摘要
硫铝酸盐水泥具有凝结时间短、早期强度高、耐腐蚀等优良特性，受到了研究者的广泛关注，但是硫铝酸盐水泥存在后期强度增长率低，甚至会出现倒缩的现象，使其应用受到限制。硫铝酸盐水泥熟料的制备需要消耗大量天然资源，而利用工业固废代替部分原料制备水泥已成为必然趋势，但是全部使用固废原料制备水泥熟料研究较少，且其中含有的重金属元素的取代机理不清楚。 本文在综合国内外相关研究的基础上，利用工业固废（赤泥、脱硫石膏、铝灰和电石渣）为原料制备了高铁硫铝酸盐水泥熟料。通过改变熟料组成，即增加硅酸二钙和铁相的含量，降低硫铝酸钙矿物含量，在保证较高早期强度的同时，也有利于后期强度的发展。本文通过对熟料的矿物组成、力学性能和水化特性等进行分析，研究了采用工业固废烧制高铁硫铝酸盐水泥熟料的可行性。采用第一性原理对固废中含量最高的Cr3+和Mn4+在硫铝酸盐水泥熟料中的固溶情况进行了模拟计算。利用XRD、SEM-EDS来表征Cr3+和Mn4+对晶格结构的影响以及分布情况，并探索了Cr3+和Mn4+对熟料水化性能的影响。结果如下： （1）以脱硫石膏、电石渣、铝灰和烧结法赤泥为原料制备高铁硫铝酸盐水泥熟料的最佳煅烧温度为1230℃，保温时间为40min，且SO3需过量15%。该熟料水化后不仅可以保证较高的早期强度，且后期强度稳定增长，其3d和28d强度可达43.5MPa和57.1MPa，且其水化产物与普通硫铝酸盐水泥熟料的水化产物基本相同，均为AFt、AFm、AH3和FH3。 （2）利用第一性原理模拟了Cr3+和Mn4+在硫铝酸盐水泥熟料矿物相中的取代机制，发现Cr3+会优先取代C4AF矿物中Fe3+的位置，然后在取代C4A3S-矿物中S6+的位置，而Mn4+只会取代C4AF矿物中Fe3+的位置；熟料的XRD结果表明Cr3+和Mn4+使晶格结构产生畸变，导致其衍射峰发生偏移现象；XPS结果证明了Cr3+会从+3价被氧化成+6价，Mn4+会从+4价被还原成+3价。 （3）在熟料中掺杂Cr3+和Mn4+后，熟料的早期强度会降低，但后期强度会显著增加，且高于空白组；熟料中掺杂Cr3+和Mn4+会明显延缓熟料的水化进程，降低水化反应速率，减少放热量；添加Cr3+和Mn4+可以有效改善硫铝酸盐水泥后期强度倒缩的状况，为含铬锰废渣的综合利用提供了一条绿色环保的处理途径。
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