一、我国水泥行业的现状及面临的问题

水泥基材料作为生产建设中不可或缺的原材料，为现代国民经济的发展和进步做出的重大贡献。近年来，随着我国经济的快速发展，高速公路、高速铁路等一批大型基础建设项目的实施，房地产市场飞速发展和新农村建设项目的落实，国内市场对水泥仍保持较大的需求。水泥行业作为支撑社会和经济发展的重要基础原材料工业，在挑战中展现出勃勃生机。

我国的水泥产量已经连续 27 年稳居世界第一。2009 年我国水泥产量达到 16.3 亿吨，2010 年这一数字上升到 18.8 亿吨， 2011 年中国的水泥产量突破 20 亿吨达到 20.6 亿吨。 中国水泥的生产总量超过了世界水泥生产总量的 50%。同时，经过”十五”及”十一五”期间的迅猛发展，我国水泥生产和应用技术取得了长足的进步，科技改革创新的步伐加快，产业结构也进行了优化^[1]。然而，我国从水泥大国成长为水泥强国还有很长的路要走，仍需努力改进。主要体现在：首先，中国的水泥产品质量与发达国家的相比仍有较大差距，具体表现为低等级水泥占较大比例 （目前中国生产的普通水泥中标号 32.5 级的低端产品约为总量的 85%，而 42.5 级及以上的约占总量的 12%） ；其次，我国水泥工业的资源利用率不高，且单位能耗较高，水泥生产消耗大量的粘土、石灰石等矿产资源，目前水泥工业的能耗占全国总能耗的 4%左右；第三，水泥生产中产生大量的 CO₂给国民经济的可持续发展造成了巨大压力。 我国 CO₂排放量占全球第一， 其中水泥工业的 CO₂排放量占全国 CO₂排放总量的 20%，占全世界 CO₂排放量的 8%，2008 年我国单位水泥 CO₂排放量为 1.22，而发达国家单位水泥 CO₂排放量为 0.97^[2]。 面对水泥工业发展的挑战，要达到节能减排、提高性能的目的，可以通过以下三条途径^[3]：（1）提高混凝土耐久性以减少混凝土的需求量； （2）提高水泥使用性能以减少混凝土中水泥的使用量；（3）提高熟料和辅助胶凝材料性能以减少水泥中熟料使用量。

二、含硫铝酸钙矿物硅酸盐水泥的研究历史

硅酸三钙（C₃S）与硫铝酸钙（C₄A₃$）矿物共存的硅酸盐水泥熟料体系的研究，最初是以研制无水硫铝酸钙为主要为主要膨胀源的硅酸盐膨胀水泥开始的。1958年A.Klein^[4] 在K型膨胀水泥中检测出了C₄A₃$矿物，其晶体结构和方钠石Na₈[AlSi₃O₄]、蓝方石（Na,Ca）_4-8[AlSi₃O₄](SO₄)_1-2相似，结构中存在很多空穴，水分子容易通过而使该矿物水化为钙矾石并产生体积膨胀。20世纪50年代末60年代初，美国的Calvin和日本的Masaichi Okushika^[5]等人在法国Lossier^[6]的膨胀水泥基础上研究了以C₄A₃S、C2S、CaO 为主的K型膨胀剂，使世界水泥科学工作者开始对C₄A₃$矿物产生了浓厚的兴趣。1962年P.E.Halstead^[7]提出了煅烧含一定比例的C₄A₃$矿物的硅酸盐水泥熟料的设想，并经过前苏联水泥科学研究院通过大量的研究证实了直接烧成含C₄A₃$矿物的硅酸盐水泥熟料的可行性，并称这种熟料为硅硫铝酸盐外加物，在20世纪70年代进行了工业试制，其后也有众多关于阿利特硫铝酸盐和贝利特硫铝酸盐水泥熟料的生产及制备方法^[8]。1966年I.Odler及H.Zhang^[9]则通过提高波特兰水泥中的石膏掺量、选择萤石为矿化剂，研究了制备阿利特硫铝酸盐的可行性，并取得了很好的效果。我国硫铝酸盐的研究是在老一辈科技工作者刘公诚、薛君玕、王燕谋的带领下开始的，并且在1975年由中国建筑材料科学研究院研制成功^[10]。目前国内中国建筑材料科学院、南京工业大学、武汉工业大学、同济大学等众多院校及科研单位在不断的加强对硫铝酸盐水泥的研究和推广利用。2009年10月，南京工业大学材料科学与工程学院：马素花、沈晓冬在《硅酸盐通报》上发表论文《含硫铝酸钙矿物硅酸盐水泥熟料矿物组成设计》，采用分析化学、X射线衍射等测试手段，研究了掺杂离子对含硫铝酸钙硅酸盐水泥熟料烧成及矿物组成的影响^[11]。

三、本课题的研究内容和技术路线

对于含C₄A₃$矿物硅酸盐水泥熟料的制备和生产工艺而言，关键在于通过调整配料、煅烧热工制度及引进矿化剂等方式，实现熟料中C₄A₃$与C₃S的稳定共存^[12]。

在含硫铝酸钙矿物的水泥熟料的硅酸盐水泥熟料中，阿利特和硫铝酸钙开始被认为是不相容的两种矿物；此外，从热力学的角度上来说，两相的生成及稳定在体系中的温度也是差异较大的。阿利特在高于1350℃才能大量形成，硫铝酸钙在1250℃的温度下大量形成，而在1300℃以上就开始急速分解。因此，如何实现C₄A₃$矿物与C₃S两种矿物的有较大的共存温度范围是实现该种水泥熟料稳定生产的关键技术问题之一^[7]。一般利用化学掺杂的方法来降低C₃S矿物的形成温度，并且能够稳定C₄A₃$矿物的生成或延缓其分解，这是实现两相共存的途径之一。

阿利特-硫铝酸盐水泥熟料，是在普通硅酸盐水泥熟料中引入C₄A₃$矿物，这既可以发挥 C₄A₃$矿物快硬早期强度高的特点，又能保持 C₃S 矿物高强的优点，从而提高熟料的强度，也能保证熟料在水化过程中有足够的 Ca(OH)₂，实现熟料中大量掺入粉煤灰的目的^[13]。和贝利特-硫铝酸盐水泥相比， 阿利特-硫铝酸盐水泥有着更好的强度性能。 对于含 C₄A₃$矿物硅酸盐水泥熟料的制备，为了达到较高的早期强度及合理的后期强度的目的，要求在熟料矿物组成中有一定含量的早强组分 C₄A₃$及较高的 C₃S 含量^[14]。因此，生料配料在兼顾易烧性的同时应采纳较高的 KH 值^[15]。此外，为了保证 C₄A₃$的生成，应采用铝质含量较高的原料，及采用石膏和萤石配料。本实验是在水泥生料中掺杂石膏，研究通过二次烧成的方法来烧制阿利特-硫铝酸盐水泥熟料，期望能够得到早期性能优良、合理的后期强度的阿利特－硫铝酸钙水泥熟料。