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砒砂岩是一种发育不充分的特殊泥岩、泥沙岩,具有干燥坚硬如石,遇水溃散成沙的特点,主要分布在黄河中游晋陕蒙三省交界地区,因其所分布地区水土流失严重,植被稀疏,当地百姓形容其危害毒如“砒霜”,称其砒砂岩。本文从新的角度认识砒砂岩,将砒砂岩研制成一种环保、经济、具有一定强度、耐水性较好,具有工程应用潜力的材料,探索砒砂岩的资源化利用,建立砒砂岩溃散防治理论及改性材料研制技术,核心工作主要有以下几部分：研究了砒砂岩的成因、分布、矿物和化学组成,砒砂岩的矿物组成可分为颗粒物（原生矿物石英,长石等）、胶结物（游离氧化物等）和膨胀物（蒙脱石等粘土矿物）三类。分析了砒砂岩中蒙脱石等粘土矿物的吸水膨胀性,揭示了砒砂岩遇水溃散的原因,描述了砒砂岩物理溃散过程,蒙脱石吸水膨胀及胶结物质遇水丧失胶结作用是导致砒砂岩溃散的主要原因。构建了以颗粒物和胶结物为约束元、膨胀物为溃散元的砒砂岩二元物理模型和力学模型,提出了砒砂岩溃散防治主要以约束膨胀源的膨胀为主的改性思路。通过试验,对砒砂岩的蚀变指数和干燥饱和吸水率、耐崩解性、自由膨胀率等水理性质,以及砒砂岩中蒙脱石的来源、性能参数等进行了研究。结果表明,砒砂岩风化程度较高,化学蚀变指数（CIA）在56.8～67.6之间,干燥饱和吸水率为42%51%,崩解类型为I类崩解,耐崩解指数为2.7%,自由膨胀率在43%左右,是一种耐崩解性很差的中等或强膨胀岩。砒砂岩中的蒙脱石由长石发生化学风化而来,为钙基蒙脱石,白色和红色砒砂岩中蒙脱石的吸蓝量、自由膨胀容、阳离子交换容量（CEC）分别为32.72g/100g和28.21g/100g、5.1mL/g和5.0mL/g、112.7mmol/100g和104.9mmol/100g,分子结构式分别是Ca0.43Mg0.23Na0.15K0.04(Si7.69Al0.31)(Al2.64Fe0.48Mg0.71)O20（OH）4和Ca0.61Mg0.22Na0.09K0.05 (Si7.11Al0.89)(Al2.04Fe1.07Mg0.90)O20（OH）4。研究了离子交换改性对蒙脱石膨胀的抑制效果,提出了蒙脱石离子交换改性电容器模型和晶格离子“二次置换”概念,构建了蒙脱石膨胀抑制阳离子交换序列。离子交换试验结果表明,离子化合价、离子半径及离子表面电荷密度等对蒙脱石水化膨胀有显著影响,蒙脱石膨胀体积随阳离子表面电荷密度的增大而减小。一价、二价和三价氯盐溶液中,蒙脱石的膨胀体积最小分别为3.31mL/g、2.6mL/g和2.5mL/g。离子表面电荷密度与Zeta电位呈现出很好的线性关系,阳离子表面电荷密度从0.10C/m2增大到0.18C/m2时,Zeta电位从约-18mV增大为5.0mV左右。通过试验,研究了晶格中离子的“二次置换”情况,试验结果表明,八面体中Mg2+对A13+的取代引起了3624cm-1和912cm-1处Al2OH振动吸收峰强度的减弱或消失,四面体中Al3+对Si4+或Mg2+对Al3+的替代,导致了3410cm-1处Si-OH-Si振动吸收峰强度的增强和峰宽度的增加,以及1032cm-1谱带的振动吸收峰强度的减弱。此外,位于521cm-1和425cm-1谱带分别对应Si-O和Al-O振动吸收峰的强度也都因Al3+代Si4+和Mg2+代Al3+的“二次置换”而明显减弱。通过碱溶蚀试验,研究了碱液浓度、反应温度及反应时间对蒙脱石的溶蚀作用。试验结果表明,25℃时,硅、铝、钙的溶出率最大分别为3.91%、5.56%和4.13%,80℃时,硅、铝的溶出率最大分别为19.8%和12.7%,钙的则为1.23%。提高反应温度能够有效提高碱溶蚀效率,使溶液中硅、铝的浓度升高,钙离子因参与反应生成沉淀物质,浓度有所降低。蒙脱石对碱有良好的吸附的作用,蒙脱石在0.1mol/L、0.5mol/L和1.0mol/L的NaOH溶液中时对碱的吸附量分别为52.7mg/g、53mg/g和61mg/g。XRD、TG-DTG. FTIR和SEM-EDS分析结果表明,蒙脱石碱蚀后生成的沉淀物质主要是以水化硅酸钙（C-S-H）为主的物质。研究了不同碱浓度中蒙脱石的溶蚀特征,当NaOH<0.05mol/L时,碱扩散到蒙脱石中,发生物理吸附；当0.05mol/L<NaOH<0.1 mol/L时,蒙脱石发生层间离子交换和晶格间的“二次置换”,硅、铝离子开始少量溶出；0.1mol/L<NaOH（80℃,25℃时为0.5mol/L<NaOH）时,硅、铝离子大量溶出,蒙脱石结构遭到破坏,发生溶蚀解离。建立了蒙脱石碱蚀过程模型,将蒙脱石的碱蚀破坏分为四个阶段：a.离子扩散吸附；b.层间离子交换、晶格离子“二次置换”；c.溶蚀加速阶段；d.结核成垢沉淀阶段。基于蒙脱石离子交换和碱溶蚀改性技术研制了砒砂岩改性材料。改性剂用量、养护龄期、养护条件及粉煤灰掺量对砒砂岩改性材料强度有显著影响。研制的改性材料90天龄期强度可达11.6MPa（干燥）和8.7MPa（饱水）,掺粉煤灰（15%）试件为20.3MPa（干燥）和17.6MPa（饱水）。砒砂岩改性材料具有良好的耐水性能,软化系数在0.65～0.95之间,水渗透系数最小为5.1×10-6cm/s。XRD、FTIR、TG-DTG及SEM-EDS结果表明,砒砂岩改性材料中的水化产物主要是富含硅铝的碱金属地聚物凝胶,水化硅铝酸钙凝胶及类沸石。砒砂岩改性材料的抗氯盐和抗硫酸盐侵蚀性能较好,抗酸侵蚀性能较差。