煅烧黏土改性ASTM Type IL水泥基材料的物理与耐久性能研究：迈向低碳石灰石煅烧黏土水泥(LC3)

为解决传统水泥高碳排放问题，研究人员开展煅烧黏土(CCR/CCC)替代ASTM Type IL水泥(含12%石灰石)的研究。通过系统评估20%掺量下煅烧黏土对凝结时间、流动度、抗压强度及收缩性能的影响，发现10-15%掺量可提升后期强度5-10%，降低干燥收缩30%，证实低品位黏土经800°C煅烧后可作为可持续SCM，为LC3技术推广提供区域化解决方案。

　　

全球建筑业正面临严峻的碳减排挑战，传统硅酸盐水泥生产贡献了约8%的CO₂排放。作为应对方案，ASTM Type IL水泥（含15%石灰石）虽能降低碳足迹，但其性能优化仍有提升空间。与此同时，石灰石煅烧黏土水泥(LC³)技术因能大幅减少熟料用量而备受关注，但高品位黏土的稀缺性限制了其广泛应用。南卡罗来纳州立大学的研究团队另辟蹊径，聚焦美国田纳西州Robertson县(CCR)和Cumberland县(CCC)两种低品位开挖黏土（kaolinite含量<40%），探索其在Type IL水泥体系中的协同效应。

研究采用800°C煅烧3小时的黏土，通过激光粒度分析、SEM-EDS、电阻率测试等技术，系统评估了5-20%掺量对水泥基材料性能的影响。关键发现包括：煅烧黏土通过成核效应显著加速凝结，初始和终凝时间分别缩短60分钟和150分钟；10%CCR掺量使90天抗压强度提升10%，归因于其较高的Al₂O₃含量(10.9%)促进火山灰反应；内部养护效应使CCC样品干燥收缩降低15%，但自收缩增加120%，揭示孔隙结构精细化的双面性。

煅烧黏土制备与表征

通过XRF分析证实两种黏土均为铝硅酸盐，CCR含79.16% SiO₂和10.9% Al₂O₃，CCC则含84.48% SiO₂。激光衍射显示d₅₀粒径约16μm，与Type IL水泥(14.9μm)匹配，确保颗粒级配优化。

物理性能研究

流动度测试表明20%掺量导致工作性下降25%，归因于黏土颗粒的高比表面积(1251-1339 kg/m²)。但抗压强度测试发现10%CCR掺量使28天强度达42.5MPa，优于对照组的38.5MPa，SEM显示其形成更致密的C-S-H网络。

耐久性机制

电阻率测试显示20%CCR样品表面电阻达12.3kΩ·cm（较对照组高15%），而CCC样品略低5%，反映矿物组成的差异性。干燥收缩降低30%与内部养护相关，黏土吸收的水分在硬化阶段持续释放，缓解毛细管张力。

微观结构解析

背散射电镜揭示CCR10样品中针状钙矾石(AFt)与纤维状C-S-H共存，孔隙率降低18.1%（对照组16.9%），但连通孔隙导致氯离子渗透性未显著改善，说明低品位黏土的火山灰活性仍需提升。

该研究证实区域化低品位黏土经适当煅烧可替代10-15%水泥，在保持力学性能同时实现干燥收缩控制。特别值得注意的是，CCR因较高铝含量展现更优的强度发展，而CCC的硅优势未转化为显著性能提升，这为因地制宜选择黏土源提供科学依据。研究提出的"成核效应-内部养护"协同机制，为开发新一代LC³水泥奠定理论基础，尤其对缺乏高岭土资源的地区具有重要工程价值。论文发表于《Next Materials》的发现，标志着低碳胶凝材料从实验室走向工程应用的关键一步。