硅酸二钙

水泥的主要矿物之一

硅酸二钙是水泥的主要矿物之一。硅酸二钙水化反应慢，早期强度低。普通水泥的主要矿物成分是硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)和铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3），是由石灰石和粘土烧结而成。

简介

硅酸二钙是硅酸盐水泥熟料的4种主要组成矿物之一，在水泥中通常以含有少量其他元素如Al,Fe等固溶体(称作贝利特，在水泥化学中通常与硅酸二钙不加区分)的形式存在。硅酸盐矿物是水泥胶凝性能的主要来源，其中硅酸二钙主要为水泥提供后期强度，而另一种主要的硅酸盐矿物硅酸三钙，则主要为水泥提供早期强度。与硅酸三钙相比，硅酸二钙矿物在组成、形成及性能方面均具有独特的特点，尤其是在解决资源和能源问题、降低排放、提高性能方面优势显著。

随着全球特别是中国等新型经济体水泥产量和消费量的剧增，水泥生产所需的天然资源和能源短缺之势日益凸显。一方面，水泥生产用优质矿产资源越来越少，品位也越来越低。例如据国家发改委的预测数据，我国的石灰石资源仅可供水泥工业使用30年，且随着资源的消耗，优质高品位矿石资源所剩无几，20年前水泥生产中广泛使用的CaO含量在52%-56%的优质石灰石在现在的水泥生产中已经不多见，取而代之的是CaO含量在42%-50%的低品位石灰石，部分企业甚至利用电石渣等废弃物作为钙质原料。另一方面，能源成本上升使得能耗成本成为水泥生产中主要成本构成之一。水泥生产是高能耗产业，近年来能源价格上涨导致能源成本占水泥生产成本的60%以上，部分地区甚至达到70%-80%，节能降耗、降低能源成本是水泥企业生存和发展的需求。

另外，在全球碳减排的背景下，我国政府承诺到2020年单位GDP碳减排40%-45%，水泥工业作为CO排放最主要的产业之一面临着巨大的减排压力。由此可见，无论是从水泥高性能发展趋势还是水泥工业能源、资源与成本考虑，还是国家政策导向，发展以贝利特为主要矿物的低钙水泥都是水泥技术研发和水泥产业发展的重要方向。基于贝利特矿物的特性，发展以贝利特为主要矿物的低钙水泥是水泥工业可持续发展的重要途径。

化学性质

硅酸二钙是由氧化钙和二氧化硅化合而成，形成温度在800℃以上。当温度达到1350℃~1450℃时，二氧化硅和氧化钙会溶于液相之中，并发生反应生成硅酸二钙。硅酸二钙通常因溶有少量氧化物——Al2O3、Fe2O3、MgO、 R2O等而以固溶体形式存在。这种固溶少量氧化物的硅酸二钙称为贝利特，简称B矿。

水化特性

1.水化反应比硅酸三钙慢得多，至28d龄期仅水化20%左右，凝结硬化缓慢。

2.早期强度低，但28d以后强度还能较快增长，一年后其强度可以赶上甚至超过阿利特的强度。

3.水化热小，抗水性好。

硅酸二钙的活性

水泥化学中所谓的活性具有两方面的含义，一方面是特定时间段中与水反应的程度，另外一方面是生产的产物对性能和结构如强度、孔隙率等发展的贡献。特定时间内的结合水量、水化放热量、水化程度、强度等均是常用来衡量水化活性的指标，其中结合水量、水化放热量和水化程度实际上表征的是活性的第一层含义，而强度则是两层含义的综合。对于硅酸二钙之间的活性而言，活性的第一层含义一般认为是最重要的。

硅酸二钙的研究已经经历一个世纪，对其晶体结构、晶型转变等已经有了较为清晰和深刻的认识，在贝利特矿物的活化方面也取得了一些进展。然而，对于硅酸二钙活性差异特别是由外来离子引起的活性差异的机制仍然缺乏深层次的理解，在具有实用化的硅酸二钙的活化方法上也还需要进一步的研究。

展望

贝利特是一种低钙、具有诸多优良特性的熟料矿物。以贝利特为主要矿物水泥的开发较为成功的是低热水泥和贝利特硫铝酸盐水泥，二者都属于具有特殊功能和用途的特种水泥，分别在大体积混凝土和具有快凝早强、低温施工等领域有着较广泛的应用。然而，特种水泥在我国水泥总量中所占比例不足5%，因此对于减少水泥工业资源能源消耗和CO排放的作用有限。进一步发掘贝利特的性能特点，开发以贝利特为主要矿物实用性通用水泥是未来水泥工业发展的方向。以贝利特为主要矿物的低钙通用水泥研发主要在于:

1.进一步深入研究贝利特的活化技术，通过原料易得的复合离子掺杂技术实现高温晶型的稳定及β型晶型的晶格畸变，从而实现水泥性能特别是早期强度性能的进一步提高；

2.将以贝利特为主要矿物的低钙水泥技术研发与新型水泥生产装备相结合，例如利用低钙水泥锻烧温度低、对冷却速率要求高等特点，通过流化床或沸腾炉实现水泥熟料的锻烧与冷却；

3.深入研究以贝利特为主要矿物的水泥熟料与混合材共同水化作用的机理，特别是某些少量组分对贝利特水化的作用，在低钙水泥熟料与辅助胶凝组分协同作用提高水泥性能方面取得突破。

国内外许多水泥科研工作者一直在开展这方面的研究工作，国家自然科学基金、国家科技支撑计划等国家项目也对相关研究进行了支持，相信在不久的将来，以贝利特为主要矿物的低钙水泥能够成为通用水泥，在更多的建设工程中发挥作用。

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