通过二氧化碳矿化钢渣技术，实现了含伊利石矿尾矿在LC3粘合剂中的价值转化

霍玉明|胡海勇|姜玉龙|朱德富|徐泽坤

太原理工大学矿业工程学院，中国太原，030024

摘要

石灰石煅烧粘土水泥（LC3）是一种有前景的低碳胶凝材料，但其性能在很大程度上取决于高活性的偏高岭土（MK）。本研究评估了用含伊利石的矿渣（CIMT）替代MK，并使用机械碳化钢渣（CS）作为补偿成分的可行性。通过压缩强度测试、等温量热分析、动力学拟合、TG/XRD、LF-NMR和纳米压痕实验来研究混合体系的水化过程、相组成和微观结构演变。结果表明，尽管煅烧提高了矿渣的活性，但CIMT的活性仍低于MK，并且削弱了LC3的水化动力学，使水化过程更加受扩散控制。因此，用CIMT替代MK会减少水化产物的形成，抑制碳铝酸盐的生成，并恶化基体结构，导致强度下降，且替代比例越大，强度降低越明显。在28天时，C30的压缩强度从参考组的41.26 MPa降至19.34 MPa，降低了约53.1%。引入CS后，C30的强度提高到35.31 MPa，恢复到参考水平的约85.6%。CS的改善作用归因于其在体系中的多功能性：富含活性硅的凝胶促进了额外的C–(A)–S–H键的形成，而富含缺陷的CaCO₃则促进了碳铝酸盐的生成和基体致密化。这些发现为将低活性铝硅酸盐资源纳入LC3体系提供了功能导向的策略。

引言

水泥生产约占人为二氧化碳排放量的7-8%，其中熟料制造过程中石灰石脱碳的排放是主要贡献者（Lund和Hvelplund，2012；Alateah，2023；Aslam和Shahab，2024；Feng等人，2026）。在可行的短期缓解措施中，用低碳成分大规模替代熟料同时保持现有工艺基础设施是最可实施的策略（Feng等人，2023；Zhang等人，2023，2025）。在这种情况下，石灰石煅烧粘土水泥（LC3）成为一个有吸引力的选择：来自煅烧粘土的活性铝硅酸盐与石灰石中的碳酸盐及少量硫酸盐共同生成具有承载能力的碳铝酸盐组合，从而减少了CaO的需求和相关的二氧化碳排放（Avet和Scrivener，2018；Scrivener等人，2018；Huang等人，2025）。

然而，LC3的发展几乎完全依赖于经过转化的偏高岭土（MK）。这种关注是可以理解的——适当脱水的偏高岭土具有很高的活性，并在混合水泥中有着良好的应用记录。尽管如此，两个限制因素制约了LC3的低碳潜力。首先，富含高岭土的资源分布不均；许多地区以伊利石或伊利石-蒙脱石混合层粘土为主，或者依赖于矿物加工残渣而非原始高岭土矿床。其次，在LC3中，煅烧粘土的反应程度通常较低，导致大量煅烧粘土主要作为惰性填料使用（Avet等人，2018；Avet和Scrivener，2018；Sun等人，2024）。实际上，尽管LC3“以氧化铝为增强剂”，但由于煅烧过程中产生的大部分昂贵的活性氧化铝未能有效转化为有益的反应产物，因此可能效率低下。

因此，多项研究表明，即使使用低品位高岭土，LC3也能表现出可接受的性能，尽管强度会相对较低（Hu等人，2024；Al-Noaimat等人，2025a，2025b；Altuntas等人，2025；Li等人，2025；Liu等人，2025）。最近，人们探索了其他粘土家族（包括膨润土或混合层层状硅酸盐）作为氧化铝来源，进一步表明LC3的化学性质并不一定依赖于高纯度高岭土（Bonavetti等人，2022；Rehman等人，2024；Vallina等人，2025）。总体而言，这些发现表明LC3不一定需要高纯度的高岭土，而是需要足够可利用的氧化铝——即能够在LC3条件下被活化并融入碳铝酸盐水合物中的氧化铝。

根据这一标准，含伊利石的矿渣（IMT）尤为重要。IMT储量丰富，已经开采并细磨，而且关键在于它们含有化学结构明确但热稳定性较差的2:1层中的氧化铝。由于不需要新的采矿或选矿过程，其开采过程中的碳排放可以忽略不计（Zhao等人，2022）。如果能够实现非晶化（即使温度略高于高岭土的非晶化温度），IMT可以提供活性铝硅酸盐，而不会产生与提取原始粘土相关的二氧化碳排放。

在LC3中使用低品位粘土是可行的，但所得到的压缩强度通常较低，尤其是在粘土替代比例较低时。先前的研究尝试通过化学活化（例如添加石灰）来补偿这一缺陷，但仅获得了有限的强度提升。矿物碳化提供了一种不同的机制。碱性残渣（如再生混凝土细粉RCF或钢渣）的碳化会生成碳酸钙（CaCO₃）和Si–Al凝胶（Zhao等人，2024a，2024b，2025c）。这些Si–Al凝胶由于其非晶态、高比表面积、多孔/缺陷丰富的结构以及丰富的活性表面位点，表现出快速的火山灰反应特性。这些特性促进了它们与波特兰石的反应，并促进了额外的C–(A)–S–H键的形成。这为抵消低品位煅烧粘土的低活性提供了另一种途径：通过碳化作用，可以在原位生成互补的活性铝硅酸盐相。同时，碳化的CaCO₃通常具有更高的比表面积和更丰富的缺陷结构，比传统研磨的石灰石更具反应性，从而补充了LC3中的碳酸盐功能（Zhao等人，2025c，2025d）。因此，碳化诱导的CaCO₃为维持碳铝酸盐的形成提供了额外的途径，部分补偿了低品位粘土的低活性。

因此，本研究探讨了一种通过利用含伊利石的矿渣并结合矿物碳化来制备LC3的方法。该方法评估了IMT和碳化钢渣的热活化对其水化动力学的影响，研究了水化产物和强度的发展，并表征了相关的微观结构演变。

章节摘录

原材料

LC3配方中使用的主体胶凝材料是强度等级为42.5的商用波特兰水泥熟料。商用偏高岭土（MK）作为高活性铝硅酸盐的基准材料。使用磨碎的石灰石粉（LS）作为碳酸盐来源。商用石膏（GYP，CaSO₄·2H₂O）作为硫酸盐来源。含伊利石的矿渣（IMT）来自金矿加工流程；接收到的残渣经过烘干处理，

图2a显示了IMT和CIMT的XRD图谱。IMT主要由伊利石、白云母、石英和黄铁矿组成，其中石英的衍射峰最强。煅烧后，伊利石的衍射峰明显减弱，表明伊利石相发生了结构分解。没有观察到新的晶体相，表明煅烧主要降低了粘土矿物的结晶度，而没有显著改变整体相组成。

结果一致表明，用CIMT替代MK削弱了控制LC3胶凝材料水化的基本熟料–石灰石–氧化铝协同效应。与MK相比，CIMT在早期水化和后期水化产物的形成方面表现较差，表现为累积热量释放较低、结合水含量减少、碳铝酸盐相的形成较弱，以及CIMT富集体系的机械性能较差。

结论

本研究基于使用含伊利石的矿渣（CIMT）和机械碳化钢渣（CS）的结合，探索了一种低碳LC3的设计路线。根据实验结果，可以得出以下结论：

(1)

CIMT通过使水化过程更加受扩散控制，削弱了LC3的水化动力学，表现为晶体生长指数n从参考组的1.83增加到C30的2.26。引入CS后，这一动力学限制得到了部分缓解，

霍玉明：方法学、验证、撰写——初稿。胡海勇：正式分析、实验研究。姜玉龙：正式分析、实验研究。朱德富：正式分析、实验研究。徐泽坤：资源获取、监督。

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：52574158）、山西省基础研究计划青年项目（项目编号：202103021223073）、山西省重点研发计划（项目编号：202202090301011）以及深部煤炭资源开采重点实验室开放研究基金（项目编号：KLDCRM202206）的财政支持。