石灰石煅烧粘土水泥（LC3）：低碳建筑材料的未来

石灰石煅烧粘土水泥 (LC3) 粘合剂利用这两种广泛可用的资源（即煅烧粘土和石灰石）及其与熟料化合物的相互作用，产生协同粘合剂组合。

EPFL（瑞士）、UCLV（古巴）、印度理工学院德里、孟买和马德拉斯分校（印度）等一流大学与一家名为 Development Alternatives 的印度非政府组织合作开展了一项重大国际合作项目，对石灰石煅烧粘土水泥 (LC3) 进行了系统的科学研究，为此类低熟料粘合剂的开发做出了巨大贡献。石灰石-煅烧粘土 (LC2) 混合物的组合也可用作高性能混凝土应用的火山灰外加剂。

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我是Yuvraj，一名建筑技术与施工管理专业的博士生。今天，我将简要介绍石灰石煅烧粘土水泥（LC3），这是一种新的复合水泥材料，正在全球范围内进行研究。与我们在课程中听到的矿物掺合料讲座相一致，我还将讨论石灰石和煅烧粘土的组合如何作为理想的掺合料。

目前，大家可能已经知道，波特兰火山灰水泥是由熟料和粉煤灰组成的，主要使用一些补充材料如粉煤灰和矿渣来制造混合水泥。常见的水泥成分包括约25%至35%的粉煤灰和石膏。当我们看LC3时，其成分包括熟料、煅烧粘土和石灰石。与传统的通过燃烧石灰石来生产熟料不同，LC3直接将石灰石添加到水泥中，从而更好地利用材料，减少碳排放。

LC3是一种三元混合水泥，通过部分替代熟料来实现其特性。与单纯使用一种材料替代熟料不同，LC3使用煅烧粘土和石灰石的组合，形成一种独特的矿物掺合料。这种组合具有许多独特的优势，例如更好地填充水泥颗粒之间的空隙，提高水泥的反应性和性能。

当你从普通波特兰水泥转向添加矿物掺合料的系统时，掺合料会与氢氧化钙反应，形成更多的水化产物，从而提高水泥的性能。特别是，当你用石灰石替代部分熟料时，会形成稳定的水化产物，减少孔隙率，提高强度和耐久性。

总之，LC3通过结合熟料、煅烧粘土和石灰石，形成了一种具有优异性能的三元混合水泥。这种水泥不仅环保，还能显著提高建筑材料的性能，是未来建筑材料发展的重要方向。

因此，你需要更快地填充空间，这样你就会加速熟料的稳定化，并增加覆盖层的形成。因此，当你有石灰石和煅烧粘土的组合时，会有五种不同的反应同时发生。

基本反应机制

让我们来看一下基本反应。这是一个水泥水化相的三元相图，而不是元素图。你有钙，这意味着你可以有氢氧化钙或石灰石；纯硅可以是硅胶、硅灰；然后你有常规的矿物掺合料，可以是天然火山灰、粉煤灰、偏高岭土。水化产物通常在这个区域内。

当你考虑火山灰反应时，发生的情况是因为你向波特兰水泥中添加了更多的硅，这些硅会减少成分中的钙含量。矿物掺合料中的铝和硅会与氢氧化钙反应，形成CASH或CSH。因为一些矿物掺合料（例如偏高岭土或矿渣）可以含有铝，所以当你有铝时，硅和铝都会反应，形成CASH。

当你有石灰石时，情况是这样的：你在这个区域添加一些东西，这些东西与来自粘土的铝反应，最终形成一个水化产物，其化学成分在这个区域内，称为AFM相，即碳酸钙铝酸盐相。这些相含有一些钙铝酸盐、碳酸钙和水。

有趣的是，根据你选择使用的矿物掺合料的种类，例如在LC3中使用粉煤灰或煅烧粘土，CSH的形成速率是不同的。例如，粉煤灰溶解得很慢，像豆腐一样，属性发展得也很慢。而煅烧粘土则反应更快，所以在LC3中，反应发生得更快。

接下来，我将讨论石灰石煅烧粘土水泥中的不同成分。首先是粘土。大多数人都知道，粘土有不同的类型，如高岭土、蒙脱石等。我给出了不同粘土结构的示意图。高岭土是一种1:1的粘土，其他类型的粘土是2:1或3:1的粘土。1:1的粘土表示你有等量的铝和硅。例如，在这个晶体结构图中，你有硅酸盐层和铝氧化物层。当你有一层硅酸盐层和一层铝氧化物层时，表示你有等量的硅和铝。其他类型的粘土，如伊利石和蒙脱石，有一个铝氧化物层连接两个硅酸盐层。此外，还有钾离子或钙离子桥接硅酸盐层。

为了使粘土在水泥中反应，你需要对其进行热处理。热处理意味着你将粘土放入炉中，加热到约600摄氏度。当你加热时，这些层会破裂，形成无定形结构。通过X射线衍射技术可以看到这一点。

黑线表示原始粘土，你可以看到一些峰值，标记为K，这些是高岭土的峰值。当你加热到800摄氏度时，这些峰值消失，表示晶体结构被破坏，形成无定形结构。这种无定形结构可以在水泥中反应。

高岭土在600摄氏度左右分解，但在大规模生产中，通常需要加热到800摄氏度，以确保粘土均匀分解。你不希望粘土中有未分解的晶体相，因为它们会吸收水分。

此外，还有一些标记为Q的相，这些是石英，是硅的晶体形式，不会反应。石英相在原始粘土和处理后的粘土中都会存在。我们主要关注的是煅烧高岭土，它能提供等量的硅和铝。

通过显微镜观察粘土时，可以看到不同的相。我们使用元素分析实验对不同元素进行颜色编码。你可以看到主要元素有铝、钙、铁、硅和钛。亮绿色斑点表示硅，这些是石英相，不会反应。铁的亮点表示粘土中含有铁。一般来说，LC3中使用的粘土呈红色，这主要是因为其中含有铁。

这种红色调来自粘土中的铁杂质。另一个重要特性是，我们可以在水泥系统中使用这种带有红色调的粘土，因为我们不太在意水泥的颜色。如果这些杂质不用于水泥，它们也不会被其他主要行业使用。例如，粘土也用于油漆、陶瓷等产品中，这些行业需要纯净的粘土，无法处理这些铁杂质。而这些铁杂质在煅烧粘土中不会反应，所以我们不需要担心。

主要关注点是研究这些反应相的含量。在显微镜图像中，你可以看到这些塑性相，而不是晶体相，这些相会与水泥反应。你可以清楚地看到，粘土中有更多的这些相，而不是铁或硅酸盐的晶体相。

高岭土、伊利石和蒙脱石的作用

在这张幻灯片中，我展示了用不同类型粘土制成的水泥砂浆的抗压强度演变。这些是普通波特兰水泥的强度发展，你可以看到从一天到九十天的强度上升。当你用惰性材料替代水泥时，强度会降低，因为你用不反应的材料替代了水泥。

当你添加在600摄氏度处理过的高岭土时，你可以看到从七天开始，强度上升到与普通波特兰水泥相似的范围，这表明高岭土在反应，减少孔隙率，从而提高强度。而伊利石或蒙脱石粘土的强度发展几乎与填料相似，即使经过热处理，它们也不会像高岭土那样反应活跃。

这表明，当你想使用煅烧粘土时，应该选择高岭土形式的粘土用于石灰石煅烧粘土水泥。这是因为高岭土的晶体结构更容易去除桥接的氢氧根离子，而伊利石和蒙脱石中的阳离子会增加粘土的稳定性，防止其反应。

在石灰石煅烧粘土组合中，我们知道高岭土会反应，接下来要了解的是应该使用哪种形式的高岭土或粘土的纯度。在这张图表中，我展示了高岭土含量与强度的关系。在不同年龄段，粘土含量越高，强度越高。

例如，当你选择只有40%至50%纯度的粘土时，它可以产生与普通波特兰水泥相似的强度，这表明你不必使用高纯度的粘土。使用不太纯的粘土仍然可以获得类似的强度。此外，当你使用纯度超过50%的粘土时，强度不会在后期显著增加。

目前，石灰石煅烧粘土水泥的组合已经优化，推荐使用含有40%至60%高岭土的粘土，这些不纯的粘土可以产生与普通波特兰水泥相似的性能。

石灰石的作用

石灰石主要成分是碳酸钙，是地壳中最广泛存在的材料之一，占地壳的约4%。它可以以不同形式存在，例如白垩、石灰石、大理石等，都是由贝壳沉积形成的。甚至在造纸过程中产生的纸浆也含有碳酸钙。

由于石灰石在全球广泛存在，使用石灰石作为水泥的成分非常有吸引力。相比之下，粉煤灰需要从一个地区运输到水泥厂，而石灰石可以就地取材，减少运输成本和碳排放。

你可以通过直接在水泥中使用石灰石来创造机会，因为石灰石在水泥厂附近就有。你所需要做的就是将石灰石磨碎，然后直接用于水泥中。水泥厂已经具备使用石灰石的设施，因为他们一直在使用石灰石，通过燃烧它来生产水泥。因此，只需直接使用石灰石，将其磨碎并用于水泥中。

那么，石灰石在水泥中起什么作用呢？例如，这里有一张透射电子显微镜图像，这是扫描电子显微镜的高级版本。你可以看到这里的比例尺是500纳米，我们正在观察纳米级的反应。你看到的两个黑色区域是C3S颗粒。当你与水混合时，显然你的熟料颗粒会产生CSH，这大约在这个区域。值得注意的是，当你有石灰石时，由于它含有钙，钙的表面会成为CSH成核的区域。因此，在你的石灰石表面上会开始沉淀CSH，类似于C3S颗粒，石灰石也会在其表面形成CSH。

这导致了沿毛细管区域的均匀成核。例如，在颗粒间区域，如果只有水泥颗粒在反应，你会看到CSH从这里形成并桥接区域。现在，CSH也在石灰石上局部沉淀，这个区域会更快地变得富集。这是石灰石受到广泛关注的一个主要原因，还有其他化学效应。

石灰石的作用：物理和化学效应

石灰石在水泥水化系统中有两个主要作用，一个是物理效应，另一个是化学效应。在物理效应方面，主要有三个组成部分：稀释作用、剪切作用和减少颗粒间空间。

稀释作用是指你用不太活跃的石灰石替代熟料，这意味着你的水化产物的量会减少，因为石灰石不像熟料那样反应。剪切作用是指当你混合水泥时，石灰石颗粒会剪切并在熟料颗粒上创造很多反应位点，使反应更快发生。减少颗粒间空间是指石灰石比熟料更软，因此在研磨过程中，石灰石会被磨得更细，可以更好地填充在熟料颗粒之间，从而改善填充效果，减少孔隙空间。

在化学效应方面，当你解离石灰石时，会产生钙离子和碳酸根离子。钙离子会在方解石表面上成核CSH，从而加速C3S的反应。碳酸根离子会稳定钙矾石，并与粘土中的铝反应，形成水化相。此外，碳酸根离子还会吸附在CSH表面，使其结构更加不规则，能够结合更多的额外离子。

石灰石的相互作用

这是一个热流图，黑线对应于普通波特兰水泥（OPC）。当水泥反应时，会发生放热反应，所以会释放热量。当你只使用OPC时，这是热释放曲线。最初，很多水泥在反应，后来只有少量反应，大约50%到60%的反应发生在前两天。当你用30%或45%的粉煤灰替代时，热释放曲线会相应减少，因为粉煤灰只能在7天或14天后反应，甚至在某些情况下28天后才反应。

有趣的是，当你添加石灰石时，例如在30%的粉煤灰中添加10%的石灰石，热释放率会向右移动，这表明成核效应。由于成核效应，熟料的反应加速，热释放率增加，这意味着你加快了凝结过程，提高了早期的反应速度。

使用石灰石和煅烧粘土的组合可以提高早期的性能，即使是15%的石灰石也能显著改变反应曲线。而单纯增加粉煤灰含量不会改变反应曲线。

煅烧粘土-石灰石比例的影响

这里展示了石灰石和煅烧粘土组合的强度发展。黑线表示普通波特兰水泥的强度，灰色部分表示30%煅烧粘土的强度。当你增加煅烧粘土和石灰石的组合时，在早期强度方面，你可以看到在大约15%的石灰石含量时，强度与仅使用煅烧粘土的系统相似。更有趣的是，在后期强度方面，例如180天的长期强度，对于30%的煅烧粘土，当你仅增加煅烧粘土时，强度会降低，因为你已经消耗了所有存在的氢氧化钙，这会使反应停滞。

当你在42%的煅烧粘土混合物中用石灰石替代部分煅烧粘土时，由于石灰石不需要氢氧化钙来反应，它会带来其他好处，可以提高强度，使其与普通波特兰水泥（OPC）相似，甚至等同于30%的煅烧粘土系统。

通过这种组合，我们能够交换这些好处。为什么会这样呢？如果我们查看相图，当你添加碳酸钙铝酸盐和单硫铝酸盐相的组合时，石灰石带来了碳酸根离子，粘土带来了铝酸根离子。x轴表示碳酸根离子与铝酸根离子的比例增加。当你有更多的碳酸根离子时，会形成碳酸钙铝酸盐相。当比例增加时，会形成单硫铝酸盐相。

由于这些相的密度较低，它们在固体体积方面有一个局部最大值，而在孔隙率方面有一个局部最小值。当你有一个最佳的碳酸根离子与铝酸根离子的组合时，你会有更高的固体体积，这会在你的基质中产生最小的孔隙率。当你有最小的孔隙率时，你显然会有更高的强度和耐久性。

这就是为什么在石灰石煅烧粘土水泥中使用这种组合的科学依据。它有一个非常强的科学基础，解释了这种化学反应组合如何有助于性能。

抗压强度演变：OPC、PPC和LC3

现在我们知道了反应机制和科学基础，让我们来看一些实际数据，看看在制作混凝土时是否会有类似的效果。我们在实验室中进行了不同类型的混凝土试验。由于三种成分之间的协同作用，普通波特兰水泥（OPC）和LC3的强度发展几乎相似，甚至在某些情况下更高，而粉煤灰水泥的强度上升较慢，最终达到相似的水平。

更高的强度发展速度意味着你可以减少混凝土的养护时间。在施工中，采用混合水泥需要更长的养护时间，而在施工现场很难做到这一点。使用优化组合的LC3粘结剂，可以获得与OPC类似的强度发展，这是一个主要的优势。

耐久性指标 - 氯离子侵蚀和腐蚀

当你有氯离子侵蚀时，氯离子会进入混凝土并到达钢筋表面，导致腐蚀。使用LC3组合时，氯离子含量与深度的关系表明，氯离子在混凝土中的移动量较少。例如，OPC混凝土中的氯离子含量较高，达到20毫米，而使用粉煤灰时，氯离子含量较少，达到10毫米。在使用煅烧粘土时，氯离子含量仅达到5毫米，这表明在这种组合中，氯离子在混凝土中的移动量较少。

当你暴露在氯离子环境中时，氯离子到达钢筋表面的时间会更长。如果覆盖深度为50毫米，氯离子到达钢筋表面的时间会更长。通过这种曲线，你可以理解氯离子在LC3混凝土中的移动速度比OPC混凝土低十倍。

我们在早期阶段进行了多次反应，所以养护是否会成为问题？这里我展示了氯离子迁移系数与养护时间的关系，这意味着你只养护混凝土三天，然后不再养护；然后养护混凝土七天，不再养护到28天；第三种情况是完全养护混凝土28天，然后进行测试。当你在28天时进行这些测试时，你可以看到，普通波特兰水泥（OPC）的值几乎相同。在粉煤灰中，如果开始养护，效果会更好。与三天相比，七天养护的混凝土在28天时表现更好，28天养护的混凝土表现更好，延长到56天时表现更好。

在LC3组合中，值始终低十倍左右，因为所有反应发生得更快，孔隙率在早期阶段就减少了，无论你是养护三天、七天还是二十八天，氯离子在混凝土中的移动速度都非常慢。这正是我们想要的，当你用混凝土建造桥梁时，你希望这些化学物质在混凝土中的移动量尽可能少，以防止劣化。

通过优化组合，可以获得更低的孔隙率和孔径，从而在早期阶段获得更好的耐久性。这是石灰石煅烧粘土水泥组合的另一个好处，对养护的依赖性较小。

为了让行业适应，我们进行了多项现场研究。在新冠疫情后，大多数人应该会经过化学工程系前面的道路。我们用LC3制作了一部分路面，你可以看到颜色的差异。我们用OPC制作了一部分路面，用LC3制作了一部分路面。经过四年的使用，我们发现两者没有太大差异。

我们还在类似于施工现场的条件下进行了氯离子扩散率测试。我们在混凝土上覆盖麻袋，只养护14天，然后在阳光下暴露。我们发现现场和实验室的结果有差异。

另一个现场演示是在莱赫的一个军队场地，这是为军用卡车休息而建的路面，使用了M35级混凝土。我们计划在冬季循环后回去检查使用LC3水泥或混凝土的路面是否完好。

为了让新水泥在行业中被接受，我们进行了大量研究。在IIT Madras的实验室中，我们还研究了碳化、硫酸盐侵蚀、钢筋腐蚀、蠕变和收缩等问题，以及新组合的可操作性和地质特性。

最后，我想总结一下，你可以在这个网站链接中阅读更多关于LC3项目的信息。IIT Madras的教授在YouTube上也有相关讲座，其他参考资料也介绍了LC3的基本情况。

如果你有任何问题，我很乐意回答，谢谢。