的C2.75B1.25A3$礦物衍射峰較多且比較尖銳，即成功燒制成了C2.75B1.25A3$單礦。

圖3 C2.75B1.25A3$單礦的XRD圖譜

將粉磨后的單礦物進行三組實驗，按照1∶200的質(zhì)量與溶液比。分別稱取1.0、1.5g和2.0g硫鋁酸鋇鈣，置于200、300ml和400ml KOSH溶液中，在恒溫水浴箱中加熱至95℃，攪拌20min，然后用抽濾裝置過濾，先用50ml蒸餾水，后用100ml甲醇洗滌濾渣。在80℃下烘至恒重后，對干燥后的殘渣連同定量濾紙一同煅燒，分別粉磨后稱量殘留物的質(zhì)量，得到溶解率，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 C2.75B1.25A3$在KOSH溶液中溶解測定結(jié)果

可以看出，C2.75B1.25A3$礦物在KOSH溶液中的溶解率達到97.90%，說明C2.75B1.25A3$礦物幾乎全部溶解于KOH-蔗糖溶液中，即KOSH溶液可以溶解C2.75B1.25A3S 單礦，這為后期研究奠定了基礎(chǔ)。

2.2 貝利特-硫鋁酸鋇鈣水泥熟料中間相的溶解

為了觀察細度對過濾時間及萃取效果的影響，分別對三組細度的試樣進行了實驗（見表2）。

表2 三種細度試樣萃取結(jié)果

由表2可以看出，研磨90min的熟料，所剩殘渣最少，即溶解量越大，但萃取時間最長，是研磨30min料的4倍長。說明水泥熟料越細，萃取的時間越長，但是溶解率卻越高。為對比礦物組成的變化，進行了XRD分析，圖4給出了貝利特-硫鋁酸鋇鈣水泥熟料及萃取三種細度試樣殘渣的XRD圖譜。

圖4 不同細度熟料萃取殘渣的XRD圖譜

從圖4中可以看出，三種細度的試樣經(jīng)KOH-蔗糖處理后，C4AF的峰幾乎全部消失，C3A的峰有所減弱，然而與C3A重疊的其他礦物衍射峰相對變尖銳，C2.75B1.25A3$有部分峰變?nèi)?，說明KOH-蔗糖溶液能夠溶解掉貝利特-硫鋁酸鋇鈣水泥熟料中的C4AF，部分C3A和C2.75B1.25A3$，即KOSH溶液可以去掉部分中間相。

對比三組殘留物的XRD可以看出，研磨90min的熟料萃取效果較好，說明越細的熟料，其萃取效果相對較好。

3 結(jié)語

通過以上試驗研究，獲得如下結(jié)論：

（1）在95℃恒溫，攪拌20min條件下，C2.75B1.25A3$單礦可以完全溶解于KOSH溶液。

（2）水泥熟料越細，中間相溶解效果越好，但過濾時間相應(yīng)增長。

（3）KOSH溶液可以完全溶解貝利特-硫鋁酸鋇鈣水泥熟料中的C4AF、部分的C3A和C2.75B1.25A3$。

以上結(jié)果表明，對于貝利特-硫鋁酸鋇鈣水泥熟料，在一定條件下可以通過KOH-蔗糖溶液溶解其部分中間相，萃取出富硅酸鹽相，減小了中間相的衍射峰對硅酸鹽相的干擾。但本文對此僅作了初步研究，對于該水泥熟料中間相完全徹底溶解的最佳實驗條件仍需進一步探討。

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[2] Wang Shoude, Huang Yongbo, Gong Chenchen, et al.Preparation and formation mechanism of barium calcium sulphoaluminate mineral, 2013（26）: 169.

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