赤泥（RM）是氧化鋁精煉過程中產生的高堿性副產品，它同時帶來了環境風險和資源利用的挑戰[1]。全球年產量超過1.8億噸，不當處理會堿化生態系統并浸出重金屬[2]。同時，RM中潛在活性氧化物的豐富性使其在建筑材料中具有價值，包括作為普通波特蘭水泥的部分替代品[3]、[4]、[5]，作為骨料[6]和填充劑[7]。然而，其內在的低火山灰活性和成分不均勻性限制了其直接應用[8]。未活化的RM反應性不足，礦物相變在堿性活化下進一步減少了Si–Al的溶解，促進了微裂紋的形成[9]并抑制了水泥體系的強度發展[10]。
為了提高赤泥（RM）的反應性，常見的活化方法包括熱活化[11]、熱堿活化[12]、[13]和微波處理[14]。這些高溫過程破壞了鋁硅酸鹽中的Si–O和Al–O鍵，使活性指數從0.69提高到0.85（在800°C時），并產生了更致密的結構[15]。熱處理的RM可以活化成高性能的水泥基材料[16]。通過改變材料的相結構和反應性[17]，堿活化砂漿的強度可達到131 MPa[18]。
然而，這些熱處理方法能耗高且成本昂貴。相比之下，機械活化提供了一個更清潔、更高效的過程[19]，可以減小顆粒尺寸，增加表面積，并通過高能球磨誘導晶格畸變或非晶化，從而提高化學反應性[20]、[21]。盡管這種技術很有前景，但當RM與其他固體廢物材料結合時，團聚仍然是一個問題，降低了其活化效率。因此，關鍵在于如何將RM與高活性廢物材料結合用于機械活化，以解決團聚問題并提高RM的反應性、效率和性能。
各種工業固體廢物本身具有潛在的凝膠化或輔助凝膠化價值[22]。粒化高爐礦渣（GBFS）是鋼鐵工業的副產品，由于其年產量大和潛在的水硬活性，被廣泛認為是生產綠色水泥基粘合劑的關鍵替代原料。GBFS的玻璃網絡作為機械力傳遞的介質，從而促進了具有增強反應性的復合體系的形成。因此，GBFS被選為RM機械活化系統中的輔助活化劑[23]。然而，在機械活化過程中——特別是對于RM和GBFS這樣的細粉系統——新生成的顆粒具有極高的表面能，容易通過范德華力、氫鍵和其他分子間相互作用相互粘附，導致明顯的團聚。這種團聚體包裹了未反應的核心，顯著降低了研磨效率并增加了非生產性能耗；它們還阻礙了后續的水化過程，最終降低了所得水泥基粘合劑的機械性能和微觀結構。
添加研磨助劑（GA）是一種廣泛使用的策略，以減輕上述問題引起的顆粒團聚。由于它們的極性官能團（例如-OH、-NH、-COOR、-SO），GA可以吸附在顆粒表面[24]、[25]，中和表面電荷，減少顆粒間的靜電吸引，從而抑制團聚并降低能耗[24]、[26]。
常見的GA包括胺類化合物[27]、乙二醇[28]、烷醇胺[29]、新型聚羧酸鹽[30]和木質素[31]。Hallet等人使用仲烷醇胺和叔烷醇胺作為GBFS和水泥的GA，報告稱研磨效率提高了8%[29]。Yan等人研究了基于聚羧酸鹽的減水外加劑作為水泥基體系的潛在GA[32]。三乙醇胺（TEA）改善了堿性氧化鐵礦渣（BOFS）的顆粒尺寸分布和水化特性[33]。Zhou等人證明乙二醇和烷醇胺可以提高水泥熟料的研磨效率[34]。作為化學GA的乙二醇可以增加水泥混合物的早期抗壓強度和磨機產量[35]。磷酸酯聚合物作為GA可以減少水泥基材料的研磨時間[36]。
盡管上述GA在水泥基系統中被廣泛使用，但傳統的化學GA在成本效益[24]、[37]和改善整體系統性能[38]方面存在局限性。高劑量的化學GA可能對水泥漿的流動性產生不利影響[39]。例如，乙醇胺及其衍生物是有效的GA，但可能會影響水泥基系統的整體性能[24]、[37]。雖然基于乙二醇、胺類和聚合物的GA可以提高水泥的強度發展，但它們的成本相對較高[40]。使用未經處理的三乙醇胺（TEA）作為GA可以提高熟料研磨效率，但會降低水泥的后期強度[41]、[42]、[43]。有研究報道高劑量的TEA會延遲波特蘭水泥的水化[44]。Heren等人發現增加乙醇胺濃度會改變水泥的水化過程并延遲凝固[45]。總體而言，使用GA可以提高研磨效率[35]，但通常會惡化水泥混合物的流變性能[46]。
因此，以往的研究試圖通過化學改性來平衡成本和性能。例如，改性三乙醇胺（M-TEA）可以提高研磨效率并加速水化產物的形成，從而產生更均勻和更致密的微觀結構。改性的PCE型研磨助劑比傳統的TEA或標準PCE具有更高的研磨效率、稍長的誘導期和更高的水化程度[32]。這些改性劑還通過改變水化產物的形態和微觀結構來影響水化過程，而不改變其相組成[47]。由有機前體和微量氧化石墨烯組成的復合研磨助劑可以促進高貝利特水泥的水化[48]。此外，改性的三乙醇胺基研磨助劑可以提高熟料研磨效率并減輕強度降低的缺點[49]。
然而，一個根本性的限制是：盡管這些化學添加劑可以減輕團聚，但它們缺乏內在的化學活性，也無法提高機械性能。更重要的是，引入化學研磨助劑可能會帶來額外的環境負擔，這與固體廢物增值的綠色原則相悖。因此，結合研磨輔助和凝膠化活性的綠色替代品已成為混合機械活化系統的首選方案。活性結構研磨助劑不僅可以防止細顆粒團聚并促進更均勻的顆粒尺寸分布[27]、[50]，還可以向水泥基體系提供額外的反應物種，增強機械性能，同時兼具研磨助劑和凝膠化促進劑的雙重作用，從而實現從分散到強化的集成路徑。CG和FA已被證明是良好的研磨介質[19]、[51]。
基于上述背景，本研究選擇了富含Si和Al的固體廢物——廢玻璃粉（GP）、粉煤灰（FA）和煤矸石（CG）作為RM–GBFS系統的活性分散劑。與傳統的惰性分散劑不同，這些基于廢物的材料不僅在物理上抑制顆粒團聚，而且在機械活化后還能溶解并參與水化反應。經過復合酸蝕預處理后，研究了抗團聚效果的時間演變，并將其與硬化漿體的宏觀機械性能相關聯。通過結合Avrami反應動力學分析、微觀結構表征和分子模擬，闡明了分散–失活途徑。最后，通過定量比較研磨能耗和碳排放量，確定了在研磨效率、工程性能和環境可持續性之間實現最佳平衡的研磨助劑。本研究為廢物衍生研磨助劑的界面化學和動態行為提供了新的見解，建立了微觀機制、宏觀性能和環境效益之間的聯系，并為高性能、低能耗、低碳的水泥基材料提供了理論基礎。
