砒砂岩是一种发育不充分的岩石互层,因成岩程度较低,砒砂岩具有易风化、抗侵蚀能力弱及遇水容易溃散等特性。砒砂岩易水蚀溃散的特性加剧了黄土高原的水土流失及生态退化,产生的大量粗泥沙,加剧了黄河下游河道淤积,同时给黄河中下游防洪安全带来了隐患。本文研究了通过高温煅烧及机械粉磨处理砒砂岩的基本性质及改性砒砂岩材料的性能,探索了利用砒砂岩研制可满足当地水保工程材料性能要求的改性砒砂岩材料的可行性。并借助激光粒度仪(激光粒度分析)、X射线荧光光谱仪(XRF)、X射线粉磨衍射仪(XRD)、热重-差热同步分析仪(TG-DTG)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)及场发射扫描电子显微镜(SEM)等分析方法对改性砒砂岩材料的性能进行了研究。研究结果如下:本文通过对砒砂岩进行高温煅烧及机械粉磨处理后,借助激光粒度、XRF、XRD、TG-DTG和FTIR等分析手段,研究了高温和机械粉磨处理对砒砂岩基本性质的影响。试验结果表明,高温处理后砒砂岩的矿物组成发生变化,黏土矿物中的自由水和结合水数量显著减少,高温处理对砒砂岩矿物的颗粒粒径影响不大,经高温后矿物颗粒粒径略有增大;机械粉磨处理后砒砂岩中的小颗粒数量显著增加,颗粒的粒径减小,比表面积增大,高温和机械粉磨可提升砒砂岩的矿物活性。研究了经过高温煅烧和机械粉磨处理后的砒砂岩基本性能后,对处理后的砒砂岩活性从宏观及微观方面进行了研究。经研究表明,就宏观而言,随着砒砂岩煅烧温度增加,活性指数相应增加,但是在煅烧温度为800℃时,试件活性指数有所增加,是由于煅烧温度过高,产生烧结现象,从而改变试件的骨料级配。机械磨蚀对砒砂岩的活性指数影响显著,因机械粉末后砒砂岩的比表面积增大,使得砒砂岩反应完全,所以砒砂岩活性对应的也会增加。对于微观而言,将经过高温及粉磨处理后的砒砂岩溶于不同浓度的NaOH溶液中,研究在碱溶蚀作用下砒砂岩中(Ca)、硅(Si)、铝(Al)元素的溶出规律,以期表征经不同处理方法后砒砂岩的活性。结果表明,在常温20℃反应环境中,随着砒砂岩煅烧温度的增高,硅(Si)、铝(Al)的溶出率增加,钙(Ca)元素溶出率降低。经过机械粉磨后,因砒砂岩表面积增大以致反应效率增加,导致钙(Ca)、硅(Si)、铝(Al)的溶出率降低。是因为在反应过程进行时钙(Ca)、硅(Si)、铝(Al)元素参与溶液中固体反应生成胶凝产物,导致相对应离子含量减少。同时随着NaOH溶液浓度增加及反应环境温度增加,溶液中硅(Si)、铝(Al)元素的溶出量增加。钙(Ca)元素因参与固体中的反应生成胶凝产物导致溶出量有所降低。研究了高温磨蚀、激发剂含量及水泥掺量对砒砂岩的抗压强度、热重-差热、矿物组成及化学官能团的影响。经研究结果显示,机械磨蚀及高温煅烧可使砒砂岩的抗压强度显著提高。砒砂岩改性试件的抗压强度随着水泥掺量的增加而增大。改性剂水玻璃的掺量及模数对砒砂岩改性试件的抗压强度有相应的影响。砒砂岩改性试件的抗压强度随着水玻璃掺量的增加而增大,随着水玻璃模数的增大而减小。根据XRD、TGDTG、FTIR及SEM的结果分析,改性试件的抗压强度从仅靠颗粒之间的机械咬合力及摩擦阻力提供到靠摩擦阻力、机械咬合力及水化胶凝物共同提供。