硅酸二鈣

硅酸二鈣是硅酸鹽水泥熟料的4種主要組成礦物之一，在水泥中通常以含有少量其他元素如Al,Fe等固溶體(稱作貝利特，在水泥化學中通常與硅酸二鈣不加區分)的形式存在。硅酸鹽礦物是水泥膠凝性能的主要來源，其中硅酸二鈣主要為水泥提供後期強度，而另一種主要的硅酸鹽礦物硅酸三鈣，則主要為水泥提供早期強度。與硅酸三鈣相比，硅酸二鈣礦物在組成、形成及性能方面均具有獨特的特點，尤其是在解決資源和能源問題、降低排放、提高性能方面優勢顯著。

隨着全球特別是中國等新型經濟體水泥產量和消費量的劇增，水泥生產所需的天然資源和能源短缺之勢日益凸顯。一方面，水泥生產用優質礦產資源越來越少，品位也越來越低。例如據國家發改委的預測數據，我國的石灰石資源僅可供水泥工業使用30年，且隨着資源的消耗，優質高品位礦石資源所剩無幾，20年前水泥生產中廣泛使用的CaO含量在52%-56%的優質石灰石在現在的水泥生產中已經不多見，取而代之的是CaO含量在42%-50%的低品位石灰石，部分企業甚至利用電石渣等廢棄物作為鈣質原料。另一方面，能源成本上升使得能耗成本成為水泥生產中主要成本構成之一。水泥生產是高能耗產業，近年來能源價格上漲導致能源成本佔水泥生產成本的60%以上，部分地區甚至達到70%-80%，節能降耗、降低能源成本是水泥企業生存和發展的需求。

另外，在全球碳減排的背景下，我國政府承諾到2020年單位GDP碳減排40%-45%，水泥工業作為CO排放最主要的產業之一面臨着巨大的減排壓力。由此可見，無論是從水泥高性能發展趨勢還是水泥工業能源、資源與成本考慮，還是國家政策導向，發展以貝利特為主要礦物的低鈣水泥都是水泥技術研發和水泥產業發展的重要方向。基於貝利特礦物的特性，發展以貝利特為主要礦物的低鈣水泥是水泥工業可持續發展的重要途徑 ^[1]  。

硅酸二鈣是由氧化鈣和二氧化硅化合而成，形成温度在800℃以上。當温度達到1350℃~1450℃時，二氧化硅和氧化鈣會溶於液相之中，併發生反應生成硅酸二鈣。硅酸二鈣通常因溶有少量氧化物——Al₂O_3、Fe₂O_3、MgO、 R₂O等而以固溶體形式存在。這種固溶少量氧化物的硅酸二鈣稱為貝利特，簡稱B礦。

1.水化反應比硅酸三鈣慢得多，至28d齡期僅水化20%左右，凝結硬化緩慢。

2.早期強度低，但28d以後強度還能較快增長，一年後其強度可以趕上甚至超過阿利特的強度。

3.水化熱小，抗水性好 ^[2]  。

水泥化學中所謂的活性具有兩方面的含義，一方面是特定時間段中與水反應的程度，另外一方面是生產的產物對性能和結構如強度、孔隙率等發展的貢獻。特定時間內的結合水量、水化放熱量、水化程度、強度等均是常用來衡量水化活性的指標，其中結合水量、水化放熱量和水化程度實際上表徵的是活性的第一層含義，而強度則是兩層含義的綜合。對於硅酸二鈣之間的活性而言，活性的第一層含義一般認為是最重要的。

硅酸二鈣的研究已經經歷一個世紀，對其晶體結構、晶型轉變等已經有了較為清晰和深刻的認識，在貝利特礦物的活化方面也取得了一些進展。然而，對於硅酸二鈣活性差異特別是由外來離子引起的活性差異的機制仍然缺乏深層次的理解，在具有實用化的硅酸二鈣的活化方法上也還需要進一步的研究。

貝利特是一種低鈣、具有諸多優良特性的熟料礦物。以貝利特為主要礦物水泥的開發較為成功的是低熱水泥和貝利特硫鋁酸鹽水泥，二者都屬於具有特殊功能和用途的特種水泥，分別在大體積混凝土和具有快凝早強、低温施工等領域有着較廣泛的應用。然而，特種水泥在我國水泥總量中所佔比例不足5%，因此對於減少水泥工業資源能源消耗和CO排放的作用有限。進一步發掘貝利特的性能特點，開發以貝利特為主要礦物實用性通用水泥是未來水泥工業發展的方向。以貝利特為主要礦物的低鈣通用水泥研發主要在於:

1.進一步深入研究貝利特的活化技術，通過原料易得的複合離子摻雜技術實現高温晶型的穩定及β型晶型的晶格畸變，從而實現水泥性能特別是早期強度性能的進一步提高；

2.將以貝利特為主要礦物的低鈣水泥技術研發與新型水泥生產裝備相結合，例如利用低鈣水泥鍛燒温度低、對冷卻速率要求高等特點，通過流化牀或沸騰爐實現水泥熟料的鍛燒與冷卻；

3.深入研究以貝利特為主要礦物的水泥熟料與混合材共同水化作用的機理，特別是某些少量組分對貝利特水化的作用，在低鈣水泥熟料與輔助膠凝組分協同作用提高水泥性能方面取得突破。

國內外許多水泥科研工作者一直在開展這方面的研究工作，國家自然科學基金、國家科技支撐計劃等國家項目也對相關研究進行了支持，相信在不久的將來，以貝利特為主要礦物的低鈣水泥能夠成為通用水泥，在更多的建設工程中發揮作用 ^[3]  。