赤泥（RM）是氧化铝精炼过程中产生的高碱性副产品，它同时带来了环境风险和资源利用的挑战[1]。全球年产量超过1.8亿吨，不当处理会碱化生态系统并浸出重金属[2]。同时，RM中潜在活性氧化物的丰富性使其在建筑材料中具有价值，包括作为普通波特兰水泥的部分替代品[3]、[4]、[5]，作为骨料[6]和填充剂[7]。然而，其内在的低火山灰活性和成分不均匀性限制了其直接应用[8]。未活化的RM反应性不足，矿物相变在碱性活化下进一步减少了Si–Al的溶解，促进了微裂纹的形成[9]并抑制了水泥体系的强度发展[10]。
为了提高赤泥（RM）的反应性，常见的活化方法包括热活化[11]、热碱活化[12]、[13]和微波处理[14]。这些高温过程破坏了铝硅酸盐中的Si–O和Al–O键，使活性指数从0.69提高到0.85（在800°C时），并产生了更致密的结构[15]。热处理的RM可以活化成高性能的水泥基材料[16]。通过改变材料的相结构和反应性[17]，碱活化砂浆的强度可达到131 MPa[18]。
然而，这些热处理方法能耗高且成本昂贵。相比之下，机械活化提供了一个更清洁、更高效的过程[19]，可以减小颗粒尺寸，增加表面积，并通过高能球磨诱导晶格畸变或非晶化，从而提高化学反应性[20]、[21]。尽管这种技术很有前景，但当RM与其他固体废物材料结合时，团聚仍然是一个问题，降低了其活化效率。因此，关键在于如何将RM与高活性废物材料结合用于机械活化，以解决团聚问题并提高RM的反应性、效率和性能。
各种工业固体废物本身具有潜在的凝胶化或辅助凝胶化价值[22]。粒化高炉矿渣（GBFS）是钢铁工业的副产品，由于其年产量大和潜在的水硬活性，被广泛认为是生产绿色水泥基粘合剂的关键替代原料。GBFS的玻璃网络作为机械力传递的介质，从而促进了具有增强反应性的复合体系的形成。因此，GBFS被选为RM机械活化系统中的辅助活化剂[23]。然而，在机械活化过程中——特别是对于RM和GBFS这样的细粉系统——新生成的颗粒具有极高的表面能，容易通过范德华力、氢键和其他分子间相互作用相互粘附，导致明显的团聚。这种团聚体包裹了未反应的核心，显著降低了研磨效率并增加了非生产性能耗；它们还阻碍了后续的水化过程，最终降低了所得水泥基粘合剂的机械性能和微观结构。
添加研磨助剂（GA）是一种广泛使用的策略，以减轻上述问题引起的颗粒团聚。由于它们的极性官能团（例如-OH、-NH、-COOR、-SO），GA可以吸附在颗粒表面[24]、[25]，中和表面电荷，减少颗粒间的静电吸引，从而抑制团聚并降低能耗[24]、[26]。
常见的GA包括胺类化合物[27]、乙二醇[28]、烷醇胺[29]、新型聚羧酸盐[30]和木质素[31]。Hallet等人使用仲烷醇胺和叔烷醇胺作为GBFS和水泥的GA，报告称研磨效率提高了8%[29]。Yan等人研究了基于聚羧酸盐的减水外加剂作为水泥基体系的潜在GA[32]。三乙醇胺（TEA）改善了碱性氧化铁矿渣（BOFS）的颗粒尺寸分布和水化特性[33]。Zhou等人证明乙二醇和烷醇胺可以提高水泥熟料的研磨效率[34]。作为化学GA的乙二醇可以增加水泥混合物的早期抗压强度和磨机产量[35]。磷酸酯聚合物作为GA可以减少水泥基材料的研磨时间[36]。
尽管上述GA在水泥基系统中被广泛使用，但传统的化学GA在成本效益[24]、[37]和改善整体系统性能[38]方面存在局限性。高剂量的化学GA可能对水泥浆的流动性产生不利影响[39]。例如，乙醇胺及其衍生物是有效的GA，但可能会影响水泥基系统的整体性能[24]、[37]。虽然基于乙二醇、胺类和聚合物的GA可以提高水泥的强度发展，但它们的成本相对较高[40]。使用未经处理的三乙醇胺（TEA）作为GA可以提高熟料研磨效率，但会降低水泥的后期强度[41]、[42]、[43]。有研究报道高剂量的TEA会延迟波特兰水泥的水化[44]。Heren等人发现增加乙醇胺浓度会改变水泥的水化过程并延迟凝固[45]。总体而言，使用GA可以提高研磨效率[35]，但通常会恶化水泥混合物的流变性能[46]。
因此，以往的研究试图通过化学改性来平衡成本和性能。例如，改性三乙醇胺（M-TEA）可以提高研磨效率并加速水化产物的形成，从而产生更均匀和更致密的微观结构。改性的PCE型研磨助剂比传统的TEA或标准PCE具有更高的研磨效率、稍长的诱导期和更高的水化程度[32]。这些改性剂还通过改变水化产物的形态和微观结构来影响水化过程，而不改变其相组成[47]。由有机前体和微量氧化石墨烯组成的复合研磨助剂可以促进高贝利特水泥的水化[48]。此外，改性的三乙醇胺基研磨助剂可以提高熟料研磨效率并减轻强度降低的缺点[49]。
然而，一个根本性的限制是：尽管这些化学添加剂可以减轻团聚，但它们缺乏内在的化学活性，也无法提高机械性能。更重要的是，引入化学研磨助剂可能会带来额外的环境负担，这与固体废物增值的绿色原则相悖。因此，结合研磨辅助和凝胶化活性的绿色替代品已成为混合机械活化系统的首选方案。活性结构研磨助剂不仅可以防止细颗粒团聚并促进更均匀的颗粒尺寸分布[27]、[50]，还可以向水泥基体系提供额外的反应物种，增强机械性能，同时兼具研磨助剂和凝胶化促进剂的双重作用，从而实现从分散到强化的集成路径。CG和FA已被证明是良好的研磨介质[19]、[51]。
基于上述背景，本研究选择了富含Si和Al的固体废物——废玻璃粉（GP）、粉煤灰（FA）和煤矸石（CG）作为RM–GBFS系统的活性分散剂。与传统的惰性分散剂不同，这些基于废物的材料不仅在物理上抑制颗粒团聚，而且在机械活化后还能溶解并参与水化反应。经过复合酸蚀预处理后，研究了抗团聚效果的时间演变，并将其与硬化浆体的宏观机械性能相关联。通过结合Avrami反应动力学分析、微观结构表征和分子模拟，阐明了分散–失活途径。最后，通过定量比较研磨能耗和碳排放量，确定了在研磨效率、工程性能和环境可持续性之间实现最佳平衡的研磨助剂。本研究为废物衍生研磨助剂的界面化学和动态行为提供了新的见解，建立了微观机制、宏观性能和环境效益之间的联系，并为高性能、低能耗、低碳的水泥基材料提供了理论基础。
