LC3-type multicomponent Portland Cement binders incorporating calcined clays, red mud, and ornamental stone waste: rheological, mechanical, and eco-efficiency performance

Abstract

This study presents the development of a new LC3-type cement (Limestone Calcined Clay Cement) incorporating industrial residues to reduce environmental impacts and adjust the rheological behavior of the binder to resemble conventional Portland cement, enabling potential commercial application. Three conventional clays from Ijaci, Brazil (IC – Ijaci Clay), as well as red mud (RM) and ornamental stone waste (OSW), were investigated as components in LC3 systems. The materials were evaluated considering rheological behavior, mechanical strength, and pozzolanic reactivity, and the most suitable ones were selected for a compositional optimization study. The optimization was conducted using multivariate statistical analysis considering clay type, filler type, clay/filler ratio, and the interaction between RM and conventional calcined clay fractions. Response surface methodology and regression models were used to evaluate their effects on rheology and mechanical performance. Results showed that the clay fraction predominantly controls the rheological behavior of LC3 mixtures, while compressive strength is mainly governed by total clay content due to the pozzolanic contribution of calcined clay. Although red mud improved some rheological aspects, its incorporation reduced mechanical strength under the conditions evaluated. The optimal formulation was obtained using calcined clay from Ijaci (IC) combined with ornamental stone waste (OSW) as filler. In this system, the pozzolanic reactivity of IC ensured adequate mechanical strength, while OSW improved the rheological behavior of the mixtures. These results demonstrate the feasibility of producing LC3-type binders incorporating ornamental stone waste while maintaining mechanical performance compatible with structural cement and rheological behavior closer to conventional Portland cement, contributing to the development of cementitious materials with lower environmental impact.Este estudo apresenta o desenvolvimento de um novo cimento do tipo LC3 (Limestone Calcined Clay Cement), incorporando resíduos industriais com o objetivo de reduzir impactos ambientais e ajustar o comportamento reológico do ligante para se aproximar do cimento Portland convencional, possibilitando potencial aplicação comercial. Três argilas convencionais provenientes de Ijaci, Brasil (IC – Ijaci Clay), bem como lama vermelha (RM) e resíduo de rocha ornamental (OSW), foram investigados como componentes em sistemas LC3. Os materiais foram avaliados considerando comportamento reológico, resistência mecânica e reatividade pozolânica, sendo os mais adequados selecionados para um estudo de otimização composicional. A otimização foi conduzida por meio de análise estatística multivariada considerando tipo de argila, tipo de fíler, relação argila/fíler e a interação entre RM e as frações de argila calcinada convencional. Metodologia de superfície de resposta e modelos de regressão foram utilizados para avaliar seus efeitos sobre a reologia e o desempenho mecânico. Os resultados mostraram que a fração de argila controla predominantemente o comportamento reológico das misturas LC3, enquanto a resistência à compressão é governada principalmente pelo teor total de argila devido à contribuição pozolânica da argila calcinada. Embora a lama vermelha tenha melhorado alguns aspectos reológicos, sua incorporação reduziu a resistência mecânica nas condições avaliadas. A formulação ótima foi obtida utilizando argila calcinada de Ijaci (IC) combinada com resíduo de rocha ornamental (OSW) como fíler. Nesse sistema, a reatividade pozolânica da IC garantiu resistência mecânica adequada, enquanto o OSW melhorou o comportamento reológico das misturas. Esses resultados demonstram a viabilidade de produzir ligantes do tipo LC3 incorporando resíduo de rocha ornamental, mantendo desempenho mecânico compatível com cimento estrutural e comportamento reológico mais próximo ao do cimento Portland convencional, contribuindo para o desenvolvimento de materiais cimentícios com menor impacto ambiental.