硅酸盐水泥作为重要的基础原材料,生产过程中存在高能耗和高废气排放两大问题,其根本原因在于水泥熟料本身的高钙矿物组分设计。因此,进行低钙熟料的配比设计与煅烧制备及相应的碳化硬化探究,是解决问题的理想途径之一。本文在纯硅酸盐体系矿物相结构和纯C₃S₂（3CaO·2SiO₂）矿物制备和碳化养护的基础上,设计和烧成了一种以C₃S₂为主的熟料,重点探讨了C₃S₂的形成过程,并通过碳化养护为其提供了良好的力学性能。低钙熟料的原材料包括:石灰石,砂岩,粘土和铁矾土,结合CaO-SiO₂-Al₂O₃三元相图和Bogue法进行熟料矿物组成设计,进行了烧成试验。首先验证了固相反应无法烧成CS（CaO·SiO₂）相。试验结果表明:低SM率值有利于熟料中的液相生成,同时烧成产物的易烧性良好。选择高IM率值生料进行煅烧试验,可有效改善熟料的自粉化和易烧性。低C/S率值熟料的易烧性良好,但自粉化较差,而高C/S率值则相反。最终确定了以C₃S₂为主,C₂S（2CaO·SiO₂）和C₂AS（2CaO·Al₂O₃·2SiO₂）为辅的熟料,其最佳化学组分范围为55-57%CaO,37-39%SiO₂,4-8%Al₂O₃,对应的最佳矿物组成范围64-88%C₃S₂,0-24%C₂S,11-21%C₂AS。此时,C₃S₂低钙熟料的最佳煅烧制度为900℃下保温30min,1260-1320℃下烧结90min,熟料的游离氧化钙含量在0.8-1.3%之间,且易烧性良好。中试结果表明,1250-1350℃范围内,在回转窑内通过21min煅烧可得到目标熟料,其邦德功指数为10.37 kWh/t,该熟料无需破碎且易磨性良好。通过CO₂减排和节能分析,C₃S₂熟料相比普通硅酸盐水泥熟料CO₂排放量可降低约18%,理论热耗可降低约7.5%,粉磨电耗可降低约67%。采用碳化养护对C₃S₂熟料砂浆试块进行硬化处理。结果表明,力学强度随碳化时间的延长而增长,但强度增长速率随时间延长却呈现降低趋势。SEM分析表明,CaCO₃晶体主要呈长方棱柱状,从C₃S₂基体中生长出来,覆盖在基体表面,并交错堆积在试块的孔隙中,同时在熟料内部核心部分逐渐产生以SiO₂为主要成分的富硅体。碳化过程中,CaCO₃晶体的物理堆积联结,晶体和硅凝胶对孔隙的填充和坚实的富硅体,为试块提供了宏观力学强度。