高C₃S水泥熟料的电流快速烧成及机理分析

Electric-Current-Assisted Rapid Clinkering of High-C₃S Cement Clinker and Its Mechanism

摘要

针对传统水泥熟料高温长时煅烧工艺能耗高、碳排放量大的问题，探索了电流快速烧成技术制备高 C₃S 水泥熟料的可行性。以高 C₃S 水泥熟料配方（硅率为 2.46、铝率为 1.28、石灰饱和系数为 1.00）为基础，系统研究了电流快速烧成技术对熟料矿物组成、微观结构、化学性能及力学性能的影响。结果表明，在起始电场强度为 66 V/mm、电流密度限值为 0.01 A/mm²、煅烧温度为 1 135 ℃、保温时间 1 min 的条件下，可成功制备出性能优良的高 C₃S 水泥熟料，其中 C₃S 质量分数超过 70%，熟料烧失量和 f-CaO 质量分数分别为 0.34% 和 0.12%，熟料净浆 28 d 抗压强度达 74.4 MPa。该技术通过焦耳热效应显著降低了煅烧温度并缩短了烧成时间，有效降低了能耗与 CO₂排放，满足水泥行业绿色低碳发展需求。

Abstract

To address the high energy consumption and substantial carbon emissions associated with the conventional high-temperature and prolonged clinkering process for cement clinker， the feasibility of producing high-C₃S cement clinker using electric-current-assisted rapid clinkering was investigated. Based on a high-C₃S cement clinker formula with a silica modulus of 2.46， an alumina modulus of 1.28， and a lime saturation factor of 1.00， the effects of electric-current-assisted rapid clinkering on the mineral composition， microstructure， chemical properties， and mechanical properties of the clinker were systematically studied. The results showed that high-C₃S cement clinker with excellent performance can be successfully produced at an initial electric field strength of 66 V/mm， a current density limit of 0.01 A/mm²， a clinkering temperature of 1，135 ℃， and a holding time of 1 min. The mass fraction of C₃S exceeded 70%， while the loss on ignition （LOI） and the free calcium oxide （f-CaO） mass fraction of the clinker were 0.34% and 0.12%， respectively. The 28-day compressive strength of the clinker paste reached 74.4 MPa. Through the Joule heating effect， this technology significantly reduces the clinkering temperature and shortens the clinkering time， thereby effectively decreasing energy consumption and CO₂ emissions and meeting the requirements for the green and low-carbon development of the cement industry.

关键词

电流快速烧成技术 / 硅酸三钙 / 水泥熟料 / 焦耳热 / CO₂排放

Key words

electric-current-assisted rapid clinkering / tricalcium silicate / cement clinker / Joule heating / CO₂ emissions

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基金资助

宁夏自然科学基金项目(2024AAC03065)