减少与传统建筑材料相关的二氧化碳排放的需求促使人们加大了对替代粘合剂的研究，这些替代粘合剂旨在降低与传统波特兰水泥相关的环境影响（Coppola等人，2018年）。碱活化材料（AAMs）及其子类——地质聚合物，作为一种有前景的环保建筑材料出现，具有诸如更低的加工温度、减少二氧化碳排放以及能够利用工业副产品或副流的潜在优势（Provis，2018年）。这些材料基于硅铝前体的碱活化，形成具有优异机械和化学性能的非晶到半结晶三维铝硅酸盐网络（Davidovits，2008年）。通过煅烧高岭石获得的 meta-高岭石是最广泛使用且性能最好的AAMs和地质聚合物前体，尽管也有大量研究探索了来自废弃材料的替代前体。然而，高纯度高岭石在全球分布并不均匀，其作为地质聚合物原料的使用受到陶瓷、制药和造纸等其他工业领域的竞争。这些因素导致能源消耗和二氧化碳排放增加，主要与运输有关，同时也限制了高岭石基地质聚合物的大规模和可持续应用。为了克服这些限制，人们越来越关注使用更丰富且成本更低的替代品，如多矿物粘土，包括碳酸盐富粘土（Buchwald等人，2009年；Ferone等人，2013年；Ruiz-Santaquiteria等人，2013年；Seiffarth等人，2013年；Khalifa等人，2020年；Rakhimova，2022年）。这些原材料通常在当地获取且易于获得，有助于降低运输相关成本和排放。然而，这些粘土的化学和矿物学多样性，以及预处理方法的类型和有效性，显著影响了它们作为AAMs前体的反应性和适用性。700°C至900°C之间的热处理仍然是最常用的粘土活化方法。高岭石通常需要约700°C才能达到足够的反应性（Richard等人，2022年）。伊利石-蒙脱石粘土在约750°C下脱氢（Seiffarth等人，2013年），而富含伊利石的粘土则需要更高的温度（850至950°C）。绿泥石在两个阶段脱氢：约500–600°C时形成类似勃朗石的层，在约700–800°C时形成类似滑石的2:1层（Masumoto等人，2018年）。
即使碳酸盐富粘土的粘土矿物含量相对较低，它们也可以作为AAMs生产的可行前体（Rakhimova，2022年）。这主要是由于在700°C以上碳酸钙分解形成CaO，促进了C-A-S-H/(N,C)-A-S-H凝胶的形成（D'Elia等人，2020年；Rakhimova，2022年）。根据D'Elia等人的研究（D'Elia等人，2018年），富含伊利石的碳酸盐富粘土的最佳热活化温度为800°C。然而，热活化能耗较高，在碳酸钙分解过程中会释放大量二氧化碳（约850°C），从而降低了碱活化技术相对于波特兰水泥生产的环境效益，后者约60%的二氧化碳来自石灰石煅烧。此外，对于多矿物粘土材料，最佳活化温度可能因所含粘土矿物的类型和加热过程中发生的再结晶现象而显著不同，这些现象会显著降低前体的反应性。
机械化学活化作为一种有前景的替代方法应运而生。它依靠机械能，通常是高能研磨，来诱导粘土矿物的结构变化（Vdovi?等人，2010年），减小颗粒尺寸，增加表面积并产生缺陷，从而提高反应性而无需高温（Hosseini等人，2021年）。它可以部分或完全使结晶粘土矿物非晶化，提高它们作为AAMs前体的反应性和适用性（Tole等人，2019年）。与热处理方法相比，它所需的能量较少，对环境的影响较小，处理时间也更短（Tole等人，2019年）。
目前，机械化学活化已应用于包括矿物加工、冶金、化学工程、建筑、制药和废物处理在内的多个工业领域（Rescic等人，2011年；Tole等人，2019年）。人们还在进一步研究其在提高各种粘土类型反应性方面的潜力，包括高岭石（Ma?osa等人，2022年；Ma?osa等人，2024年）、伊利石（D'Elia等人，2018年）、白云母、蒙脱石（Pálková等人，2021年）以及多矿物粘土混合物作为辅助胶凝材料（Tole等人，2019年；Seco等人，2025年）。
然而，机械化学活化的效率强烈依赖于研磨时间、强度、能量输入和设备类型（Hosseini等人，2021年）。因此，对其在粘土基系统中引起的物理化学变化的理解仍在发展中，需要进一步研究才能充分发挥其潜力。此外，可扩展性可能仍是一个关键问题。Meng等人（2026年）报告称，机械化学活化的工业规模扩大主要受到设备能力、高电能需求、过程连续性和长期运行可靠性的限制。这些技术和运营障碍目前限制了机械化学活化的大规模应用，相比之下，煅烧是一种技术成熟且完全工业化的过程，尽管其特点是高热能需求和相关的二氧化碳排放。然而，随着节能研磨技术的进步和可再生电力的增加，机械化学活化作为一种可扩展的低碳替代方案具有巨大潜力，特别是对于那些对热活化反应性较差的粘土矿物（Meng等人，2026年）。
迄今为止，只有少数研究将机械活化应用于天然粘土制备AAMs，大多数研究集中在纯高岭石上，而非复杂的天然粘土（MacKenzie等人，2007年）。Rescic等人（2011年）表明，10分钟的行星式研磨可以从富含高岭石的粘土中产生反应性的硅和铝。Hounsi等人（2013年）证明，机械活化和固化可以控制基于高岭石的地质聚合物的强度。Balczár等人（2016年）报告称，机械活化处理的粘土具有更高的强度（56 MPa），而热活化处理的粘土强度为43 MPa，这表明在实验室条件下，热活化和机械活化所需的能量相当，且机械活化通常更具成本效益。Temuujin等人（2009年）观察到机械活化后粉煤灰基地质聚合物的强度增加了80%。高能振动研磨显著提高了伊利石和碳酸盐富粘土的反应性，达到或超过了热活化所达到的水平（D'Elia等人，2018年）。
然而，关于碳酸盐富粘土作为AAMs前体的机械化学活化的全面研究仍然不足，尽管这种方法可以减少与碳酸钙分解相关的二氧化碳排放，可能比热处理更为可持续。
本研究通过探讨伊利石富碳酸盐粘土的机械化学活化，作为一种更可持续的预处理方法来生产碱活化粘合剂（AABs），填补了这一空白。其创新之处在于明确地将研磨参数、结构变化和复杂天然粘土的反应性联系起来，从而在三个方面超越了以往的研究：
- 1.
比较两种研磨方法（行星式球磨和高能振动研磨），以确定多矿物碳酸盐富粘土最有效的预处理策略。
- 2.
对机械化学活化粘土进行全面的多元分析表征（XRPD、TGA/DTG、SEM、NMR），以阐明结构变化及其对反应性的影响，这对于复杂天然粘土来说很少进行。
- 3.
评估研磨对AAB合成和性能的影响，包括反应产物的形成和机械性能，展示了用低碳替代方案替代高温活化的潜力。
通过关注这些方面，本研究推进了对复杂、环境相关的碳酸盐富粘土系统机械化学活化的当前理解，为设计超越了已有研究的纯高岭石系统的可持续AABs提供了实际见解。
