低品位与中品位高岭石质黏土的热活化：优化煅烧工艺以提升火山灰反应活性

《Materials Today Communications》：Thermal Activation of Low and Moderate Kaolinite Clays: Optimising Calcination for Enhanced Pozzolanic Reactivity

　　

本研究针对沙特阿拉伯南部两种高岭石质黏土开展热活化实验，评估其作为辅助胶凝材料（Supplementary Cementitious Materials, SCMs）的适用性。研究人员在650–900 °C温度区间内设置1 h与2 h两种保温时间进行煅烧，采用X射线衍射（XRD）、X射线荧光光谱（XRF）、热重/微分热重分析（TGA/DTG）、扫描电子显微镜–能谱分析（SEM–EDS）及等温量热法对产物进行表征，并通过强度活性指数（Strength Activity Index, SAI）评价性能。结果表明，高岭石完全脱羟基并形成高活性无定形偏高岭土的过程发生在750–850 °C区间，1 h保温可获得最优性能；当温度≥900 °C或保温时间≥2 h时，部分再结晶形成尖晶石型相，导致无定形组分减少，火山灰反应活性下降。煅烧后，由于活性无定形铝硅酸盐的生成，水化放热总量由原料的~110–130 J·g-1提升至~205–230 J·g-1，表明其在二次水化反应中积极参与。力学性能趋势与此一致：黄黏土在750 °C煅烧时7天SAI可达~105%，28天约为~100%；红黏土则需更高温度（800–850 °C）才能达到相近水平（~95%）。黄黏土性能优势归因于其更高的高岭石含量及较低的惰性相比例，使其煅烧后活性无定形组分更多。总体而言，750–850 °C保温1 h是该地区黏土制备活性偏高岭土的最佳活化窗口，可支持其在低熟料、低碳胶凝体系（如LC3）中的应用。

本论文发表于《Materials Today Communications》，研究聚焦于降低水泥工业碳排放背景下，利用本地高岭石质黏土制备高性能辅助胶凝材料的煅烧参数优化与机理解析。当前，传统辅助胶凝材料（SCMs）如粉煤灰和矿渣供应有限，难以满足低碳胶凝材料大规模推广的需求。尽管煅烧黏土被视为潜力替代材料，但现有研究缺乏对煅烧温度与保温时间耦合作用对矿物演化、水化动力学及力学性能影响的系统性探讨，尤其缺少针对沙特本地黏土的区域性优化数据。因此，研究人员以沙特阿西尔地区两种不同矿物组成的高岭石质黏土（黄黏土与红黏土）为对象，通过系统的温度–时间矩阵实验，旨在建立最佳煅烧条件，并阐明矿物转变–水化行为–力学性能之间的构效关系，为LC3等低熟料水泥体系的区域化应用提供依据。

在研究技术方法上，研究人员首先采集并预处理两种目标黏土，经干燥、研磨后，在650–900 °C范围内分别进行1 h与2 h的煅烧处理。采用XRF分析化学组成，XRD监测矿物相演变，TGA/DTG表征热行为与脱羟基进程，SEM–EDS观察微观形貌与元素分布；通过等温量热法测定浆体早期水化放热，并按ASTM C311标准测试砂浆的强度活性指数（SAI），所有实验均设对照组并重复验证。

研究结果部分，首先在矿物学与化学表征中发现，黄黏土以高岭石（约62%）和石英（约38%）为主，Al₂O₃含量较高；红黏土则以石英为主，高岭石含量较低，并含赤铁矿与白云母。黄黏土的高铝含量预示其煅烧后活性无定形组分更高。XRD分析显示，在750–850 °C、1 h条件下，两种黏土均可实现高岭石完全脱羟基并转化为无定形偏高岭土，石英保持稳定；超过此温度或延长保温时间，则出现尖晶石型相的再结晶，降低活性。热分析进一步确认脱羟基峰位于400–650 °C，黄黏土的失重幅度更大，无定形稳定区间更宽。水化动力学研究表明，未煅烧黏土仅表现为惰性填料效应，而煅烧样在早期加速期与后期持续释放热量，累计放热量显著提升，黄黏土达~220–230 J·g^-1，红黏土略低。强度活性指数结果显示，黄黏土在750 °C、1 h条件下7天SAI最高达~105%，28天维持在~100%；红黏土需在800–850 °C才能达到相近强度。微观结构分析证实，煅烧后黄黏土层状结构崩解，形成多孔无定形态，而红黏土因杂质相较多，结构破坏程度有限。综合上述结果，研究人员建立了矿物组成–煅烧条件–活性表现的关联机制。

在讨论与结论部分，研究指出最佳煅烧区间为750–850 °C保温1 h，此时无定形偏高岭土含量最高且未发生显著再结晶。高岭石含量决定了最佳温度窗口的宽度与位置，黄黏土可在较低温度下获得高活性，而红黏土需更高温度才能充分活化。过高的煅烧温度（≥900 °C）会导致尖晶石或莫来石相生成，显著降低火山灰活性。该成果为沙特地区低品位与中品位高岭石质黏土在LC3等低碳胶凝体系中的规模化应用提供了工艺依据，有助于减少水泥熟料用量并降低CO₂排放。未来研究应进一步探索不同取代率下的长期耐久性及混凝土尺度性能，以推动产业化应用。