为克服硅酸盐水泥的耐久性不足、收缩大、环境协调性差等缺陷，有效降低有害金属的污染，开发耐久、环境友好的结构新材料，用于工程结构与有害废物固化处理，具有重要的技术经济和社会意义。本文制备了偏高岭土基土壤聚合物、粉煤灰基土壤聚合物和土聚复合水泥三种土壤聚合物材料；系统研究其物理力学性能和耐久性能，借助X射线衍射(XRD)、扫描电镜一能谱(SEM-EDS)、红外光谱(IR)、核磁共振(NMR)和压汞(MIP)等技术手段，研究微观组成与结构，分析微观结构与宏观性能的关系；试验对比了土壤聚合物材料对有害金属的固化效果；通过研究有害金属对微观结构的影响，结合静态吸附试验，分析有害金属固化机理；推导了自由有害金属的扩散控制方程，建立有害金属浸出过程的数学模型，试验测定了相关参数，使用有限单元法进行三维数值模拟计算。主要研究成果如下： (1)三种土壤聚合物材料物理力学性能和耐久性能良好，尤其具有干缩小、抗硫酸盐和氯离子侵蚀性能优良、不发生危害性碱一硅酸反应等优点，可以作为工程结构材料使用。 (2)偏高岭土基土壤聚合物产物中没有发现晶体存在，铝以四配位态存在，[AlP<,4>]四面体和[SiO<,4>]四面体相互键接构成空间三维网络状结构；粉煤灰基土壤聚合物主要产物有：八面沸石、水霞石和无定形胶体；土聚复合水泥的兼有水泥和土壤聚合物的产物；三种土壤聚合物材料产生的无定形胶体均为碱金属铝硅酸盐，化学成分不同于C-S-H凝胶。土壤聚合物材料更好的密实性、化学稳定的产物和独特的网络状结构是其具有优良耐久性能的原因。 (3)三种土壤聚合物材料对铜、铅、镍、锌、镉等有害金属均具有较好的固化效果，固化率在99.8％以上；固化效率和离子半径有较好的相关性；制备的固化体不具备浸出毒性。土聚复合水泥对铯和锶的固化效果好于普通硅酸盐水泥。土壤聚合物材料可作为固化处理有害金属的新型固化技术。 (4)有害金属有选择地进入到土壤聚合物材料产物中，通过化学结合的方式影响到某些基团和Al、Si原子核周围的环境，使其振动频率和共振吸收峰发生变化。土壤聚合物产物对有害金属有强烈的吸附作用。自由有害金属的浸出受到固化体的物理阻碍。因此，化学结合、吸附作用和物理阻碍是土壤聚合物材料对有害金属进行有效固化的主要方式。 (5)推导出自由有害金属浸出的扩散控制方程，在扩散方程中引入自由有害金属内源项，选择对流交换边界条件，建立起可以真实反应有害金属浸出过程的数学模型，通过有限单元法实现了对有害金属浸出过程的三维数值模拟。