煅烧伊利石、高岭石和蒙脱石在R3混合物中的反应活性评估及其对可持续水泥材料的启示

为解决传统水泥生产高碳排放问题，研究人员系统评估了煅烧伊利石、高岭石和蒙脱石在R3测试体系中的反应活性。通过热分析、XRD和SEM等技术，发现煅烧黏土矿物的R3活性与其原始羟基数量呈线性正相关，且脱羟基质量损失可作为筛选SCMs的指标。该研究为LC3技术中黏土资源的优化利用提供了科学依据。

　　

全球水泥行业面临严峻的碳排放挑战，传统硅酸盐水泥生产过程中每吨水泥约排放0.8吨CO₂。为应对这一环境危机，石灰石煅烧黏土水泥（Limestone Calcined Clay Cement, LC³）技术应运而生，其通过将50%水泥熟料替换为30%煅烧黏土、15%石灰石和5%石膏，可减少40%碳排放。然而，LC³性能高度依赖煅烧黏土的反应活性，而全球黏土矿物组成差异显著——高活性高岭石主要分布在热带地区，而储量更广的伊利石和蒙脱石的反应特性尚未明确。针对这一关键问题，多伦多大学（University of Toronto）土木与矿物工程系的Pengfei Zhao和Karl Peterson团队在《Applied Clay Science》发表重要研究，系统揭示了三类黏土矿物的活化机制及其在R3体系中的反应规律。

研究采用ASTM C1897标准化的R3测试方法，结合X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）和扫描电镜（SEM）等技术，对600-1000°C煅烧的伊利石、高岭石和蒙脱石进行多尺度表征。通过等温量热法测定7天累积放热量，量化不同煅烧温度下黏土矿物的反应活性；借助元素分布图谱解析水化产物的空间分布特征。

3.1 热分析

热重-差热分析（TG/DTA）显示三类黏土矿物的脱羟基温度范围存在显著差异：高岭石在460-660°C完成脱羟基（质量损失12.38wt%），伊利石和蒙脱石分别在420-740°C和530-740°C脱羟基，质量损失分别为3.26wt%和5.55wt%。值得注意的是，高岭石在1000°C出现放热峰，对应Al-Si尖晶石的形成，而伊利石和蒙脱石在高温下生成赤铁矿等惰性相。

3.2 相转变

XRD图谱揭示结构演化规律：高岭石在600°C煅烧后完全非晶化形成偏高岭土（metakaolin），而伊利石和蒙脱石在800-900°C仍保留部分晶体结构。特别发现蒙脱石在600°C时层间距缩小（2θ从6.847°移至9.110°），反映层间水脱除导致的结构收缩。

3.4 反应活性

R3测试表明煅烧高岭石在600-900°C均展现优异活性（平均累积放热916.7J/g），远超RILEM TC 267-TRM设定的200J/g中等活性阈值。而伊利石和蒙脱石仅在特定温度（900°C和800°C）达到最高活性（175.3J/g和255.1J/g），且蒙脱石活性受钠/钙离子类型显著影响。关键发现是黏土矿物最大反应活性与其脱羟基质量损失呈线性相关（R²=0.99），这为快速评估黏土资源提供了理论依据。

3.5 方解石影响机制

方解石（calcite）的引入使高岭石体系水化产物从钾霞石（katoite, C₃AH₆）转变为单碳铝酸盐（monocarbonate, C₄AC?H₁₁），SEM-EDS显示方解石颗粒促进单碳铝酸盐的均匀分布。但对伊利石和蒙脱石体系，方解石对累积放热影响不足6%，水化产物以水滑石（hydrotalcite）为主，反映2:1型黏土矿物与石灰石的协同效应有限。

该研究首次建立黏土矿物脱羟基特性与R3活性的定量关系，证实脱羟基质量损失可作为SCMs初筛指标。对于资源广布的伊利石和蒙脱石，研究建议采用900°C和800°C的优化煅烧工艺，或结合机械化学活化提升反应活性。发现方解石对高岭石体系微观结构的调控机制，为LC³中石灰石-煅烧黏土配比设计提供指导。这些成果对推动全球差异化黏土资源的高值化利用、加速水泥行业低碳转型具有重要实践意义。