围绕“绿色低碳、节能环保”的理念,传统水泥企业着手开始向绿色环保建材企业转型,大力开展利用工业水泥窑协同处置城市生活垃圾、危险废弃物、市政污泥等环保业务。但废弃物中含有的重金属离子不仅影响水泥熟料的结构与性能,亦会影响其水化进程。本文依托国家“十二五”科技支撑课题（2012BAC15B04）,选取废弃物中含量较高的锰（Mn）、铜（Cu）、锌（Zn）三种重金属离子开展试验,研究其对熟料相性能、水泥水化特性的影响,并分析其浸出毒性,为水泥窑协同处置废弃物提供理论依据及指导,评估其二次污染风险。通过外掺重金属氧化物烧制熟料,采用分步萃取、XRD、SEM、化学分析等方法研究重金属对熟料相的矿物形成、晶型结构、晶粒尺寸以及反应活性等的影响。主要结果如下:Mn发生类质同象现象,以+3价形式固溶于C₄AF中,形成C₄AF-C₄AM连续固溶体,造成C₄AF衍射峰偏移、数量减少,晶体结构改变,延缓其水化反应活性;Cu通过生成新相Ca₂CuO₃显著降低煅烧体系的最低共熔点,液相出现的时间大大提前,促进C₄AF的结晶形成,液相量增多、液相粘度减小,C₃S晶粒异常长大,其晶型结构由T₂型转变为M₃型;ZnO的加入显著降低C₃A的含量、增加C₄AF的含量,降低体系液相粘度,促进C₃S的结晶形成,晶型结构由R型转变为M₃型。Mn、Cu、Zn均主要固溶进熟料中间相,其中Mn以Mn³⁺形式,且更倾向于固溶进C₄AF、优先占据6配位Fe位置,其在各矿物相中的固溶倾向为:C₄AF>C₃A>C₃S≈C₂S;而Cu、Zn通过生成新相的方式、形成元素富集区,其在熟料矿物中的固溶顺序分别为:C₄AF>C₃A>C₃S≈C₂S和C₄AF≈C₃A>C₃S≈C₂S。基于掺杂试样的宏观性能,结合掺杂熟料矿物结构与性能的变化,采用热重分析、IR、²⁷Al NMR、SEM-EDS、AAS等方法,研究掺杂试样的水化特性与浸出毒性,评估重金属离子的固化效果及安全性,探讨重金属离子的缓凝抑制机理,揭示重金属离子在水泥硬化体中的分布。结果表明:MnO₂的加入降低C₄AF的水化反应活性,影响了C₃A的水化进程,致使AFt向AFm过早转化,但对试样后期水化影响较小。Cu对水泥水化缓凝抑制作用按照影响机理分为两个阶段:（1）在水化前期和诱导期:Cu掺杂导致水化体系中Ca²⁺浓度降低,早期Ca（OH）₂结晶形成受阻,破坏了体系的高碱性环境,且AFt的形成速率减小、生成量减少,诱导期延长,水泥浆体凝结硬化受阻;（2）在水化加速期:Cu造成C₃S晶粒异常长大,水化反应活性降低,C-S-H凝胶生成量减少、Ca/Si增大,水泥浆体结构变的疏松、孔隙率增大,其显著降低后期强度。低掺量ZnO（≤1.0%）促进水泥熟料的水化,有利于Ca（OH）₂、AFt的结晶形成;高掺量ZnO（>1.0%）对水泥早期的水化过程有明显的缓凝作用,阻碍C₃A的水化及钙矾石的形成,严重抑制C₃S的水化,大幅降低Ca（OH）₂含量,延迟C-S-H凝胶的形成,但对后期水泥影响较小。在水泥硬化体中,Mn主要以取代6配位Al形式存在于AFt/AFm;Cu无显著的固溶倾向,均匀分布在各水化产物中;Zn主要附着在C-S-H凝胶上,但并未固溶进其晶体结构中;采用熟料煅烧固化重金属再通过水化、硬化二次固化的方式,对重金属离子有较好的固化作用,其最大浸出浓度均低于国标限定值,不会对环境造成二次污染,可得到安全可靠的水泥制品。