在环境和资源问题日益严峻的今天,贝利特水泥以其能耗低、污染少,水泥及其混凝土性能好等特点备受人们期待。但是,由于该水泥中阿利特矿物的减少,且贝利特矿物水化速度较慢造成水泥早期力学性能较低,限制了其应用推广。本课题通过改变水泥熟料的基本矿物组成,引入能在较低温度下形成的低钙、快硬早强矿物部分代替阿利特,使该水泥早期力学性能得到改善。近年来,硫铝酸钡钙矿物的发现,引起了众多学者的关注。当硫铝酸钡钙的组成为2.75CaO·1.25BaO·3Al2O3·SO3(C2.75B1.25A3S )时力学性能最好,其抗压强度在1d、3d和28d龄期时分别达到35.1 MPa、59.3 MPa和72.1 MPa,具有突出的早期强度,且水化速度快,凝结时间短,但后期强度增进率低。以贝利特(C2S)为主导矿物的贝利特水泥早期强度偏低,凝结时间相对较长,但后期强度增长稳定。因此,本文将贝利特与硫铝钡钙这两种矿相复合,并以此为基础合成了高性能的贝利特-硫铝酸钡钙水泥矿相体系。本文采用化学试剂为原料,采用正交试验初步优选熟料组成和煅烧制度,应用热力学的基本原理对熟料组成进一步优化,确定了熟料最佳组成。在优化熟料组成的基础上,考虑原料中SO3和BaO的挥发或固溶,相应提高了SO3和BaO的掺量,并研究了熟料力学性能随SO3、BaO以及CaF2掺量的变化规律。同时,按最佳熟料组成设计,合成了贝利特-硫铝酸钡钙水泥,研究水泥的水化硬化规律。通过XRD、SEM-EDS、DTA、岩相、孔结构和水化热等测试技术对熟料的组成、结构和水化硬化机制进行了分析,说明了贝利特--硫铝酸钡钙水泥的性能优于硅酸盐水泥的原因。研究结果表明:在本试验条件下确定的贝利特-硫铝酸钡钙水泥熟料最佳矿物组成是C2.75B1.25A3S为9.0%,C2S为37.5%,C3S为37.5%,C3A为4.6%,C4AF为11.5%,即9.0%的C2.75B1.25A3S和91%的硅酸盐熟料,其中硅酸盐熟料率值为铝率1.1,硅率2.9,石灰饱和系数0.81。确定了适宜的煅烧制度,其烧成温度为1350℃,保温时间90 min,冷却方式是急冷。SO3和BaO的适宜过掺量分别是其理论含量的50%和80%,CaF2在体系中适宜掺加量是0.6%。在最佳组成和制备工艺条件下,合成了力学性能良好的贝利特-硫铝酸钡钙水泥,其在3d和28d龄期的净浆小试体抗压强度分别达到26.8和83.4MPa。同时,热力学的计算表明,在铝率为1.1,硅率为2.9,石灰饱和系数为0.81和硫铝酸钡钙掺量9%时,贝利特-硫铝酸钡钙水泥熟料体系的吉布斯自由能较低,体系易于合成,水泥力学性能较好。适量石膏的掺入会提高该水泥的水化速度,改善其力学性能。同时,该水泥水化产物中氢氧化钙含量较少,水化放热量低,硬化浆体的密实度好,孔隙率较低。本文的创新之处有两个方面:第一,通过在贝利特水泥熟料体系中引入硫铝酸钡钙矿物,建立了性能良好的贝利特-硫铝酸钡钙水泥矿物体系;第二,将材料热力学原理和方法应用于硫铝酸钡钙和贝利特水泥熟料矿物的复合体系,取得了良好的效果。