近年来,水泥窑协同处置城市生活垃圾和危废在国内外得到了广泛地关注。然而,废弃物含有的一些有害重金属会存留在水泥之中,在较为复杂的水泥水化过程中,重金属会以离子形式与之发生相互作用,重金属离子在水泥水化中的固化行为和机制需要进一步研究。针对以上问题,论文采用由简到繁的思想,依次在如下三种体系中研究了重金属离子Cd2+、Cr3+和Pb2+在硅酸盐水泥水化体系中的固化行为。采用两种化学合成法制备了一系列Cd2+、Cr3+和Pb2+掺杂的C-S-H凝胶样品,利用XRD、IR、SEM-EDS和29Si NMR等多种微观测试手段揭示了重金属离子在反应体系中的固化机理以及与C-S-H的相互作用方式。在不同配比的样品中,都有重金属离子固化在C-S-H中,其固化机理的差别在于较高钙硅比和重金属离子掺量的样品,其原料的初始浓度达到重金属盐溶度积时,会产生相应的重金属盐沉淀。此外,不同重金属离子在C-S-H凝胶结构中的固化形式也存在差异,Cd2+在C-S-H凝胶中的钙氧层和层间结构中都能取代Ca2+,取代后,钙氧层较层间结构更强的收缩作用反而导致C-S-H层间距增加,其取代率高达18%以上。考虑到电荷平衡,Cr3+在样品中的取代方式为2Cr3+→Ca2++Si4+,该取代方式会对C-S-H结构造成更大的破坏,掺量较大时会出现无定形氧化硅,而C-S-H的无定形和粒子细化程度大大增加,Cr3+在Cr-C1.0-0.2样品中的取代Ca2+和Si4+的取代率分别为8.98%和6.24%。Pb2+主要固入C-S-H中的层间结构中,并且可与C-S-H链末端的硅氧四面体连接,其取代C-S-H中的Ca原子取代率也高达18%,并且使得C-S-H凝胶结构更加无定形,掺量较高时也出现了无定形氧化硅相。在C3S掺入重金属离子的水化体系中,重金属离子掺量由0增至3%(重金属元素占C3S的质量比,下同)时,Cd2+和Pb2+加速了C3S的水化进程,而Cr3+在掺量小于1.5%时,加速C3S的水化进程,但当其掺量超过1.5%以后,尤其达到3%时,有CaCrO4·2H2O晶体相生成,消耗了溶液中大量的Ca2+、OH-和自由水,还有一部分能覆盖于C3S颗粒表面,使得C3S的水化进程严重受阻,而所提出的C3S水化初期双电子层模型能很好地解释这些现象。对于掺入3%重金属离子的C3S水化4d样品,其中掺入3%Cr3+的C3S水化程度仅为23.92%,其他样品水化程度都达到了60%。但由于水化期龄仅为4d,所有样品的水化产物C-S-H的平均链长较短,均不超过2.4,SEM-EDS结果表明Cd和Pb均匀地分布在水化产物中,而掺入3%Cr3+样品中有CaCrO4·2H2O富集相生成。另外,关于重金属离子在P·I型水泥/矿粉水化体系中的固化行为。在P·I型水泥标稠下,随着Cd2+、Cr3+的掺入,浆体凝结时间不断缩短,而Pb2+的掺入使得浆体的缓凝作用增强。在P·I型水泥胶凝材料体系中,Pb2+的掺入尽管降低了早期强度,但后期28d强度增加,而在掺有矿粉的胶凝材料体系中,Pb2+的掺入使早期和后期强度都有所减小,且该作用随着矿粉掺量的增加而增强,这归于矿粉和Pb2+的共同缓凝作用,导致水化初期浆体易遭受碳化作用。无论在哪种胶凝材料体系中,Cd2+和Cr3+的掺入都会降低浆体不同期龄的强度。对于Cd2+和Cr3+掺量为0.3%的浆体,随着矿粉的掺入,早期强度有所下降,而28d强度在矿粉掺量为20%时出现了极大值,XRD和SEM结果证实了这是火山灰效应优化了浆体的结构所致。采用统计的EDS点分析方法有效地测定了Cr、Cd和Pb在不同水化产物中的固化量,其从大到小依次分别为AFm/AFt>“outer”C-S-H>“inner”C-S-H>CH、CH>“outer”C-S-H>“inner”C-S-H>AFm和AFm>“outer”C-S-H>“inner”C-S-H>>CH。其中AFm/AFt相中固化重金属含量值波动较大归于其易与其他外部水化产物产生混杂作用。