补充性胶凝材料（SCMs）逐渐被认为是一种技术上可行且有效的策略，可用于减少水泥行业的碳排放。这些材料通常来源于工业副产品，如粉煤灰（FA）、粒化高炉矿渣（GGBS）和钢渣，通过降低熟料使用量和促进废物增值来提高环境可持续性和经济效益[1]，[2]。其中，火法冶金渣（PSs）在高温冶炼过程中产生，并通过水或空气快速冷却，因此引起了越来越多的关注[3]，[4]。由于快速冷却，PSs通常含有硅酸盐玻璃相，赋予其潜在的水硬性或火山灰活性。因此，某些PSs历史上已被用作SCMs。特别是GGBS，由于其可靠的供应性、一致的质量和高反应性而被广泛采用[5]。然而，尽管具有这些优势，GGBS的全球供应量仅占总水泥产量的5-10%，受到炼铁作业的地理集中性和钢铁需求相对于水泥生产增长缓慢的限制[6]。这些限制促使人们增加对替代冶金渣作为可行SCM候选者的研究和实际兴趣。
由于各种PSs的广泛可用性和低加工成本，它们已成为传统SCMs的有希望的区域替代品，在传统SCMs稀缺的地区具有显著提高水泥生产可持续性的潜力。这一机会在中国尤为明显——中国是世界上最大的水泥生产国，也是有色金属和铁合金冶炼的主要中心——每年产生大量冶金渣。其中一些渣因其可观的生产量和有利的化学成分而在水泥中具有潜在适用性。值得注意的例子包括铅锌冶炼渣（LZSS，约32百万吨/年）、铜渣（CS，约17百万吨/年）、硅锰渣（SMS，约14百万吨/年）、铬铁渣（FCS，约8百万吨/年）和不锈钢渣（SS，约3.4百万吨/年）[7]，[8]，[9]，[10]。表1详细总结了它们的来源和生产量。鉴于其规模、经济获取性和区域分布，将PSs作为SCMs利用是一种可行的策略，以满足对低碳水泥基材料日益增长的需求。
材料作为SCMs的有效使用的基本要求是具备足够的反应性[11]。迄今为止，已经初步研究了几种PSs（如CS、SMS和SS）的反应性[12]，[13]。在特定条件下，这些材料表现出潜在的水硬性或火山灰活性（表1），表明它们有可能部分替代水泥[14]，[15]，[16]，[17]，[18]。然而，它们的整体反应性仍然有限，且不同研究中的性能结果差异很大[16]，[17]。更关键的是，目前对PS反应性的理解是零散和不完整的。尽管某些PSs已经进行了初步的反应性评估，但几种高产量的渣（如LZSS和FCS）仍大部分未被探索，它们作为SCMs的可行性尚未完全确定。
除了这些知识不足之外，PSs的实际应用还受到显著的技术和环境挑战的阻碍。从技术角度来看，缺乏明确定义的反应性标准和可靠的性能指标，使得确保水泥系统内行为的一致性变得复杂。这些限制主要源于缺乏评估多种渣类型反应性的系统和标准化框架。基于Adediran等人[2]和Al-Shmaisani等人[23]的研究结果，R3测试似乎是一种解决上述限制的有希望的方法。这种方法提供了高度可重复和稳定的SCM反应性测量结果，他们的研究表明它可以可靠地评估各种传统和非传统SCMs的反应性。从环境角度来看，许多PSs含有微量重金属，在某些条件下可能会渗出，引发对长期环境安全的担忧[7]。例如，含有CS的砂浆在酸性环境中已被证明可能渗出重金属[18]。总体而言，这些技术不确定性和潜在的环境风险突显了进行全面评估的迫切需求，以支持PSs在水泥基应用中的安全和有效整合。
除了基本反应性评估之外，对PSs反应机制的理解还存在重大理论空白，特别是关于启动和控制反应动力学的溶解驱动过程。在波特兰水泥系统中，火山灰SCMs的转化通过三个主要步骤进行：（1）材料的溶解，将硅酸盐和铝酸盐物种释放到孔溶液中；（2）这些溶解物种相互作用形成低Ca/Si比的凝胶，从而降低钙离子浓度至氢氧化钙饱和阈值以下；（3）随后氢氧化钙的溶解以恢复平衡[24]，[25]。其中，溶解过程至关重要，因为它经常决定了整个反应的速率。
尽管如此，对PSs溶解行为的详细研究仍然有限。先前的研究（如Cao等人[26]对电炉铁镍渣的研究和Traynor等人[27]对CS中铁橄榄石的研究）表明，溶解速率受溶液化学和扩散动力学的影响。然而，这些研究主要在碱性激活系统的极端碱性条件下进行，而不是在典型的水泥孔溶液（pH约13）的适度碱性环境中进行，后者更准确地反映了SCMs遇到的反应环境。这种理论理解的空白限制了对PS反应性的机制解释和对实际反应速率的准确评估。推进对PS溶解行为的理解对于识别限速因素、预测和优化性能以及为PSs在可持续水泥应用中的更广泛采用建立理论基础至关重要。
总之，有效利用PSs作为SCMs需要对其内在反应性和环境行为有深入的了解。实现这一目标依赖于基础研究，以阐明其反应机制和浸出特性，从而为其安全、高效和可持续地融入胶凝系统提供坚实的科学基础。
为解决现有的知识空白并促进PSs作为SCMs的实际应用，本研究对其反应性、溶解行为和环境性能进行了系统研究。选择了六种具有SCM应用潜力的代表性PSs，包括两种有色金属冶金渣（LZSS、CS）、两种铁合金冶金渣（SMS、FCS）和一种铁冶金渣（SS）。此外，还包含了锂辉石渣（LS）。尽管LS不经历传统PSs的完全熔融相分离，但其高温处理和在先前研究中表现出的SCM潜力使其值得纳入比较分析[21]，[28]（表1）。
基于确定的研究空白，本研究重点关注四个方面：
(1)所选PSs的基本物理化学性质和相组成的表征；
(2)利用标准化的R3测试协议对其反应性进行系统评估；
(3)在代表水泥孔溶液的条件下阐明其溶解行为和反应动力学；
(4)评估水泥基基质中的重金属浸出行为及相关环境风险。
通过将全面的反应性评估与通过引入的收缩核模型解释的溶解动力学相结合，本研究建立了理解PSs作为SCMs的反应性和溶解行为的连贯框架。这种方法为PS溶解动力学提供了新的机制解释，这是先前PS研究中较少关注的一个方面。通过这一全面的研究框架，本研究为评估PSs作为SCMs的适用性提供了科学基础，并为其在胶凝系统中的安全和可持续应用提供了理论和技术指导。
