Early reactivity of activated clays - impact on binder design and hydration

Muzenda, Tafadzwa Ronald; Thienel, Karl-Christian; Matschei, Thomas; Snellings, Ruben

doi:45040

Early reactivity of activated clays - impact on binder design and hydration

Muzenda, Tafadzwa Ronald^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Tafadzwa Ronald Muzenda

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Matschei, Thomas (Thesis advisor)^RWTH* ; Thienel, Karl-Christian (Thesis advisor) ; Snellings, Ruben (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-01-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-01389
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1028014/files/1028014.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Baustoffkunde (311110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kaolinite (frei) ; activated clays (frei) ; binder formulation (frei) ; calcined clays (frei) ; compressive strength (frei) ; early reactivity (frei) ; hydration (frei) ; late reactivity (frei) ; mechanical activation (frei) ; rheology (frei) ; smectite (frei) ; sustainable cements (frei) ; thermal activation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Die Verwendung von Zementersatzstoffen (SCMs) ist der am häufigsten verwendete Ansatz zur Reduzierung des CO2-Fußabdrucks der Zement- und Betonindustrie. Ton und Kalkstein sind weltweit in ausreichenden Mengen verfügbar, Dies stellt die Basis der Entwicklung von calcinierten Ton-Kalkstein-Zementen (hier CCLC), welche auch allgemein als LC3 bezeichnet werden. Die Tone sollten vor der Verwendung aktiviert werden. Erfolgt die Aktivierung der Tone mit anderen Methoden als der Calcinierung (thermische Aktivierung), bezeichnen wir das Bindemittel als aktivierten Ton-Kalkstein-Zement (ACLC). Diese Studie konzentriert sich auf kaolinhaltige und smektithaltige Tone. Der Einfluss der physikalisch-chemischen Eigenschaften natürlicher calcinierter Tone (CC) auf die Rheologie und auf die frühe Hydratation der Zemente bildet den Ausgangspunkt dieser Arbeit. Es wurde gezeigt, dass der Gehalt an Metakaolin nicht der wichtigste Faktor für Unterschiede bei den rheologischen Eigenschaften und der Frühfestigkeitsentwicklung ist. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die spezifische Oberfläche (SSA) des calcinierten Tons eine entscheidende Rolle spielt. Es wurde gezeigt, dass Fehlstellen in der ursprünglichen Kaolinitstruktur mit einer schnelleren Lösungskinetik zusammenhängen. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde der Einfluss weiterer physikalisch-chemischer Eigenschaften und des Metakaolin-Gehalts auf die Hydratation von ACLC-50 über einen Zeitraum von zwei Jahren untersucht. Um die frühe Reaktivität von aktivierten Tonen besser charakterisieren zu können, wurde ein Modellsystem mit definierten Sulfatgehalt (SLiM) entwickelt. SLiM besteht aus einem Überschuss an CC, Wasser und Portlandit sowie einer begrenzten Menge an Gips. Es wurde nachgewiesen, dass der SLiM-Test zur Untersuchung physikalisch-chemischer Eigenschaften, einschließlich der Standardbildungsenthalpie von Metakaolin, verwendet werden kann und die Festigkeitsentwicklung von ACLC während der ersten 3 Tage vorhersagen kann. Darüber hinaus bildet er die Grundlage für eine Sulfatoptimierung und ergänzt den R3-Test bei der Bewertung von aktivierten Tonen und anderen aluminiumreichen SCMs. Untersucht wurden der Einfluss mechanischer Aktivierung sowie die Kombination aus mechanischer und thermischer Aktivierung auf die Reaktivität kaolinhaltiger Tone. Die Ergebnisse zeigten verschiedene Mechanismen auf, durch die aktivierte Tone zur Hydratation und mechanischen Leistungsfähigkeit von ACLC beitragen. Zudem wurde der Einfluss von Aktivierungsprotokollen auf die Eigenschaften von aktivierten Tonen untersucht. Es zeigte sich, dass die frühe Reaktivität auf physikalischen Eigenschaften und strukturelle Defekte zurückgeführt werden kann, während die spätere Reaktivität hauptsächlich vom Aktivierungsgrad des Kaolinits abhängt. Dies konnte durch Unterschiede in Portlanditverbrauch und der Hemicarboaluminat-Ausfällung während der ersten Tage erklärt werden. Es wurde gezeigt, dass mechanische und mechanisch-thermische Aktivierung sowie Mahlhilfsmittel die Frühfestigkeit von ACLC auf Smektitbasis um 15 – 59 % verbessern. Dies lag zum Teil daran, dass die mechanische und mechanisch-thermische Aktivierung im Gegensatz zur Calcinierung bei 900°C nicht zu einem signifikanten Verlust an spezifischer Oberfläche führt und die mechanische Aktivierung die anfängliche Auflösungskinetik von smektitischen Tonen beschleunigt, wie anhand des SLiM-Tests gezeigt wurde. Die in dieser Arbeit vorgestellten Erkenntnisse verbessern das Verständnis der Auswirkungen der physikalisch-chemischen Eigenschaften aktivierter natürlicher Tone auf die Verarbeitbarkeit sowie die Entwicklung der Früh- und Spätfestigkeit von Kompositzementen. Es wurde ein Test zur frühen Reaktivität (SLiM-Test) entwickelt, die potentiell breite Anwendung für aluminiumreiche SCMs finden kann. Darüber hinaus wurde das Potenzial der mechanischen Aktivierung und der Kombination aus mechanischer und thermischer Aktivierung als Alternative zur thermischen Aktivierung hervorgehoben.

The readily available approach to cut down carbon footprint from the cement and concrete industry is the use of supplementary cementitious materials (SCMs). Clays and limestone are available globally and this has led to the development of calcined clay limestone cements (CCLC, also widely referred to as LC3). When the clays are activated using methods other than calcination (thermal activation), we refer to the binder as activated clay limestone cement (ACLC). This thesis focuses on kaolinitic clays, and smectitic clays. The impact of the physico-chemical properties of natural calcined clays (CCs) on rheology and early reactivity is the entry point of this thesis. It was shown that metakaolin content was not the main factor leading to differences in rheological properties and early reactivity. In addition, high early reactivity is also observed for some low specific surface area (SSA) CCs, showing the influence of factors other than SSA. High structural disorder of kaolinite was shown to be related to faster early reactivity. In a follow up study, the impact of physico-chemical properties and metakaolin content on the hydration of ACLC was followed up to 2 years. In order to better characterize the early reactivity of activated clays, a sulfate-limited model system (SLiM) test was developed. SLiM consists of an excess of CC and portlandite, and limited gypsum. It was demonstrated that the SLiM test can be used to probe physico-chemical properties, including the standard enthalpy of formation of metakaolin, and can predict mechanical performance and hydration of ACLC up to 3 days. Additionally, it lays the foundation for automated optimal sulfate determination, and it complements the R3 test in the assessment of activated clays or, in general, alumina-rich SCMs. Mechanical activation, and the combination of mechanical and thermal activation were explored. Results highlighted different mechanisms by which activated clays contribute to the hydration and mechanical performance of ACLC, and the influence of activation protocols on the properties of activated clays. Early reactivity was shown to be dependent on physical properties and structural defects, as highlighted by differences in portlandite consumption and hemicarboaluminate precipitation, while late-reactivity mainly depended on activation degree of clay minerals. Mechanical and mechano-thermal activation, as well as grinding aids, were shown to improve the early strength of smectite-based ACLC by 15 - 59 %. This was partly because, unlike calcination at 900 °C, mechanical and mechano-thermal activation does not result in a significant loss in SSA, and mechanical activation increases the initial dissolution of smectitic clays as shown using the SLiM test. Insights presented in this thesis improve understanding of the effect of physico-chemical properties of activated natural clays on workability and, early and late strength development. An early reactivity test (the SLiM test) which has widespread applications for alumina-rich SCMs was developed. In addition, the potential of mechanical activation and combination of mechanical and thermal activation as alternatives to thermal activation was highlighted.

OpenAccess:
PDF
(additional files)