【摘 要】
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在公路、铁路、城市轨道交通和机场等交通运输行业的基础建设中,水泥是最基本的建设材料之一。水泥是一个典型的高能耗产品,其能源消耗主要集中在硅酸盐水泥熟料的煅烧。针对传统化石燃料煅烧硅酸盐水泥熟料温度高、时间长、能耗高和碳排放量大等问题,本研究引入了电-热耦合快速烧成新技术制备硅酸盐水泥熟料及其单矿物,降低其烧成过程中的煅烧温度和减少煅烧时间,以减少能源消耗。并采用有限元分析和第一性原理计算方法模拟仿
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在公路、铁路、城市轨道交通和机场等交通运输行业的基础建设中,水泥是最基本的建设材料之一。水泥是一个典型的高能耗产品,其能源消耗主要集中在硅酸盐水泥熟料的煅烧。针对传统化石燃料煅烧硅酸盐水泥熟料温度高、时间长、能耗高和碳排放量大等问题,本研究引入了电-热耦合快速烧成新技术制备硅酸盐水泥熟料及其单矿物,降低其烧成过程中的煅烧温度和减少煅烧时间,以减少能源消耗。并采用有限元分析和第一性原理计算方法模拟仿真电-热耦合快速烧成过程中样品的实际温度分布和电场作用下矿物晶体结构变化,为研究电-热耦合快速烧成硅酸盐水泥熟料及其单矿物提供理论依据。首先,本文通过改变电流密度限值、煅烧时间和煅烧温度,借助游离氧化钙（f-Ca O）检测试验和XRD（X-ray Diffraction）物相分析探究了硅酸三钙（3Ca O·Si O2,C3S）和不同种类硅酸盐水泥熟料的最佳烧成条件,并利用金斯特林格和阿伦尼乌斯方程计算其烧成活化能。试验结果表明,电-热耦合快速烧成技术不仅可以降低硅酸盐水泥熟料及其单矿物的煅烧温度和减少煅烧时间,还能降低其烧成活化能。以C3S为例,当电流密度限值为3.54 A/cm~2,在1300℃煅烧15 min就可以制备出纯度较高的T1型C3S,电流作用下C3S的烧成活化能为21.86 k J/mol,远小于传统热辐射煅烧的190.19 k J/mol。对比传统马弗炉1450℃煅烧4 h制备出纯度接近的C3S的过程总耗电,电-热耦合快速烧成技术节省了65.50%的电量。电-热耦合快速烧成技术可以降低硅酸盐水泥熟料烧成装置的热负荷,缩短煅烧时间,提高烧成效率,在节约能耗的同时减少对化石燃料的使用,从而降低碳排放,有利于碳中和。其次,借助COMSOL Multiphysics软件对电-热耦合快速烧成过程中样品的实际温度分布进行有限元分析,并利用Materials Studio软件研究电场作用下熟料矿物晶体电子结构的第一性原理计算。有限元分析表明,由于焦耳热效应的存在,电-热耦合快速烧成过程中样品的实际温度远高于周围的环境温度,其实际温度分布规律为:样品中心温度最高,由内而外,温度逐渐降低,边缘位置温度最低,而最低温度也达到了烧成样品的温度条件。第一性原理计算研究发现,在外加电场作用下,矿物晶体中氧原子周围的电子会沿着电场方向发生移动,电场强度越大,移动的距离越远,能隙越小。晶体内部原子与原子之间的键的布居数发生改变,共价键和离子键成分随之改变,从而导致其晶体结构不稳定,容易被破坏并发生反应。最后,本文还研究了导电水泥基材料的制备。利用电-热耦合快速烧成技术制备具有导电性能的七铝酸十二钙(12Ca O·7Al2O3,C12A7),通过改变煅烧温度,借助XRD物相分析探究了C12A7煅烧合成的最佳条件,将制备的C12A7掺入水泥中,研究不同掺量的C12A7对水泥基材料力学性能和导电性能的影响。试验结果表明,当电流密度为1.18A/cm~2时,在600℃下煅烧30 min就可以合成结晶性良好且无其他铝酸钙矿物副产物的C12A7。煅烧温度越高,合成的C12A7晶格常数和晶粒尺寸越大,电阻率减小,导电性能提高。水泥基材料的导电性能随着C12A7掺量的增加而提高,抗压强度先升高后下降,当C12A7掺量为10 wt%时,水化7 d的水泥基材料导电性能提高了61.33%,抗压强度降低了1.95%。
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