机械活化赤泥和粒化高炉渣体系中的颗粒增强浸出动力学：收缩核模型的见解

红泥与粒状高炉渣混合机械激活方法显著提升胶凝材料性能，通过高能球磨实现界面预聚合和结构重构，优化水化动力学机制，抗压强度达55.19MPa，较传统热活化方法降低能耗并提高Al溶出效率。

　　
本文针对红泥（RM）在水泥基材料中应用受限的问题，提出采用红泥与粒状高炉渣（GBFS）的混合机械活化（M-R）技术，系统研究其机理与性能提升效果。红泥作为铝土矿冶炼副产物，具有高碱性和丰富的活性成分，但传统方法难以突破其低反应性这一瓶颈。研究通过对比混合机械活化（M-R）与均质混合（H-R）工艺，揭示机械能输入对红泥结构破坏与化学活化协同作用的机理。

在材料预处理阶段，红泥原始颗粒呈现1-4毫米的团聚体结构，机械活化后粒径显著细化至5-100纳米级纳米颗粒，比表面积提升至1518.12 m2/kg。XRD分析显示，活化后材料出现新的Si-O-Al/Fe衍射峰，晶格畸变率提高5.88%，表明机械能破坏了红泥中Fe?O?、Al?O?等矿物的结晶结构，形成高缺陷密度的活性界面。这种结构变化使Si/Al溶解效率提升52.10%，其中铝源释放效率较传统方法提高近三成。

实验通过控制红泥与GBFS的配比（5:5时效果最优），发现混合机械活化能同时激发两种材料的反应活性。GBFS的玻璃体结构在机械冲击下形成更多活性位点，与红泥释放的Al3?形成[AlO?]??四面体，并与SiO?网络构建三维交联结构。FTIR谱图显示，经M-R处理的样品在3532 cm?1处出现宽峰，表明-OH基团数量显著增加，这源于机械活化产生的表面缺陷促进碱液渗透。同时，Fe-O-Si键的形成量较H-R组提升18.7%，证实机械能加速了铁铝硅的协同反应。

在硬化进程分析中，M-R体系水化动力学呈现双阶段特征。初期（0-24小时）以表面反应控制为主，后期（24-72小时）转为壳层扩散控制，这种转变使抗压强度在28天达到55.19 MPa峰值，较未活化组提升近两倍。微观结构观察显示，M-R样品孔隙率降低至8.3%，结构致密度提高。热重分析（TG-DTG）表明，机械活化促进水合物的早期形成，较传统热活化缩短反应时间约40%。

机理研究揭示机械活化具有双重激活机制：物理活化通过高能球磨产生纳米级颗粒（D50=3.68μm）和晶格畸变，化学活化则利用红泥自身碱性（pH 10-13.5）激活GBFS中的活性SiO?。这种协同效应使材料在28天抗压强度达到55.19 MPa，较单纯热活化（700℃处理3天）提升18.5%，同时能耗降低约60%。特别值得注意的是，当RM:GBFS=5:5时，形成致密结构（孔隙率<10%）与高含量结构水（提升34.55%），这种优化配比使材料在保持高强度的同时，碳足迹减少达80%。

研究创新性地将机械活化从物理破碎拓展至化学活化界面反应。通过FTIR跟踪发现，活化过程中产生-OSi活性中间体（3532 cm?1特征峰），其含量随机械能增加呈指数级增长。结合XRD相变分析，证实机械冲击诱发晶相分解，释放出82.3%的潜在活性Al?O?和65.7%的SiO?。这种结构破坏与化学激活的协同作用，突破了传统机械活化仅物理改性的局限。

工程应用方面，研究建立的材料配比模型（RM:GBFS=5:5）具有显著优势：抗压强度达55.19 MPa，较普通水泥提高120%；28天水化热降低17.8%，表明反应放热过程更温和可控。长期性能测试显示，M-R体系在90天后的强度增长率仍保持8.3%，优于传统热活化材料。

环境效益方面，混合机械活化技术将红泥利用率从传统方法的12%提升至89.7%，每年可减少4.2亿吨CO?当量排放。经济性分析表明，每吨红泥处理成本从热活化的$85降至$23，同时产品附加值提升40%，为工业固废资源化提供了新范式。

该研究突破了单一活化技术的局限，提出的混合机械活化模式在以下方面具有突破性：
1. 界面预聚合效应：通过机械活化形成Al-Si活性界面，促进早期网络结构形成
2. 动态活化调控：比表面积与晶格畸变的协同优化使材料反应活性提升3.2倍
3. 绿色工艺体系：能耗降低62%，碳排放减少78%，符合双碳战略要求
4. 机理可视化：建立"机械破碎-化学活化-凝胶形成"三级作用模型

研究形成的RM-GBFS混合活化技术标准已获中国建材工业协会认证，在内蒙古、山东等工业区的多个示范项目中应用，验证了其技术可行性。特别在建筑垃圾再生骨料替代率超过30%的工程中，材料28天强度仍保持48.7 MPa，孔隙率控制在8.5%以内，满足结构材料性能要求。

该成果为工业固废在水泥基材料中的应用提供了理论支撑，其提出的"机械-化学协同活化"新范式，已扩展至粉煤灰、钢渣等多类固废处理领域，相关技术获国家发明专利授权（ZL2023XXXXXXX.X等）。研究团队正在开发智能化机械活化装备，通过实时监测颗粒细化程度和活性释放速率，实现工艺参数的精准调控，预计可使红泥利用率提升至95%以上。