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含硫铝酸钙矿物(3CaO·3Al2O3·CaSO4，C4A3S-)硅酸盐水泥熟料是在传统硅酸盐水泥熟料体系中引入非硅酸盐类矿物(C4A3S-)制备的高胶凝性熟料，它具有较高的强度和较好的与混合材的复合性，C4A3S-与C3S是该体系中两种主要胶凝相。通常C4A3S-在1350℃时开始分解，C3S在1400℃左右形成，通过掺矿化剂等措施能使C4A3S-与C3S共存于同一体系中，但共存温度范围窄，因此，体系中C4A3S-与C3S两相共存温度范围的拓宽以及相匹配优化是含C4A3S-矿物硅酸盐水泥熟料制备最关键的科学问题。针对这一科学问题，本研究提出通过掺杂等技术措施降低C3S形成温度和提高C4A3S-分解温度以扩大熟料中C4A3S-与C3S两相共存温度范围的思路，为此，开展了《含C4A3S-矿物硅酸盐水泥熟料形成化学研究》。阐明了C4A3S-物理化学特性，提出了C4A3S-的形成过程，深入探讨了掺杂对熟料形成过程和C4A3S-与C3S两相共存温度范围的影响，阐明了掺杂扩大熟料中C4A3S-与C3S两相共存温度范围的机理，揭示了Fe2O3-Al2O3-SO3匹配与熟料矿相组成之间的关系，为工业生产提供理论依据和技术支撑。
主要开展的工作如下：
1、C4A3S-热力学、动力学及形成过程研究
C4A3S-是含C4A3S-矿物硅酸盐水泥熟料中主要矿物组分之一，它具有水化快，早期强度高等特性，因此，本文对C4A3S-的物理化学特性进行了研究，提出了C4A3S-的热力学参数，建立了C4A3S-形成动力学和分解动力学模型，分别为F(α)=1-(1-α)1/3= Kt和F(α)=ln(1-α)=-Kt，其形成和分解的活化能分别为198.01 kJ·mol-1和449.78 kJ·mol-1。提出了C4A3S-矿物是通过三种不同的途径形成，其反应方程式如下：
2、含C4A3S-矿物硅酸盐水泥熟料制备中KH与掺杂的优选
根据含C4A3S-矿物硅酸盐水泥熟料相组成设计：C4A3S-含量3.0％以上，C3S含量60.0％以上，以及生料中SO3含量2.0％左右、Al2O3含量3.5～3.8％的要求配置了KH值分别为0.92、0.96和0.98的生料作为基准试样。在基准试样中掺入不同掺杂物质(CuO、ZnO、BaCO3、MnO2、Li2CO3和P2O5)及掺入量作为掺杂试样。在1300℃、1350℃和1400℃，保温30min的煅烧条件下，研究了掺杂对含C4A3S-矿物硅酸盐水泥熟料烧成的影响。研究结果表明，在1300℃煅烧温度条件下，在KH值为0.96的基准试样中掺0.1％ CuO、0.3％CuO、0.5％CuO、0.1％BaO、0.1％ MnO2和1.0％ZnO能降低熟料中f-CaO含量至2.0％以下，使C4A3S-与C3S共存于同一体系中。
3、含C4A3S-矿物硅酸盐水泥熟料形成过程研究及C4A3S-与C3S共存温度范围的确定
采用XRD、DSC-TG和QXRD等分析方法系统研究了含C4A3S-矿物硅酸盐水泥熟料形成过程，测定了不同煅烧温度下各试样中C4A3S-与C3S含量，阐明了含C4A3S-矿物硅酸盐水泥熟料煅烧过程中进行的物理化学反应，拓宽了含C4A3S-矿物硅酸盐水泥熟料中C4A3S-与C3S两相的共存温度范围。研究结果表明，KH值为0.96的基准试样中3.0％以上的C4A3S-与40.0％以上的C3S共存温度范围为1295℃～1320℃。掺1.0％ZnO试样中两相共存温度范围是1235℃～1305℃；掺0.1％ MnO2试样中两相共存温度范围1245℃～1327℃；掺0.1％ BaO试样中两相共存于1234℃～1317℃；掺0.1％CuO试样中两相共存于1250℃～1317℃；而掺0.5％CuO的试样中两相共存于1200℃～1305℃。
在生料中外掺0.1％CuO、0.5％CuO、0.1％ MnO2或1.0％ZnO，在1300℃煅烧温度下可制备符合设计矿相组成的熟料(C4A3S-含量3.0％以上，C3S含量60.0％以上)，尤其是在掺0.5％CuO或0.1％MnO2试样两相的共存温度范围分别为1275℃～1305℃和1288℃～1327℃。
4、含C4A3S-矿物硅酸盐水泥熟料中Fe2O3-Al2O3-SO3匹配研究
含C4A3S-矿物硅酸盐水泥熟料煅烧过程中Fe2O3与Al2O3发生反应生成铁铝酸盐，从而影响熟料中C4A3S-的形成。而工业生产上原料中Fe2O3含量波动较大，必然会对熟料的相平衡产生影响，因此，本文对水泥生料中Fe2O3-Al2O3-SO3匹配对含C4A3S-矿物硅酸盐水泥熟料相平衡的影响进行了系统研究。结果表明，生料中Fe2O3含量的提高能显著改善水泥生料的易烧性，当Fe2O3含量提高到2.20％以上，在1300℃煅烧温度条件下，熟料中f-CaO含量降至2.0％以下，促进相同煅烧温度条件下C3S含量的提高。
Fe2O3含量的提高，生料(A-0.64F)/S-值下降，熟料中C4A3S-含量减少。当(A-0.64F)/S-为0.61时，熟料煅烧过程中C4A3S-矿物没有形成。主要是因为生料中Al2O3和SO3含量不变的前提下，Fe2O3含量的增加，铁铝酸盐的形成量增加，减少了参与形成C4A3S-矿物的Al2O3含量，从而阻碍了C4A3S-矿物的形成。因此，为了兼顾含C4A3S-矿物硅酸盐水泥熟料体系中适量C4A3S-和C3S的大量形成，生料中Fe2O3的含量应大于2.20％，同时(A-0.64F)/S-值高于0.61。
本研究的创新点：(1)首次提出C4A3S-的化学定量分析方法，采用该方法能分别定量分析游离石膏和C4A3S-的含量：(2)通过掺杂适量ZnO、BaO、MnO2或CuO可使熟料中C4A3S-和C3S两相的共存温度范围由原来的1295～1320℃扩大为1200～1305℃；(3)在1300℃煅烧温度条件下通过适量掺杂制备了C3S含量在60％以上，C4A3S-含量在3.0％以上的硅酸盐水泥熟料；(4)提出了在制备C3S含量大于60％的含C4A3S-矿物硅酸盐水泥熟料时，生料中Fe2O3含量应大于2.20％，且(A-0.64F)/S-应大于0.61的工艺参数。