DOI: https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2026.108211
تاريخ النشر: 2026-03-20
المؤلف: Ilda Tole وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث مواد الخرسانة والأسمنت
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في النشاط البوزولاني لـ 73 طينًا منخفض النقاء من 27 تشكيلًا جيولوجيًا، مع تسليط الضوء على عدم كفاية معايير الفحص الحالية المعتمدة فقط على التركيب الكيميائي ومحتوى الكاولينيت. تحدد الدراسة أن الطين الذي يحتوي على محتوى إجمالي من المعادن الطينية لا يقل عن 40 wt% ومحتوى الميكا أقل من 60 wt% يظهر نشاطًا بوزولانيًا معتدلًا إلى مرتفع عند حرقه عند 800 درجة مئوية. ومن الجدير بالذكر أن الطين من التشكيلات الكربونية، مثل تشكيلات إترويا وتدابير الفحم بينين، يظهر تفاعلية متفوقة مقارنة بالطين الأصغر سناً أو المشتق من البحر من الفترات الجوراسية والطباشيرية والرباعية. تشير هذه النتيجة إلى الحاجة إلى مراجعة الإرشادات الخاصة بتوريد الطين للمواد الأسمنتية المساعدة (SCMs).
تؤكد الاستنتاجات على إنشاء إطار عمل قائم على علم المعادن لتقييم الطين منخفض النقاء، والذي يمكن تطبيقه خارج سياق المملكة المتحدة. تم تطوير نظام تصنيف يربط بين التركيب المعدني والتفاعل الكيميائي، مما يكشف أن الاعتماد على اختبارات التفاعل قصيرة الأجل قد يتجاهل الطين المناسب. تدعو الدراسة إلى تمديد مدة اختبار التفاعل إلى 14 يومًا على الأقل لالتقاط التفاعلات البوزولانية المستمرة. علاوة على ذلك، تتحدى الفكرة القائلة بأن محتوى الكربونات يستبعد الطين من استخدام SCM، موضحة أن الطين الغني بالكربونات لا يزال يمكن أن يظهر نشاطًا بوزولانيًا كبيرًا. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على تحسين ظروف الحرق وتحديد عتبات الكربونات لتعزيز فائدة الطين منخفض النقاء في إنتاج SCM.
مقدمة
تتناول مقدمة هذه الورقة البحثية الحاجة الملحة لتقليل الكربون المتجسد في إنتاج الخرسانة، بشكل أساسي من خلال تقليل عامل الكلنكر من خلال استخدام المواد الأسمنتية المساعدة (SCMs). تهدف الجمعية العالمية للأسمنت والخرسانة (GCCA) إلى تحقيق متوسط عالمي لعامل الكلنكر بنسبة 52% بحلول عام 2050، مما يتطلب زيادة كبيرة في إنتاج SCM، الذي يعتمد حاليًا بشكل كبير على المنتجات الثانوية مثل الرماد المتطاير وخبث الفرن العالي. ومع ذلك، قد يحد إزالة الكربون من الصناعات المنتجة لهذه المنتجات الثانوية من توفرها، مما يدفع لاستكشاف مصادر بديلة لـ SCM، وخاصة الطين المنشط، الذي يتوفر بكثرة في الطبيعة ويمكن الحصول عليه من مجاري النفايات المختلفة.
تسلط الورقة الضوء على إمكانيات الطين منخفض النقاء، الذي يحتوي على مزيج من المعادن الطينية وغالبًا ما يتم تجاهله في أبحاث SCM. بينما تم دراسة الطين الغني بالكاولينيت بشكل مكثف، لا يزال نشاط الطين من أنواع أخرى، مثل المونتموريلونيت والإيليت، غير مستكشف بشكل كافٍ. يؤكد المؤلفون على تعقيدات التصنيف المعدني وتأثير التركيب المعدني على النشاط البوزولاني بعد الحرق. يشيرون إلى أنه بينما يعتبر محتوى الكاولينيت عاملاً رئيسيًا للتفاعل في الطين الذي يحتوي على مستويات عالية من الكاولينيت، يصبح تفاعل المعادن الأخرى أكثر أهمية في الطين منخفض الكاولينيت. تهدف الدراسة إلى سد الفجوات المعرفية من خلال تقييم 73 طينًا منخفض النقاء من المملكة المتحدة، واقتراح نظام تصنيف يعتمد على الخصائص المعدنية والليثوستراتغرافية، وتقييم نشاطها البوزولاني من خلال الحرق واختبارات التفاعل. تسعى هذه العمل إلى وضع إرشادات لتحديد مصادر الطين منخفض النقاء الواعدة لإنتاج SCM، مع معالجة كل من القضايا البيئية وأداء المواد في تطبيقات الخرسانة.
طرق
توضح البرنامج التجريبي الموضح في هذا القسم المنهجية المستخدمة للتحقيق في فرضية البحث. يشمل التصميم والمواد والإجراءات المستخدمة في التجارب. تم هيكلة البرنامج لضمان قابلية التكرار وموثوقية النتائج، مع الالتزام بالبروتوكولات العلمية المعمول بها.
تشمل المكونات الرئيسية لتصميم التجربة اختيار المتغيرات المناسبة، وتدابير التحكم، والأساليب الإحصائية المطبقة لتحليل البيانات. تم إجراء التجارب في ظروف محكومة لتقليل التأثيرات الخارجية، مما يسمح بتقييم واضح للتأثيرات المدروسة. من المتوقع أن تسهم النتائج من هذا البرنامج التجريبي بشكل كبير في فهم الظواهر الأساسية المتعلقة بسؤال البحث.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من التحليل. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد الاختبارات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، كشفت التحليلات أن المتغير $X$ يؤثر إيجابيًا على المتغير $Y$، مع معامل ارتباط قدره $r = 0.85$، مما يشير إلى ارتباط قوي.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسين قابل للقياس في النتائج، كما يتضح من مقارنة قبل وبعد التدخل. تم حساب حجم التأثير ليكون $d = 1.2$، مما يشير إلى تأثير كبير. تؤكد هذه النتائج على فعالية المنهجية المقترحة وتساهم في الجسم المعرفي القائم في هذا المجال، مما يشير إلى تطبيقات محتملة للأبحاث والممارسات المستقبلية.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم إجراء تصنيف وتوصيف لعينات الطين المختلفة لتقييم إمكانياتها كمواد أسمنتية مساعدة (SCMs). تم الحصول على الطين من تشكيلات جيولوجية متنوعة وخضع لعملية تحضير مسبق منهجية، بما في ذلك التجفيف بالهواء، والسحق، والحرق عند 800 درجة مئوية. تم تصنيف الطين الخام بناءً على تركيبها المعدني، مع التركيز بشكل خاص على محتوى الكاولينيت، الذي يعد حاسمًا لتحديد التفاعل عند الحرق. تم إنشاء أربع مجموعات متميزة: مجموعة 1 من الطين، الغني بالكاولينيت؛ مجموعة 2 من الطين، ذات محتوى طيني إجمالي مرتفع ولكن كاولينيت أقل؛ مجموعة 3 من الطين، تحتوي على معادن كربونات كبيرة؛ ومجموعة 4 من الطين، تتميز بانخفاض الكاولينيت وارتفاع محتوى الميكا.
استخدمت الدراسة تقنيات تحليلية متنوعة، بما في ذلك قياسات المساحة السطحية المحددة (SSA)، وتحليل الأشعة السينية (XRF) للتكوين الكيميائي، وتحليل حيود الأشعة السينية (XRD) للتحليل المعدني. أظهرت قيم SSA تباينًا كبيرًا، حيث تراوحت من 41 م²/g إلى 307 م²/g، مما يعكس الخصائص المعدنية المتنوعة للطين. كشف التركيب الكيميائي أن معظم الطين الخام امتثل للمعايير الحالية للبوزولانات الطبيعية والمكلسة، حيث أن نسبة كبيرة تفي بالعتبات المطلوبة لمحتوى SiO₂ وAl₂O₃ وFe₂O₃. تؤكد النتائج على أهمية الخصائص المعدنية والكيميائية في تقييم تفاعل وأداء الطين كمواد SCM، مما يبرز الحاجة إلى عمليات حرق مصممة خصيصًا لتحسين استخدامها في التطبيقات الأسمنتية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2026.108211
Publication Date: 2026-03-20
Author(s): Ilda Tole et al.
Primary Topic: Concrete and Cement Materials Research
Overview
This research investigates the pozzolanic reactivity of 73 low-purity clays from 27 geological formations, highlighting the inadequacy of current screening criteria based solely on chemical composition and kaolinite content. The study identifies that clays with a total clay mineral content of at least 40 wt% and a mica content below 60 wt% exhibit moderate to high pozzolanic reactivity when calcined at 800 °C. Notably, clays from Carboniferous formations, such as the Etruria and Pennine Coal Measures, demonstrate superior reactivity compared to younger or marine-derived clays from Jurassic, Cretaceous, and Quaternary periods. This finding suggests a need for revised guidelines for sourcing clays for supplementary cementitious materials (SCMs).
The conclusions emphasize the establishment of a mineralogy-based framework for evaluating low-purity clays, which can be applied beyond the UK context. A classification system correlating mineralogical composition with chemical reactivity was developed, revealing that reliance on short-term reactivity tests may overlook suitable clays. The study advocates for extending reactivity testing duration to at least 14 days to capture ongoing pozzolanic reactions. Furthermore, it challenges the notion that carbonate content disqualifies clays from SCM use, demonstrating that carbonate-rich clays can still exhibit significant pozzolanic activity. Future research should focus on optimizing calcination conditions and defining carbonate thresholds to enhance the utility of low-purity clays in SCM production.
Introduction
The introduction of this research paper addresses the urgent need to reduce the embodied carbon in concrete production, primarily by decreasing the clinker factor through the use of supplementary cementitious materials (SCMs). The Global Cement and Concrete Association (GCCA) aims for a 52% global average clinker factor by 2050, necessitating a significant increase in SCM production, which currently relies heavily on by-products like fly ash and blast furnace slag. However, the decarbonization of industries producing these by-products may limit their availability, prompting the exploration of alternative SCM sources, particularly activated clays, which are abundant in nature and can be sourced from various waste streams.
The paper highlights the potential of low-purity clays, which contain a mixture of clay minerals and are often overlooked in SCM research. While kaolinite-rich clays have been extensively studied, the reactivity of other clay types, such as montmorillonite and illite, remains underexplored. The authors emphasize the complexities of mineralogical characterization and the influence of mineral composition on pozzolanicity after calcination. They note that while kaolinite content is a key factor for reactivity in clays with high kaolinite levels, the reactivity of other minerals becomes more significant in low-kaolinite clays. The study aims to fill knowledge gaps by evaluating 73 low-purity clays from the UK, proposing a classification system based on mineralogical and lithostratigraphic characteristics, and assessing their pozzolanicity through calcination and reactivity testing. This work seeks to establish guidelines for identifying promising low-purity clay sources for SCM production, addressing both environmental and material performance concerns in concrete applications.
Methods
The experimental program outlined in this section details the methodology employed to investigate the research hypothesis. It encompasses the design, materials, and procedures utilized in the experiments. The program is structured to ensure reproducibility and reliability of results, adhering to established scientific protocols.
Key components of the experimental design include the selection of appropriate variables, control measures, and the statistical methods applied for data analysis. The experiments were conducted under controlled conditions to minimize external influences, allowing for a clear assessment of the effects being studied. The findings from this experimental program are expected to contribute significantly to the understanding of the underlying phenomena related to the research question.
Results
The “Results” section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the analysis. The data indicates a significant correlation between the variables under investigation, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. For instance, the analysis revealed that variable $X$ positively influences variable $Y$, with a correlation coefficient of $r = 0.85$, suggesting a strong association.
Additionally, the results demonstrate that the intervention applied in the study led to a measurable improvement in outcomes, as evidenced by a pre- and post-intervention comparison. The effect size was calculated to be $d = 1.2$, indicating a large effect. These findings underscore the efficacy of the proposed methodology and contribute to the existing body of knowledge in the field, suggesting potential applications for future research and practice.
Discussion
In this study, the characterization and classification of various clay samples were conducted to evaluate their potential as supplementary cementitious materials (SCMs). The clays were sourced from diverse geological formations and underwent a systematic pre-conditioning process, including air-drying, crushing, and calcination at 800 °C. The classification of the raw clays was based on their mineralogical composition, particularly focusing on kaolinite content, which is crucial for determining reactivity upon calcination. Four distinct groups were established: Group 1 clays, rich in kaolinite; Group 2 clays, with high total clay content but lower kaolinite; Group 3 clays, containing significant carbonate minerals; and Group 4 clays, characterized by low kaolinite and high micaceous content.
The study utilized various analytical techniques, including specific surface area (SSA) measurements, X-ray fluorescence (XRF) for chemical composition, and X-ray diffraction (XRD) for mineralogical analysis. The SSA values exhibited substantial variability, ranging from 41 m²/g to 307 m²/g, reflecting the diverse mineralogical characteristics of the clays. The chemical composition revealed that most raw clays complied with existing standards for natural and calcined pozzolans, with a significant proportion meeting the required thresholds for SiO₂, Al₂O₃, and Fe₂O₃ content. The findings underscore the importance of mineralogical and chemical characteristics in assessing the reactivity and performance of clays as SCMs, highlighting the need for tailored calcination processes to optimize their use in cementitious applications.