劉 帥 張 潔

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

貝利特-硫鋁酸鋇鈣水泥是將早強(qiáng)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(jìn)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(tuán)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(jī)、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(jī)、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(jìn)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(xì)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(jìn)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(jìn)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$礦物在KOSH溶液中的溶解率達(dá)到97.90%，說明C2.75B1.25A3$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(xì)度對過濾時間及萃取效果的影響，分別對三組細(xì)度的試樣進(jìn)行了實驗（見表2）。

表2 三種細(xì)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(xì)，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(jìn)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(xì)度試樣殘渣的XRD圖譜。

圖4 不同細(xì)度熟料萃取殘渣的XRD圖譜

從圖4中可以看出，三種細(xì)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(xì)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(xì)，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(jìn)一步探討。

[1] Cheng Xin, Chang Jun, Lu Lingchao, etal. Study of Ba-bearing calcium sulphoaluminate minerals and cement[J].Cement and Concrete Research, 2000（30）:77-81.

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

[3] Jie Zhang, Chenchen Gong, LingchaoLu. Effect of MgO on the composition and properties of belite-barium calcium sulphoaluminate cement in the presence of Na2O and K2O[J].Ceramics-Silikáty, 2015, 59（2）: 135-144.

[4] 趙燕婷.貝利特-硫鋁酸鋇鈣水泥熟料中硅酸鹽相微結(jié)構(gòu)調(diào)控和性能研究[D].濟(jì)南：濟(jì)南大學(xué)，2014.

[5] W.A.Gutteridge. On the Dissolution of the Interstital Phasesin Portland Cement [J].C·C·R,1979(9):319-324.

[6] 馮銘芬，文秀萍，郁衛(wèi)國.含硫、氟熟料化學(xué)相分離方法的研究[J].硅酸鹽通報，1986（5）：45-51.