四、伴生有害元素迁移转化规律与环境影响调控新机制研究
明确了重金属元素Zn和Cd在高铁相水泥矿物相中的固化机理；揭示了在高铁相水泥煅烧过程中Zn和Cd元素的迁移转化规律（如图5、6所示）；通过改进的高温气态污染物原位连续采集系统，精确测定Zn和Cd在煅烧高铁相水泥过程中的挥发率，并结合多种试验方法明确了影响Zn和Cd挥发的主要因素。详细结论如下：Zn元素可以降低熟料f-CaO含量，改善熟料过程。 Zn增加了C4AF的含量，加速了C3S的形成和生长；Zn和Cd都会导致C3S从R型向M型转变；Zn离子的固溶倾向性：C4AF＞硅酸盐相；Cd离子的固溶倾向性：硅酸盐相＞C4AF；Zn2+在高铁相水泥孰料中将取代C4AF中的Fe3+，以四配位的正四面体[ZnO4]的形式形成连续性固溶体，同时也可以间隙型固溶体的形式存在于C3S和C3A中；Cd2+在高铁相水泥孰料中将取代Ca2+，以六配位的正八面体[CdO6]的形式形成连续性固溶体。Cd对熟料矿物形成的影响归因于其会加大C3S中的结构性缺陷导致其分解，降低了C3S的含量，增加了C2S和f-CaO含量。
图5 高铁相水泥中Cd元素的迁移转化规律示意图
结合固废微晶玻璃各物相中重金属的分布及耦合机制，阐明了Pb、Cu、Zn、Fe参与矿相重构的机理，如图7所示。据戈尔德施密特类质同象法则，Fe的离子半径（64.5pm）小于Zn的离子半径（74pm），所以Fe优先进入到辉石晶格中，形成钙铁辉石（CaFeSi2O6），而Zn则以锌铁尖晶石（ZnFe2O4）的形式存在。而对于Cu，虽然CuO为离子键化合物，但Cu2+的负电性（1.90）较大。化合时共价键性较强，所以难以以类质同象的方式进入辉石晶格中，而以铜铁尖晶石（CuFe2O4）的形式固化。这是因为， Fe的含量高于Al，且Cu倾向于以更佳稳定的形式（+2价）存在。由于Pb的氧化物不稳定，高温下化学键更容易破裂，所以Pb以离子的形式均匀地分散在基质中。在此过程中，丰度较高的Fe作为主量元素形成磁铁矿（Fe3O4），而丰度较低的Zn和Cu以类质同象的形式进入磁铁矿相中。并且由于Cu的负电性（1.90）大于Zn的（1.65），所以相对于Cu，Zn更容易置换出Fe，进入尖晶石晶格中。
明确气态污染物Pb、S元素在微晶玻璃高温过程中挥发固化全过程机制：在微晶玻璃熔融过程中，68.12%的Pb以PbO形式被有效固化于微晶玻璃结构内的玻璃相中；挥发烟气部分冷凝附着于石英管内壁（3.39%）及滤膜（0.16%）上；剩余未被收集的部分，可能在高温过程中挥发并附着于管式炉的炉膛内壁。S元素仅有3.71%以SO42-形式被固化于微晶玻璃结构内；挥发烟气中有2.54%与水蒸气结合成硫酸雾形式冷凝，3.19%以飞灰形式冷凝，成分为钠钾硫化物/硫酸盐；剩余74.3%烟气以SO2/SO3形式挥发，最终以SO42-形式溶解在碱性吸收液中。
明确了赤泥中有害钠元素固结机理，在碱的作用下，粉煤灰活性受到激发，Al3+取代[SiO4]4中的Si4+，导致阴离子间电荷失衡，此时只需补充Na+即可达到吸附碱离子和固结钠的目的；研究了最佳改性赤泥配合比工艺及对水泥水化活性影响，并确定了最佳改性掺量为20%；揭示了高温过程中煤矸石中硫元素的迁移转化规律，评价煤矸石高温过程的环境威胁；阐明了钢渣对煤矸石高温过程硫迁移转化的影响，实现煤矸石含硫污染物的原位定向调节，并采用不同实验手段确定了钢渣掺量对煤矸石烟气固硫的效果，发现钢渣掺量越高固硫效果越好，但效率却逐渐降低；建立固硫路径与胶凝活性的构效关系，实现煤矸石煅烧过程的同步固硫-胶凝活性提升。
明确了铬铁渣骨料制备混凝土时对混凝土力学性能、耐久性能影响规律，通过与铬铁渣骨料混凝土的微观形貌及微观结构相结合，获得了在实际工程背景下的服役性能演变规律，实现了铬铁渣建材化的有效利用。为进一步提高铬铁渣利用效率，以铬铁渣为主要原料，制备了尖晶石-镁橄榄石高强陶瓷骨料，其各项性能制备均满足混凝土用骨料性能要求，同时确定了高强陶瓷骨料中重金属元素溶出量均低于检出限值，排除了轻集料中铬元素浸出可能带来的服役安全性风险。探明了大部分铬元素已通过固相反应固溶进尖晶石、橄榄石矿物晶格中，在常温常压环境中，此类铬元素属于完全化学惰性，确认了尖晶石-镁橄榄石高强陶瓷骨料的环境安全性。