试验所用原材料为辽宁省抚顺市望花区自然堆积的煤矸石（CG），其主要化学组成见表1。

碱激发剂采用水玻璃溶液（含Na₂O 10%、SiO₂ 30%、模数M=3.32）与纯度96%氢氧化钠配制而成，模数为1.4。以硝酸铅（Pb(NO₃)₂）、硝酸铜（Cu(NO₃)₂.3H₂O）为重金属污染离子的试剂源。

由于天然煤矸石主要以稳定的硅铝相矿物存在，一般不易与其他物质发生反应，所以实验前将煤矸石进行机械研磨、热活化处理，即200目煤矸石粉末在800 ℃下煅烧2 h，增加煤矸石活性。

按照液固比为0.4将碱激发剂（12.65 g）、重金属盐溶液（Cu(NO₃)₂·3H₂O、Pb(NO₃)₂）（7.35 g）与活化后的煤矸石（50 g）共混，混合搅拌3 min后注入直径50 mm、高100 mm的自制模具中，在振动台上振动1 min。在室温静置2 h后，于恒温恒湿箱中60 ℃养护24 h，脱模后室温养护3、7、14、28 d，分别得到煤矸石基地质聚合物（记为GP，下同）、Pb²⁺固化体（记为GP-Pb，下同）Cu²⁺固化体（记为GP-Cu，下同）和Pb²⁺、Cu²⁺固化体（记为GP-Pb、Cu，下同），进行各项性能测试。

对于单一重金属固化体的研究采用单因素试验，具体参数如表2所示，对于协同固化两种重金属固化体的研究采用两因素四水平正交试验，分析Pb²⁺固化量、Cu²⁺固化量对煤矸石基地聚物中Pb²⁺浸出影响。每个因素设4个水平，具体参数如表3所示。

重金属浸出毒性鉴别参照《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别GB5085.3—2007》^[11]，其中浸出液的制备方法参照《固体废物浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法HJ/T299—2007》^[12]进行，并用ICP-OES测定浸出液中重金属离子的质量浓度。根据GB 5085.3—2007，浸出液中铅、铜的限制分别为5、100 mg·L⁻¹，评价煤矸石基地质聚合物对Cu²⁺、Pb²⁺的固化效果。重金属固化体及重金属浸出液的pH值见表4。

将固化3、7、14、28 d的样品使用万能压力试验机进行抗压强度，测试抗压强度的测定参照标准《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）GB/T 17671—1999》^[13]。采用SEM-EDS、XRD对样品微观结构分析。使用Materials Studio软件包中的Castep模块进行密度泛函计算（DFT），采用GGA-PBE（perdew-burke-ernzerh of generalized gradient approximation）函数作为交换关联函数，在平面波截断能为330 eV条件下对地质聚合物的体相晶格进行几何优化。几何优化采用BFGS方法^[14]，收敛标准：原子最大位移2.0×10⁻⁴ nm，原子间作用力0.5 eV·ּּּּnm⁻¹，原子间内应力0.1 GPa，体系总能量变化2.0×10⁻⁵ eV·ּּּּatom⁻¹。

如图1、2所示，GP-Pb、GP-Cu的重金属浸出质量浓度均随离子固化量的增加上升，至Pb²⁺固化量3.5%（质量分数）时，Pb²⁺固化体重金属浸出质量浓度为4.99 mg·L⁻¹，略低于《危险废物鉴别标准 浸出毒物鉴别GB 5085.3—2007》^[11]中5 mg·L⁻¹的浸出质量浓度限值，固化量达到4.0%（质量分数）时，GP-Pb重金属浸出质量浓度为7.82 mg·L⁻¹，超出国家规定标准，其固化效果与相关文献记述的固化效果相近^[2]。至Cu²⁺固化量4.0%（质量分数）时，GP-Cu重金属浸出质量浓度为17.4 mg·L⁻¹，低于《危险废物鉴别标准 浸出毒物鉴别GB 5085.3—2007》中100 mg·L⁻¹的浸出质量浓度限值。因此，煤矸石基地质聚合物对Pb²⁺的有效固化量应小于3.5%（质量分数）；对Cu²⁺的有效固化量应小于4.0%（质量分数）。比较图1、2，其试验结果表明，在煤矸石基地聚物对单一重金属固化的过程中，在相同固质量分数的情况下Cu²⁺更易浸出。其主要原因在于煤矸石基地聚物对重金属的固化效果与其固化体体系内pH有关。不同pH下，Pb²⁺、Cu²⁺的存在形式不同。重金属固化体的浸出溶液pH值为10~11，此时Cu²⁺主要以羟基配合离子形式存在^[3]，Pb²⁺则以Pb(OH)₂为主^[15]，在固化体中羟基配合离子的迁移能力显著大于氢氧化物沉淀，所以地质聚合物对Pb²⁺固化稳定性优于Cu²⁺。

由表3正交试验方案得到重金属固化体中Pb²⁺浸出质量浓度和固化率，见图3。由图3可知，第1组的固化率最大，为99.91%，其次是2、5、3、6组，且浸出质量浓度均满足《危险废物鉴别标准 浸出毒物鉴别 GB 5085.3—2007》浸出质量浓度限值（Pb²⁺<5 mg·L⁻¹）。第16、8、12、15固化率最小，Pb²⁺固化率与Cu²⁺固化量和Pb²⁺固化量有直接关系，利用极差分析得影响因素的主次顺序、最优方案，分析结果如表5所示。

根据表5 Pb²⁺固化率的极差分析，对于协同固化两种重金属，Pb²⁺固化量和Cu²⁺固化量在四水平下影响得到Pb离子固化率的极差不同，其中Cu²⁺固化量的极差大于Pb²⁺固化量，说明Cu²⁺固化量对煤矸石基地质聚合物Pb²⁺的固化率影响最大，其次是Pb²⁺固化量，且固化率随着固化量的增加减少。影响因素的显著性依次为：Cu²⁺固化量>Pb²⁺固化量，各因素的最优水平组合为Pb²⁺固化量为2%（质量分数），Cu²⁺固化量为2%（质量分数）时，煤矸石基地质聚合物的Pb²⁺固化率最高。此优化组合是前文第1组试验方案（固化率为99.91%）。

由图1、图3可知，GP-Pb，GP-Pb、Cu中Pb²⁺浸出质量浓度分别为0.4、0.93 mg·L⁻¹；固化率分别为99.96%、99.91%，相较GP-Pb，GP-Pb、Cu的Pb²⁺固化率降低。GP-Cu，GP-Pb、Cu中Cu²⁺浸出质量浓度分别为1.50、2.14 mg·L⁻¹，固化率分别为99.85%、99.77%，相较GP-Cu，GP-Pb、Cu的Cu²⁺固化率降低。协同固化两种重金属固化体相较于单一固化重金属固化体，重金属浸出质量浓度增加，固化率降低。分析认为重金属离子半径是影响固化效率的因素之一^[16]，Pb²⁺离子半径为0.12 nm、Cu²⁺离子半径为0.072 nm，与Na⁺、K⁺离子半径（0.095、0.133 nm）接近，在地聚合反应进程中，Pb²⁺、Cu²⁺易取代Na⁺、K⁺的位点，进入N-A-S-H凝胶结构中，猜测在GP-Pb、Cu中，可能存在重金属阳离子间对地质聚合物中结合位点竞争，使Pb²⁺和Cu²⁺固化率降低。由于地质聚合物中可取代的离子点位有限，故Pb²⁺、Cu²⁺在协同固化的情况下，可能竞争取代位点，造成固化能力下降^[17]。

由图4可知，各检测样品的抗压强度均随着龄期增加而提高，其主要原因是由于煤矸石基地聚物内部进行的凝胶过程逐步加强了样品抗压强度。养护3 d后，GP、GP-Pb、GP-Cu和GP-Pb、Cu的最低抗压强度均大于10 MPa，养护28 d后，GP-Pb、GP-Cu和GP-Pb、Cu的最低抗压强度均大于30 MPa，说明重金属固化体具有良好的抗压强度，填埋和用作建筑材料的标准通常是5 MPa和10 MPa，因此，GP、GP-Pb、GP-Cu和GP-Pb、Cu均可用于填埋或建筑材料^[18]。

相较于单质煤矸石基地聚物，固化单一或两种重金属的煤矸石基地聚物其抗压强度均由一定程度下降，这和前人的研究结果一致即重金属的引入不利于抗压强度发展^[19]。养护28 d后的GP、GP-Pb、GP-Cu和GP-Pb、Cu，其抗压强度分别为76、64、42、37 MPa，较单质煤矸石基地聚物抗压强度分别下降15.7%、44.7%、47.4%，表明地质聚合物对Pb²⁺有较好相容性，相同固化量下，不同重金属离子对固化体的抗压强度的影响差异很大，地质聚合物固化进程对重金属离子的固化效果有显著离子选择特性^[20]。重金属离子对煤矸石基地质聚合物抗压强度的影响程度次序为：Cu²⁺>Pb²⁺。

GP-Pb、Cu相较GP-Pb、GP-Cu力学性能差，表明随着协同固化重金属种类增加，重金属固化体的抗压强度降低。这是因为Pb²⁺、Cu²⁺共存时，存在水化竞争效应^[21]，阻碍体系内部形成稳定结构，从而协同固化多种重金属煤矸石基地聚物导致的抗压强度降低。

由图5可知，整体上，协同固化两种重金属固化体图谱、固化单一重金属固化体图谱与煤矸石基地质聚合物图谱差异不大，Pb²⁺、Cu²⁺的引入并没有影响煤矸石基地质聚合物的主要衍射峰的分布，煤矸石基地质聚合物及各重金属固化体的晶相结构变化较小，说明，单一固化、协同固化两种可能仅仅是在地质聚合物的理化性能上存在差异。所有试样在20~40 °范围内有“鼓包峰”出现，“鼓包峰”的存在证明地质聚合物内部有无定型态凝胶产物的形成，鼓包的峰面积越大，则生成的地聚物凝胶相产物越多，地质聚合物的性能越优良。随着Pb²⁺、Cu²⁺的引入，可以观察到“鼓包峰”峰值逐渐减小，GP-Pb、Cu的“鼓包峰”峰值最小，说明Pb²⁺、Cu²⁺的引入破坏了地质聚合物的结构，使地质聚合反应进程速度减慢，反映到宏观层面造成地聚物固化体抗压强度的降低与重金属的浸出质量浓度升高。随Pb²⁺、Cu²⁺的引入在各重金属固化体的XRD图谱中并没发现有含PbO、CuO的氧化物的衍射峰出现，这意味着Pb²⁺、Cu²⁺进入到地质聚合物晶格结构中，主要以化学键合的形式被固化地质聚合物内，与El-ESWED等^[22]研究结果相似。重金属离子通过取代地质聚合物中的碱金属阳离子，键合到铝氧四面体单元上，固定在地质聚合物的结构中。与GP相比，GP-Pb、GP-Cu和GP-Pb、Cu特征峰发生了不同程度的位移，XRD衍射角从26.61到26.70。GP-Pb、GP-Cu和GP-Pb、Cu最大偏置角分别偏移了0.05、0.01、0.03。这一现象可能是由于重金属离子的引入所致，重金属离子取代了GP晶格中的部分原子，导致晶格畸变，引起局部衍射峰漂^[23]。利用Origin软件对最高峰进行高斯拟合分析XRD细部结构计算GP、GP-Pb、GP-Cu和GP-Pb、Cu的晶格常数分别为0.578 4、0.577 8、0.577 5、0.577 0。与GP相比，GP-Pb、GP-Cu和GP-Pb、Cu的晶格常数降低，进一步表明重金属元素进入相应的地质聚合物晶格结构中^[23]。

由图6可知，经过28 d养护，煤矸石颗粒完全溶解在硅酸盐凝胶中，煤矸石经聚合反应后，生成层状的硅铝酸盐凝胶，结构非常致密，表明煤矸石聚合反应充分，解聚和缩聚反应完全，这是煤矸石基地质聚合物较优的抗压强度和固化性能表现较高原因。

由低倍扫描电镜图（2 μm）可知，随着协同固化重金属种类增加，重金属固化体微观结构变得疏松多孔，地质聚合物凝胶尺寸减少，协同固化多种重金属离子导致煤矸石中的Si、Al不能被碱激发剂溶解，使得地质聚合物中存在很多未被完全反应的块状颗粒和碎屑，凝胶空隙较大，从而导致地质聚合物结构被破坏致密度降低。由高倍扫描电镜图（100 nm）可知，GP-Pb、GP-Cu的致密性与GP相比有所降低，Pb²⁺、Cu²⁺的引入影响地质聚合物的微观形貌，对地质聚合物的聚合反应有一定抑制作用。GP-Pb、GP-Cu的致密度优于GP-Pb、Cu，随着协同固化重金属种类增加，地质聚合物结构因重金属离子的作用表面出现不同程度的“坑”，一定程度上影响地质聚合物力学性能，GP-Pb、Cu的破坏最为明显。这也是对前文中GP-Pb、GP-Cu抗压强度高于GP-Pb、Cu抗压强度的印证。

通过EDS的分析可以进一步确定煤矸石基地质聚合物中是否存在有重金属（Pb²⁺、Cu²⁺），由图7可知，GP-Pb中Pb元素掺杂量最高，可以明显观察到Pb元素的富集区，当同时协同固化Pb²⁺、Cu²⁺时，GP-Pb、Cu中Pb元素较稀疏，随着协同固化重金属种类增加，Pb元素在地质聚合物中的分布密度逐渐减少。GP-Cu中Cu元素掺杂量最高，可以明显观察到Cu元素的富集区，当同时协同固化Pb²⁺、Cu²⁺时，GP-Pb、Cu中Cu元素较稀疏，随着协同固化重金属种类增加，Cu元素在地质聚合物中的分布密度逐渐减少。分析可知，单一固化Pb²⁺和Cu²⁺时，煤矸石基地质聚合物对的Pb²⁺和Cu²⁺固化机制主要以化学键合为主，Pb²⁺和Cu²⁺取代Na⁺或K⁺位点，固化在地质聚合物中，随着协同固化Pb²⁺、Cu²⁺，发生竞争Na⁺或K⁺位点，只有少量Pb²⁺和Cu²⁺参与到化学键合中，造成Pb²⁺和Cu²⁺的浸出质量浓度增加。

由图8可知，能量色散X射线光谱中也可以检测到Pb、Cu元素存在，结合XRD、SEM分析表明，Pb²⁺和Cu²⁺被固定在煤矸石基地质聚合物中，以重金属阳离子的形式平衡[AlO₄]⁻四面体的负电荷进入地质聚合物的网络骨架中。

由2.1~2.3节可知，重金属离子通过取代Na⁺/K⁺被有效固化在致密的地质聚合物中，但具体取代位点尚不清晰且协同固化两种重金属固化体，相较于单一固化重金属固化体，重金属固化率降低，猜测协同固化两种重金属时，可能存在重金属阳离子间对地质聚合物中Na⁺/K⁺结合位点竞争。因此，为了验证上文假设，通过计算机模拟，探究在协同固化两种重金属情况下，重金属离子在地质聚合物中的取代倾向以及重金属离子间的存在取代竞争行为，基于DFT理论，使用MS软件，开展不同重金属离子在地质聚合物结构中晶格取代阳离子模拟研究。通过计算模拟取代结构的缺陷形成能，探究重金属离子在地质聚合物中的离子取代方式^[24]。El-ESWED等^[22]发现地质聚合物中掺入重金属后，Na⁺浸出质量浓度显着增加，结果表明，重金属可以取代地质聚合物中的Na⁺以维持地质聚合物的电荷平衡。RASAKI等^[25]发现重金属还可以与具有较大离子半径的K⁺进行离子交换。因此，初步拟定重金属阳离子取代地质聚合物的Na⁺、K⁺点位。

1）协同固化过程中多种重金属竞争关系理论分析。根据结晶学理论，在置换型固溶体中，占据晶格的位置与离子半径、电价、电负性及电子层数等性质有关^[26]。为了更加准确研究重金属离子取代可能性，引入结构差异因子D^[27]。为了预计置换型固溶的固溶度，Hume-Rothery提出了经验公式Δr^[28]，分析重金属取代地质聚合物中离子的能力。因此，本研究通过引入结构差异因子D（见式(1)）和Hume-Rothery 提出了经验公式Δr（见式(2)），主要研究重金属离子在地质聚合物中取代的可能性和取代能力。

式中：$ Z $为不同离子电价；$ {\Delta }_{X} $为不同外来离子与相应地质聚合物离子的电负性之差；$ {R}_{m} $为相应地质聚合物离子的离子半径；R为不同外来离子的半径。

式中：$ {r}_{1} $为地质聚合物离子的半径；$ {r}_{2} $为外来离子的半径。

Δr<15%，外来重金属离子和地质聚合物之间可以形成连续固溶体，15%<Δr<30%，外来重金属离子和地质聚合物之间可以形成有限型固溶体，30%<Δr，外来重金属离子和地质聚合物之间很难或不能形成连续固溶体。根据表6的数据和公式，计算出Pb²⁺、Cu²⁺与地质聚合物中离子的Δr和D。

由图9(a)可知，Pb²⁺的离子结构和Na⁺、K⁺的离子结构更为接近，由图9(b)发现Pb²⁺与Na⁺的离子半径差异百分比为25.3%介于15%~30%，K⁺的离子半径差异百分比10.5%小于15%，属于可以形成固溶体范围，按照Hume-Rothery经验理论推导，Pb²⁺可能取代地质聚合物中离子的顺序为K⁺>Na⁺>Al³⁺>Si⁴⁺；Cu²⁺的离子结构和Si⁴⁺、Al³⁺的离子结构更为接近，Cu²⁺与Si⁴⁺、Al³⁺的离子半径差异百分比分别为75.6%、44%，均大于30%，与Na⁺的离子半径差异百分比为24.2%介于15%~30%，虽然相较于Na⁺，Cu²⁺与Si⁴⁺、Al³⁺的离子结构更为接近，但Δr值大于30%，属于难以形成取代固溶体范围，与Na⁺的Δr值小于30%，属于可以形成固溶体范围，因此，Cu²⁺可能取代地质聚合物中离子的顺序为Na⁺>Al³⁺>K⁺>Si⁴⁺。综上所述，根据结构差异因子分析可以概括出：在地质聚合物中，Pb²⁺更容易取代K⁺、Na⁺，Cu²⁺更容易取代Na⁺。

2）地质聚合物及重金属取代晶体结构模型的建立。刘令云等^[30]探索不同价态Fe在高岭石中晶格取代的形式，采用DFT方法对不同价态Fe在高岭石晶体中的晶格取代进行了模拟计算，通过晶格取代能计算分析Fe元素的3种晶格取代的难易程度。因此，构建Pb²⁺取代K⁺、Na⁺，Cu²⁺取代Na⁺模型，计算模拟取代结构的缺陷形成能，探究重金属离子在地质聚合物中的离子取代方式。

通过对比煤矸石基地质聚合物的XRD图谱，根据地质聚合物原料的硅铝比、碱金属元素浓度等，选取地质聚合物晶体结构为无机晶体结构数据库中KNa₃Al₁₂Si₁₂(HO₆)₈ ^[31]，包含了168个原子，即96个氧原子、24个硅原子和24个铝原子、6个钠原子、2个钾原子、16个氢原子，见图10(a)。晶胞中不同位置的钾原子在计算化学上是相同的，因此有一个取代位点，实现50%取代，钠原子有两处取代位点，第一点位，实现25%取代，第二点位，实现50%取代。首先对中KNa₃Al₁₂Si₁₂(HO₆)₈的原有晶体结构进行优化，在此基础上，构建Pb²⁺取代K⁺、Pb²⁺取代第一点位Na⁺、Pb²⁺取代第二点位Na⁺、Cu²⁺取代第一点位Na⁺、Cu²⁺取代第二点位Na⁺，共5种取代晶体结构模型。

3）两种重金属离子协同固化过程点位竞争模拟研究。首先对地质聚合物原有的晶体结构进行优化，在此基础上，计算这5种掺杂晶体结构的晶胞参数、晶胞体积和缺陷形成能，所得结果如表7所示。缺陷形成能的大小代表了该缺陷形成的难易程度，可用来表征重金属离子在不同取代方式下的难易程度。

Pb²⁺、Cu²⁺进入到地质聚合物(KNa₃Al₁₂Si₁₂(HO₆)₈)体晶中取代Na⁺、K⁺所需的能量均为负值，即无需附加能量，Pb²⁺、Cu²⁺就可完成对晶体中Na⁺、K⁺的取代。

对于第一位点Na⁺，Pb²⁺的缺陷形成能为-0.105 2 eV，Cu²⁺的缺陷形成能为−0.050 7 eV，对比数据Pb²⁺的取代能明显小于Cu²⁺。与Pb²⁺相比，由于Cu²⁺在离子半径、电负性、价态等离子结构与第一位点Na⁺相差太大，致使地质聚合物晶体内部原有离子的空间点位变形，需要形成较大缺陷来容纳Cu²⁺。因此，晶体需要为Cu²⁺取代第一位点Na⁺进行较大程度的晶体结构改变，Pb²⁺比Cu²⁺更容易进入地质聚合物晶体结构内部取代第一点位Na⁺，重金属离子对第一位点Na⁺取代顺序：Pb²⁺>Cu²⁺。

对于第二位点Na⁺，Pb²⁺的缺陷形成能为−0.083 2 eV，Cu²⁺的缺陷形成能为−0.097 2 eV，对比数据Cu²⁺的取代能小于Pb²⁺。与Cu²⁺相比，由于Pb²⁺在离子半径、电负性、价态等离子结构与第二位点Na⁺相差太大，致使地质聚合物晶体内部原有离子的空间点位变形，需要形成较大缺陷来容纳Pb²⁺，因此，晶体需要为Pb²⁺取代第二位点Na⁺进行较大程度的晶体结构改变，Cu²⁺比Pb²⁺更容易进入地质聚合物晶体结构内部取代第二点位Na⁺，重金属离子对第二位点Na⁺取代顺序：Cu²⁺>Pb²⁺。对于K⁺点位，Pb²⁺的缺陷形成能为−0.069 7 eV，Pb²⁺可完成对晶体中K⁺的取代。综上所述，第一性原理计算结果表明：Pb²⁺比Cu²⁺更容易进入地质聚合物晶体结构内部取代第一点位Na⁺，重金属离子对第一位点Na⁺取代顺序：Pb²⁺>Cu²⁺；Cu²⁺比Pb²⁺更容易进入地质聚合物晶体结构内部取代第二点位Na⁺，重金属离子对第二位点Na⁺取代顺序：Cu²⁺>Pb²⁺；Pb²⁺进地质聚合物晶体结构内部取代K⁺。

4）重金属离子在地质聚合物中的取代机理。单一固化重金属时，重金属离子在煤矸石基地质聚合物中可能的取代行为：固化Pb²⁺时，对第一点位Na⁺的缺陷形成能为−0.105 2 eV；对第二点位Na⁺的缺陷形成能为−0.083 2 eV；对K⁺的缺陷形成能为−0.069 7 eV，能量均为负值，即在固化过程中，无需附加能量，Pb²⁺就可完成对晶体中Na⁺、K⁺的取代。宏观上反应为煤矸石基地质聚合物对Pb²⁺有良好的固化率，浸出质量浓度较低。取代行为见图11(a)。固化Cu²⁺时，对第一点位Na⁺的缺陷形成能为−0.050 7 eV；对第二点位Na⁺的缺陷形成能为−0.097 2 eV；能量均为负值，即在固化过程中，无需附加能量，Cu²⁺就可完成对晶体中Na⁺的取代。宏观上反应为煤矸石基地质聚合物对Cu²⁺有良好的固化率，浸出质量浓度较低。取代行为见图11(b)。

协同固化Pb²⁺、Cu²⁺时，重金属离子在煤矸石基地质聚合物中可能的取代行为如下所示。由重金属离子对第一点位Na⁺的取代顺序：Pb²⁺>Cu²⁺，重金属离子对第二点位Na⁺的取代顺序：Cu²⁺>Pb²⁺，Pb²⁺取代K⁺可知，协同固化Pb²⁺、Cu²⁺时，Pb²⁺主要取代第一点位Na⁺，Cu²⁺主要取代第二点位Na⁺；Pb²⁺主要取代K⁺的点位。相较于单一固化Pb²⁺，协同固化Pb²⁺、Cu²⁺时，Cu²⁺竞争取代第二点位Na⁺，使GP-Pb、Cu的Pb²⁺浸出质量浓度增加，固化率降低；相较于单一固化Cu²⁺，协同固化Pb²⁺、Cu²⁺时，Pb²⁺竞争取代第一点位Na⁺和K⁺的点位，使GP-Pb、Cu的Cu²⁺浸出质量浓度增加，固化率降低。取代行为见图12。

1）通过单因素试验和正交试验得到煤矸石基地质聚合物固化单一、协同固化多种重金属的最佳固化量，综合抗压强度试验结果和浸出毒性标准，煤矸石基地质聚合物固化单一Pb²⁺、Cu²⁺的有效固化量应小于3.5%（质量分数）、4.0%（质量分数）；协同固化Pb²⁺、Cu²⁺两种重金属最佳固化量Pb²⁺为2%（质量分数）、Cu²⁺为2%（质量分数）。

2）抗压强度试验结果表明，相同固化量下，煤矸石基地质聚合物固化系统对重金属离子固化效果有明显的离子选择性。重金属离子对煤矸石基地质聚合物抗压强度的影响程度次序为：Cu²⁺>Pb²⁺。随着协同固化重金属种类增加，重金属离子存在水化竞争效应，引起重金属固化体的抗压强度下降。

3）浸出毒性试验结果表明，相同固化量下，煤矸石基地质聚合物对重金属离子的固化效果为：Pb²⁺>Cu²⁺。随协同固化重金属种类增加，重金属离子之间可能存在竞争取代位点，使Pb²⁺、Cu²⁺浸出质量浓度增加，固化率降低。

4）微观表征分析表明：SEM图像显示重金属的引入会影响重金属固化体的微观形貌，随着协同固化重金属种类增加，重金属离子抑制地质聚合物的缩聚过程，地聚物凝胶产物尺寸减小，致密度降低。通过EDS的分析进一步确定煤矸石基地质聚合物中存在Pb²⁺、Cu²⁺，重金属被成功固化在地质聚合物中。Pb、Cu元素分布图表明随着协同固化重金属种类增加，Pb、Cu元素在地质聚合物中的分布密度也逐渐减少。XRD图谱显示重金属离子的引入使地质聚合反应减慢，但并未引起重金属固化体物相变化，且重金属固化体物晶格常数降低，说明重金属离子进入到地质聚合物晶格结构中，主要以化学键合的形式被固化地质聚合物中。

5）使用MS软件对不同重金属离子在地质聚合物结构中晶格取代阳离子进行模拟计算，证实重金属离子在地质聚合物晶格中存在竞争取代位点。单一固化Pb²⁺时，Pb²⁺进入地质聚合物晶体结构取代Na⁺、K⁺点位；单一固化Cu²⁺时，Cu²⁺进入地质聚合物晶体结构取代Na⁺点位。协同固化Pb²⁺、Cu²⁺时，Pb²⁺主要取代第一点位Na⁺，Cu²⁺主要取代第二点位Na⁺，Pb²⁺主要取代K⁺的点位，相较于单一固化Pb²⁺，协同固化Pb²⁺、Cu²⁺时，Cu²⁺竞争取代第二点位Na⁺；相较于单一固化Cu²⁺，协同固化Pb²⁺、Cu²⁺时，Pb²⁺竞争取代第一点位Na⁺和K⁺的点位。使协同固化两种重金属固化体相较于单一固化重金属固化体，重金属浸出质量浓度增加，固化率降低。