本论文系统地研究了水泥熟料的四大主要矿物C3S、β-C2S、C3A和C4AF的溶胶- 凝胶法制备过程，并利用粘度仪、差热分析(DTA)、X射线衍射(XRD)、红外光谱(IR)、 扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和激光粒度仪等测试手段分析了凝胶形成过程 和凝胶热处理过程中发生的反应以及所制备矿物的物理性质；同时，利用X射线荧光分析 (XRF)、X射线衍射(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)、扫描电镜(SEM)、环境扫描电 镜(ESEM)、核磁共振(NMR)以及微量热仪等测试手段详尽地分析了所制备的四种矿物 的水化过程和水化特性。研究中主要做了如下的工作： 1.首次系统地研究了水泥熟料矿物C3S、β-C2S、C3A和C4AF的溶胶-凝胶法制备 过程。不但选择了四种矿物的溶胶-凝胶法制备的前驱物，确定了溶胶-凝胶形成过程中 的用水量、溶剂、催化剂以及反应温度等影响因素的最佳值；并且通过对凝胶热处理过程 的研究表明，水泥产物的晶型与热处理温度有关，通过大量的实验得到了各种矿物形成的 最适宜热处理工艺制度。由于在热处理前，在矿物凝胶中已存在相应的功能基团或在有机 物交联作用下形成了具有矿物化学组成的结合体，因此用溶胶-凝胶法可以在低于传统烧 结方法的温度下制备出产物。以溶胶-凝胶法制备的水泥熟料矿物不但克服了传统烧结法 的烧成温度高、产物纯度差等弱点，而且用溶胶-凝胶法制备的产物的平均粒径小于传统 烧结法制备的产物，表面形貌也有别于后者。 2.研究了溶胶-凝胶法制备的四种高纯度水泥熟料矿物的水化过程，为研究多组分 水泥体系奠定了基础。 (1)按照水化放热情况，将C3S和β-C2S水化分为五个阶段：即Ⅰ初始水解期：Ⅱ 诱导期；Ⅲ加速期；Ⅳ衰退期；Ⅴ稳定期。当C3S和β-C2S与水接触后，立即水解出钙 离子和硅酸根离子，在水化开始两分钟时它们的表面上都有明显的水化产物生成：C3S水 解出的离子多于β-C2S，因此不同含钙离子的电解质溶液对两者水化的影响不同。C3S在 不同含钙离子的溶液中水化速度有如下顺序：2％CaCl2溶液＞Ca(OH)2饱和溶液 ＞H2O＞CaSO4饱和溶液；β-C2S在不同含钙离子的溶液中水化速度有如下顺序：2％CaCl2 溶液＞CaSO4饱和溶液＞Ca(OH)2饱和溶液≈H2O＞CaCO3饱和溶液。C3S和β-C2S的水化产 物C-S-H凝胶中Si-O结构随着水化的进行不断聚合。尽管CaCl2能加速水化，但是它不 能促进C-S-H凝胶中Si-O的聚合。探讨了C3S水化动力学模型，并对实验数据进行了验 证。 (2)溶胶-凝胶法制备的C3A水化很快，在水化早期的主要水化产物为立方形的 C3AH6，并且水化温度越高，水化早期Ca(OH)2晶体越容易形成。通过研究石膏存在时C3A 的水化过程发现，在钙矾石完全生成前，它就已经开始转化为单硫型硫铝酸钙。石膏掺量 影响C3A水化的速度，当石膏掺量较少时，将促进C3A水化速度；然而当掺量较大时，将 延缓C3A的水化，并且延缓作用随着石膏掺量的增加而明显增加。研究表明石膏粉末的溶 解过程几乎不影响C3A的早期的水化速度。通过对比硫酸钠和石膏对C3A水化的影响, 结果表明石膏的延缓作用不是由于SO42-吸附在C3A颗粒表面，而可能是由于形成渗透性 差的钙矾石覆盖层而引起。溶胶-凝胶法所制备的C4AF水化过程与C3A类似，但是水化 更快，它水化的初期就生成大量的二十四面体的水化产物C3(A，F)H6晶体。相同量的石 膏对C4AF水化的延缓作用比对C3A水化的延缓作用小。(当)石膏和C4AF完全反应(时， 它们)的摩尔比大于3而小于4。水化产物除了钙矾石外，还有凝胶；并且根据Fe对Al不 同取代量，可能生成含Al凝胶或含Fe凝胶或同时含有两种凝胶。 3.研究中尝试了多种新的测试方法。将XRF分析仪首次应用于测定水化溶液离子浓 度；将AFM用于观察水泥熟料矿物的形貌；首次应用多通道微量热仪测量出与理论值最 接近的C3A水化放热量。 关键词：水泥熟料矿物；溶胶-凝胶法；溶胶-凝胶过程；热处理；水化；水化放热；水化动力学；延缓作用；测试方法