一种快速制备高纯度铝酸三钙的方法与流程

本文涉及一种快速制备高纯度铝酸三钙的方法，属于建筑材料领域。

背景技术：

社会经济建设离不开基础设施建设，而水泥混凝土又是作为众多重要工程的原材料。我国基础设施建设发展迅速，是公认的能源和资源消耗大户，同时水泥行业高能耗、高污染问题突出，可持续发展要求水泥行业必须以“高效、节能”为发展目标，对此，如何制备和使用更高效的水泥材料成为当前亟需解决的问题。

由于水泥成分复杂，不可知因素较多，因此对水泥水化的研究通常以某种单矿作为突破口。铝酸三钙(3cao·al2o3，简称c3a)作为硅酸盐水泥中的四种矿物之一，其含量仅次于硅酸三钙(3cao·sio2，简称c3s)和硅酸二钙(2cao·sio2，简称c2s)，水化速率最快，其水化产物是水泥早期强度的主要提供者。

铝酸三钙水化后期干缩形变大，严重影响了水泥材料的工作性和耐久性，所以对铝酸三钙单矿水化的研究具有重大意义。

高纯度的铝酸三钙是进行单矿水化研究的基础，实验室制备铝酸三钙常使用固相法烧成，该方法烧成温度高，能耗大，为了降低烧成温度可以引进矿化剂，但又引入了杂质元素；且其烧成周期长，至少要经过3次反复的研磨和煅烧才能保证产物的纯度。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对上述方法的不足，进一步改善铝酸三钙的制备方法，本方法具有合成温度低，产品纯度高，反应过程易于控制等优点，是一种快速制备高纯度铝酸三钙的方法。

本发明可以通过以下技术方案实现：

一种快速制备高纯度铝酸三钙的方法，该方法包括以下步骤：

一、均相溶液的制备

a.按照铝酸三钙(c3a)化学式3cao·al2o3设计原材料配比为n(ca(no3)2·4h2o):n(al(oh)3胶体)=3:1,用分析天平精确称量相应的质量，备用；

b.用水量的多少与能否形成交联度大的胶溶体系有很大关系，因此需要精确计算用水量，本方法按照钙离子浓度计算用水量，按钙离子浓度为1.8-2.0mol/l，精确称量去离子水的质量，备用；

c.将a、b中的四水硝酸钙，氢氧化铝胶体，去离子水加入锥形瓶中混合均匀，制成均相溶液。

二、溶胶的制备

a.将制备好的均相溶液加入磁力搅拌子，固定于磁力搅拌器上进行加热搅拌，将锥形瓶用保鲜膜密封，以防溶液溅出；

b.确定加热温度，对溶液进行加热，是为了溶液中的粒子相互交联在一起，进而形成凝胶，提高温度有助于粒子之间更加紧密的连接在一起，但温度过高会增加粒子反应活性，不利于均匀分散，所以加热温度的选择非常重要，本方法选用60-80°c加热；

c.搅拌速度关系着溶液中粒子的分散的好坏，转速太小不利于粒子的分散，转速太大不利于粒子的粘附反应，故本方法选择适中的转速为170-200r/min；

d.搅拌时间同样重要，时间短了溶胶生成不完全，时间长了，浪费能源，本方法选用搅拌时间10-20min。

三、胶凝过程的控制

a.溶液的ph值对胶凝网状结构的形成和发展有重大影响，通过加入碱液调节溶液ph值，本方法溶液ph值为10.5-11.5；

b.加入溶液的碱液对最终产物也有影响，本方法选用氨水调节ph值。

四、凝胶的干燥与陈化

a.控制好干燥过程对凝胶的形成有重大影响，本方法采用将溶液放入60-80°c鼓风干燥箱干燥6-8小时以待样品完全干燥。

b.将干凝胶粉磨至粒径0.075mm，然后放入模具，用电动压片机压制成薄片状，压力采用20-30mpa，薄片厚度不大于5mm。

五、干凝胶的热处理

a.本方法采用硅钼棒加热电炉，采用程序方式控温，升温速率和最高温度对铝酸三钙的形成都有影响，本实验采用升温速度：0-800°c时，5°c/min；800-1000°c时，4°c/min；1000-1100°c时，3°c/min，最高温度过高能耗过大，过低生成物不纯，本方法采用最高温为1100°c。

b.在最高温的保温时间对产物有重大影响，保温时间过长，能耗过大，保温时间过短，反应不充分，本方法保温时间为4-5h。

c.冷却方式对铝酸三钙的相结构有重要影响，快速冷却有利于改善铝酸三钙的工艺性质，使其易磨性变好，并且可以提高其水化活性，有利于水化反应，所以本方法采用急冷方式处理热处理之后的c3a。待程序结束之后，立刻将铝酸三钙取出，放至带有冰水混合物的耐高温容器，使其快速冷却。

所述步骤一中的四水硝酸钙，氢氧化铝胶体均为分析纯；所述步骤五中采用刚玉坩埚盛放样品。

将高温急冷后的样品研磨至粒径0.075mm，即得到具有水化性质的高纯度铝酸三钙，测得其游离氧化钙含量符合国家标准，对粉末样品进行xrd测试，结果如图1所示。

本方法较传统的固相法烧成，温度降低200-300°c，降低了能耗，并且一次即可烧成，避免了反复研磨与烧制的过程，降低了制备条件；同时本方法改善了传统溶胶凝胶法周期长的缺点，采用烘箱内烘干，缩短了制备周期；本方法合成效果好，产物纯度高。

附图说明

图1用本方法制备的产物的x射线衍射图谱。

具体实施方式

为了使本专利更加清楚明了，下面结合具体事例对本专利做进一步说明，以下实施例仅为实施例举例，本申请的保护范围不仅限于以下实施例范围。

实施例1：

目的：制备15.00g铝酸三钙

根据铝酸三钙化学式的氧化物形式3cao·al2o3，计算出其中cao的含量为62.27％，al2o3的含量为37.73％，根据欲制样品为15.00g，计算得样品中cao的含量应为9.34g，根据钙元素质量守恒，计算得所用分析纯四水硝酸钙得用量为39.32g。

按n(ca(no3)2·4h2o):n(al(oh)3胶体)=3:1，称得4.33g氢氧化铝；根据钙离子浓度为1.9mol/l，计算得去离子水的质量为89.47g，称取相应质量的去离子水。

将称得的四水硝酸钙，氢氧化铝和去离子水装入300ml锥形瓶中，放入磁力搅拌子，固定于磁力搅拌器上进行加热，将锥形瓶用保鲜膜密封，以防溶液溅出；将磁力搅拌器温度设定为75°c，转速设定为190r/min，打开磁力搅拌器，搅拌15min。

滴加氨水调节溶液ph值，使溶液ph值保持在11，搅拌至适当粘度即可得到c3a溶胶。将溶胶盛于烧杯中放到60°c的鼓风干燥箱内干燥8小时，溶胶经陈化、干燥后得到c3a凝胶。

将凝胶粉磨至粒径0.075mm，利用方形模具，在电动压片机进行压片，施加20mpa的压强，使薄片厚度为4mm。

将压片放入刚玉坩埚内，将坩埚置于高温炉内，程序控制升温，升温速度：0-800°c时，5°c/min；800-1000°c时，4°c/min；1000-1100°c时，3°c/min。在1100°c保温4h，然后取出样品放至带有冰水混合物的耐高温容器，使其快速冷却。测得其游离氧化钙含量为0.035%，表明本方法合成效果较好。

实施例2：

目的：制备20.00g铝酸三钙

根据铝酸三钙化学式的氧化物形式3cao·al2o3，计算出其中cao的含量为62.27％，al2o3的含量为37.73％，根据欲制样品为20.00g，计算得样品中cao的含量应为12.45g，根据钙元素质量守恒，计算得所用分析纯四水硝酸钙得用量为52.41g。

按n(ca(no3)2·4h2o):n(al(oh)3胶体)=3:1，称得5.77g氢氧化铝；根据钙离子浓度为1.8mol/l，计算得去离子水的质量为122.22g，称取相应质量的去离子水。

将称得的四水硝酸钙，氢氧化铝和去离子水装入300ml锥形瓶中，放入磁力搅拌子，固定于磁力搅拌器上进行加热，将锥形瓶用保鲜膜密封，以防溶液溅出；将磁力搅拌器温度设定为80°c，转速设定为180r/min，打开磁力搅拌器，搅拌10min。

滴加氨水调节溶液ph值，使溶液ph值保持在11，搅拌至适当粘度即可得到c3a溶胶。将溶胶盛于烧杯中放到70°c的鼓风干燥箱内干燥7小时，溶胶经陈化、干燥后得到c3a凝胶。

将凝胶粉磨至粒径0.075mm，利用方形模具，在电动压片机进行压片，施加20mpa的压强，使薄片厚度为4mm。

将压片放入刚玉坩埚内，将坩埚置于高温炉内，程序控制升温，升温速度：0-800°c时，5°c/min；800-1000°c时，4°c/min；1000-1100°c时，3°c/min。在1100°c保温4h，然后取出样品放至带有冰水混合物的耐高温容器，使其快速冷却。测得其游离氧化钙含量为0.068%，表明本方法合成效果较好。

实施例3：

目的：制备25.00g铝酸三钙

根据铝酸三钙化学式的氧化物形式3cao·al2o3，计算出其中cao的含量为62.27％，al2o3的含量为37.73％，根据欲制样品为25.00g，计算得样品中cao的含量应为15.57g，根据钙元素质量守恒，计算得所用分析纯四水硝酸钙得用量为65.55g。

按n(ca(no3)2·4h2o):n(al(oh)3胶体)=3:1，称得7.22g氢氧化铝；根据钙离子浓度为2.0mol/l，计算得去离子水的质量为140g，称取相应质量的去离子水。

将称得的四水硝酸钙，氢氧化铝和去离子水装入300ml锥形瓶中，放入磁力搅拌子，固定于磁力搅拌器上进行加热，将锥形瓶用保鲜膜密封，以防溶液溅出；将磁力搅拌器温度设定为70°c，转速设定为175r/min，打开磁力搅拌器，搅拌20min。

滴加氨水调节溶液ph值，使溶液ph值保持在11，搅拌至适当粘度即可得到c3a溶胶。将溶胶盛于烧杯中放到80°c的鼓风干燥箱内干燥6小时，溶胶经陈化、干燥后得到c3a凝胶。

将凝胶粉磨至粒径0.075mm，利用方形模具，在电动压片机进行压片，施加25mpa的压强，使薄片厚度为4mm。

将压片放入刚玉坩埚内，将坩埚置于高温炉内，程序控制升温，升温速度：0-800°c时，5°c/min；800-1000°c时，4°c/min；1000-1100°c时，3°c/min。在1100°c保温4h，然后取出样品放至带有冰水混合物的耐高温容器，使其快速冷却。测得其游离氧化钙含量为0.053%，表明本方法合成效果较好。