含高岭石的铝土矿尾矿在石灰石煅烧粘土水泥中的应用：水化过程、微观结构以及对未来性能优化的基础性研究

《Applied Clay Science》：Utilization of kaolinite-containing bauxite tailings in limestone calcined clay cement: Hydration, microstructure, and foundational insights for future performance optimization

低阶黏土在LC3水泥中的性能优化与机理研究，通过对比煅烧铝土矿尾渣（BT）、普通硅酸盐水泥（OPC）和煅烧高岭土（MK）配制的LC3水泥，发现BT系水泥28天抗压强度降低15.7%-34.3%，主要归因于BT中30.6%高岭土的火山灰活性不足，导致C-A-S-H凝胶形成受限。但BT显著增强后期水化反应，微观结构分析揭示颗粒-边缘过渡区（PRTZ）的存在影响结构完整性，低活性颗粒可能破坏致密化进程。研究为工业固废在LC3系统中的应用优化提供了理论依据。

　　

李志军|顾晓伟|杨博涵|张彦年|刘建平|Moncef L. Nehdi|张磊

东北大学资源与土木工程学院，中国沈阳110819

摘要

为了解决高质粘土在石灰石煅烧粘土水泥（LC³）中成本高昂且供应不均衡的问题，本研究探索了一种含有30.6%高岭石的煅烧铝土矿尾矿（LC³-BT）的LC³配方，并系统地比较了其力学性能、水化行为和微观结构演变与普通波特兰水泥（OPC）以及使用偏高岭土制备的LC³（LC³-MK）的差异。LC³-BT的28天抗压强度比LC³-MK低15.7%–34.3%，主要是由于BT的火山灰活性较低，限制了C-(A)-S-H凝胶的形成。尽管如此，BT仍能促进熟料的水化，显示出双重功能效应。微观结构分析显示，在未水化颗粒周围存在一个颗粒边缘过渡区（PRTZ），这可能影响结构的完整性。与传统观点相反，由于PRTZ不明显，惰性颗粒可能无法从紧密堆积中受益，从而可能影响性能。相比之下，活性颗粒可能通过水化帮助增强基体。这些发现为优化含有工业废料的LC³系统的性能提供了关键指导，并进一步揭示了低品位粘土基固体废物在该系统中的行为。

引言

水泥行业占全球二氧化碳排放量的5–8%，其中大部分来自熟料生产（Kravchenko等人，2024年）。预计到2050年水泥需求将增长12–23%（Barbhuiya等人，2023年），因此需要大幅减少排放。在可行的策略中，通过使用辅助胶凝材料（SCMs）替代熟料具有最高的减排潜力（37%）（Chaudhury等人，2023年）。石灰石煅烧粘土水泥（LC³）结合了偏高岭土（MK）和石灰石，可以在不改变现有生产线的情况下替代高达50%的熟料（Blouch等人，2023a；Del Serrone和Moretti，2023年）。然而，高品位MK（高岭石含量>40%）成本高昂且地区性稀缺（Dai等人，2014年；Fr??as和Cabrera，2000年；Kunther等人，2016年；Zunino和Scrivener，2021年，Zunino和Scrivener，2022b年），因此有必要探索低品位粘土用于LC³（Dixit等人，2021年；Du和Dai Pang，2018年）。

近年来，低品位粘土在LC³生产中引起了越来越多的关注（Bertulino等人，2025年；Blouch等人，2023b年）。Matschei等人（2007年）表明，较高的MK含量促进了C-A-S-H、碳酸氢盐（Hc）和单铝酸钙（Mc）的形成，增强了微观结构和强度，强调了优化MK用量的必要性。同样，Shao和Cao（2024年）发现，使用煤矸石制备的LC³虽然强度低于OPC，但产生了更多的水化产物和更精细的孔结构。Hu等人（2024年）研究了新加坡海洋粘土（高岭石含量<30%），发现28天强度下降了25%，但氯离子渗透性显著降低，表明具有良好的耐久性。

然而，将固体废物用作煅烧粘土替代品仍存在挑战。Blouch等人（2023a）表明，高岭石含量较高的粘土（55%）由于Al?O?/SiO?比例较高和核化作用，增强了LC³的强度，而低岭石含量的粘土（20%）由于惰性石英的存在而降低了强度。Ahmed等人（2023年）发现，当替代超过30%的水泥时，低岭石含量的粘土会导致强度显著下降，因为其反应性较低，阻碍了熟料的水化；MK也与低C?A水泥的相容性较差，突显了填料稀释的不平衡问题。工业废物如粉煤灰（FA）、硅灰（SF）、高炉矿渣（BFS）、废玻璃（WG）、磷石膏以及建筑和拆除废弃物也被用于LC³（Frías等人，2024年；Liu等人，2025年），Al Kindi等人（2024年）报告称这提高了流动性并降低了二氧化碳排放，但过量的FA或WG会延迟水化并降低早期强度。

这些研究共同强调了进一步开发适用于LC³的低品位粘土的必要性，特别是在高岭石资源有限的地区。然而，这些粘土如何影响LC³的水化和性能的具体机制尚不完全清楚。特别是，它们多样的矿物组成和反应性给强度发展和耐久性带来了不确定性。不同的研究结果表明需要更深入的探究。LC³的水化涉及比OPC更复杂的相变，包括MK、Ca(OH)?、水和硫酸盐之间的火山灰反应，形成C-A-S-H、埃特林石（ettringite）、Hc和Mc（Silva等人，2014年；Tironi等人，2013年）。此外，方解石与C?A反应生成Hc和Mc（Bonavetti等人，2001年），MK中的铝酸盐促进了AFm相的形成（Antoni等人，2012年）。需要进一步的研究来阐明水化动力学、相组成和微观结构演变之间的相互作用，从而为优化利用低品位粘土的LC³系统提供指导。

铝土矿尾矿（BT）是在铝土矿选矿过程中产生的，包含迪亚斯波尔（diaspore）、高岭石、伊利石以及少量其他相如锐钛矿（anatase）、石英和赤铁矿（Yang等人，2009年）。大约五分之一的铝土矿未被利用，未经处理就直接排放，造成了环境问题（Lu和Hu，2013年；Qiang等人，2019年；Zhang等人，2021年）。煅烧后的BT通过增强水化和抗氯离子性显示出作为辅助胶凝材料的潜力（Zhou等人，2021年）。这种效果主要归因于高岭石热转变为偏高岭土（Ye等人，2017年）。通过优化粒度和与红泥混合（红泥的来源和碱度与BT不同），可以进一步提高性能，从而改善相稳定性和耐久性（Gou等人，2024年）。BT还被用于泡沫混凝土（Peng等人，2022年）和基于矿渣的地聚合物中，以提高强度和耐久性（Ye等人，2017年）。然而，过量的BT（例如30%）会显著降低抗压强度（Gou等人，2024年）。鉴于其高岭石含量，BT可能与石灰石在LC³系统中产生协同作用。然而，关于BT作为LC³中直接替代MK的研究较少，尤其是在其对水化和微观结构的影响方面。

基于上述研究，本研究探讨了在石灰石煅烧粘土水泥中加入煅烧铝土矿尾矿（LC³-BT）的可行性和性能。通过系统比较LC³-BT与使用偏高岭土制备的LC³（LC³-MK）的性能，本研究将分析BT对LC³系统的抗压强度、水化过程和微观结构的影响。以下研究问题将得到解答：

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