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金矿尾ings机械与热激活处理通过Raman显微镜和XRD分析揭示了相变与活性提升机制，800℃热活化最佳，形成活性相如Anhydrite，但高温烧结导致活性下降。
Saleh Ali Khawaja|Million Tafesse|Hang Zeng|Hee-Jeong Kim
亚利桑那大学土木与建筑工程系
摘要
从理论上讲，由于含有大量的二氧化硅、氧化铝和氧化铁，矿渣满足ASTM C618标准中规定的火山灰材料的化学要求。然而，矿渣中的氧化物相具有高度结晶性，使其成为一种惰性废弃物。本文利用共聚焦拉曼显微镜（CRM）结合定量X射线衍射（Quantitative-XRD）技术，研究了金矿渣（GMT）通过热激活和机械激活过程中的反应相形成及相变。通过改进的强度活性指数测试评估了活化后GMT的反应性提升，并通过热重分析（TGA）和结合水测试进一步验证了其对水化反应的贡献。对改性R3反应性样品的CRM分析结合原位拉曼成像和二维相图显示，水化产物随时间逐渐增长。结果表明，800°C处理后的GMT通过促进相变和新反应相（如无水石膏）的形成增强了其反应性。尽管高温激活增加了非晶含量，但高温下烧结现象更为明显，导致反应性下降。总体而言，本研究确定了最佳的活化条件以提升GMT的反应性。
引言
矿渣是采矿工业中矿物加工后产生的废弃物。[1] 从化学成分来看，由于含有大量的二氧化硅、氧化铝、钙和氧化铁，矿渣符合ASTM C618标准中火山灰材料的定义。火山灰材料可与水分一起消耗水泥水化后产生的副产物氢氧化钙（Ca(OH)2，并形成硅酸钙水合物（CSH）[2]。然而，矿渣中的这些氧化物相具有高度结晶性，使其成为惰性废弃物，因此不具备反应性[3]，这限制了矿渣作为辅助胶凝材料（SCMs）的潜力。鉴于全球矿渣量每年增加50至70亿吨[4]，建筑行业是少数能够大量利用这一资源的行业之一。因此，通过机械、化学或热处理方法（或这些方法的组合）来活化矿渣至关重要。这种方法既能解决矿渣堆积带来的环境问题，也能缓解水泥行业的能源消耗和碳排放问题，为可持续发展铺平道路。
本研究探讨了矿渣作为辅助胶凝材料的利用，重点关注机械和热激活方法，因为这些方法更易于与现有建筑实践结合[6]。不过，化学处理通常采用碱性活化方法，可能会干扰传统的施工流程[5]。目前关于矿渣作为辅助胶凝材料的应用研究较少。Simonsen等人通过比较矿渣与水泥和煤灰的物理、化学和矿物学性质，对其潜在贡献进行了研究[6]，但仅凭表征和比较难以准确评估其作用。Niu等人（2020年）发现，随着云母富集矿渣研磨时间的延长，非晶相的形成显著增加[7]。Perumal等人（2020年）对铝基硅酸盐矿渣进行机械处理时也得到了类似结果。在同一研究中，镁基硅酸盐矿渣经过类似处理后，非晶相的形成并未发生变化，但其强度随研磨时间增加[8]。上述两项研究均使用Q-XRD技术量化了矿物相。Saedi等人（2023年）通过机械活化铅锌矿渣替代水泥，发现最多可替代40%的水泥重量，且强度不受显著影响[9]。总体而言，机械激活不仅通过降低结晶度和增加非晶相来提升反应性，还能扩大表面面积。
另一方面，关于矿渣的热激活研究较少。热处理过程中，矿物会发生二羟基化和脱碳现象[10]。大多数矿物相在加热时会改变结晶结构，如果进行急冷处理，这些结构会在冷却过程中迅速崩解，形成非晶相[11]。Ramos等人（2024年）对金银矿渣进行热激活和机械处理后发现，1000°C热处理和140分钟机械处理后的28天强度活性指数（SAI）超过ASTM标准要求的75%[12]。Yao等人（2024年）在不同温度下研究了五种矿渣，发现仅有一种矿渣具有活性，其余矿渣的反应性较低，不适合用作辅助胶凝材料[13]。这表明在选择处理方法时了解矿物组成非常重要。此外，反应性的评估基于R3测试释放的热量，但未将其与强度相关联[13]。尽管多数研究强调研究矿物相变化的重要性，但很少有研究将反应性与强度值进行全面关联。因此，将反应性结果与强度发展相关联，并识别活化后形成的水化相也非常重要。
矿渣活化过程中形成的新相及其对水化产物形成的贡献也是一个重要方面。共聚焦拉曼显微镜（CRM）提供了一种非破坏性方法，可通过代表性拉曼光谱识别结晶度高的和低的矿物相[14][15]，这些光谱与分子振动单元相关。此外，CRM还能基于拉曼光谱进行相图分析[17]，使其成为制备相分布图和原位水化监测的竞争技术[16][17]。
因此，本研究的新颖之处在于利用CRM识别金矿渣（GMT）机械和热激活后形成的新反应相，并结合Q-XRD对相进行量化。此外，还通过CRM和二维拉曼成像持续监测改性R3反应性样品的水化产物生长情况。GMT的反应性结果还将通过TGA和结合水进行分析，并与SAI和水化程度进行关联，这使得本文具有独特性。总体而言，本文将深入探讨GMT活化后的矿物相变化、反应性表现及其作为辅助胶凝材料的潜在应用。
方法论
图1展示了从原材料处理到活化后性能评估的整个方法框架。本研究使用拉曼光谱和Q-XRD技术分析和表征相变过程。同时，通过SAI、TGA、结合水和改性R3测试评估GMT的性能和反应性。最后，通过
改进的强度活性指数（Modified SAI）
强度活性指数是衡量材料火山灰反应性的关键指标，由ASTM C618定义。该标准规定了化学和物理要求：三氧化硫、水分和灼烧损失的含量分别不得超过4%、3%和10%。此外，二氧化硅（SiO2）、氧化铝（Al2O3）和氧化铁（Fe2O3）的总浓度必须至少达到70%。本研究基于这些化学要求选择了GMT作为研究对象
讨论
观察结果表明，机械激活对GMT的反应性影响很小。虽然16分钟研磨后的样品中非晶含量较少（见图12），但活化后颗粒细度增加，如表4所示，Dv（90）从162.45μm降至27μm，比表面积从750.40 m2/kg增加到1435.67 m2/kg。粒径小于300μm的矿渣可作为水泥基体的填充剂，填充空隙
结论
本研究通过定性和定量分析，评估了机械和热激活对金矿渣（GMT）中惰性相的晶体结构、相变和非晶化的影响。同时，利用热分析和机械表征技术评估了活化样品的反应性。研究结论如下：
•机械激活对GMT的反应性影响甚微
局限性与未来建议
本研究确定800°C为活化GMT的最佳温度，此时会形成稳定且具有反应性的相。然而，为减少相的再结晶，采用了急冷处理。建议对比急冷样品和自然冷却样品，以更好地了解冷却方法对相变和反应相稳定性的影响。
矿渣中存在金属离子杂质会影响
作者贡献声明
Hee Jeong Kim：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督、资源准备、概念构思。Saleh Ali Khawaja：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、软件应用、方法论设计、实验设计、数据分析、概念构思。Hang Zeng：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督。Million Tafesse：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、监督、方法论设计
生成式AI声明
作者声明本手稿的撰写过程中未使用任何生成式AI或AI辅助技术，仅使用了Grammarly进行校对和澄清。
利益冲突声明
尊敬的编辑：
我们作者声明不存在利益冲突。
致谢
作者感谢Jesus Solis先生在实验设备使用方面的培训与指导，感谢Profex支持团队在实验优化方面的协助，感谢Federico Pederson先生在拉曼光谱技术方面的指导，以及Usman Javid博士在研究过程中的支持。
