摘要
煤矸石是在原煤开采过程中产生的一种工业固体废弃物，其堆存量大，利用率相对较低。若将煤矸石用作混凝土骨料，不仅能有效解决煤矸石堆存造成的环境污染，还能缓解天然砂石资源短缺的问题，为煤矸石的大规模利用开辟一条有效途径。该文针对煤矸石作为混凝土骨料的应用特性，系统分析了煤矸石化学成分、矿物组成以及物理特性，概述了国内外关于煤矸石作为骨料对混凝土的工作性能、力学性能、体积稳定性以及耐久性的影响规律，并展望了煤矸石在混凝土骨料应用中的发展趋势，以期为煤矸石在混凝土中的大规模推广利用提供参考。
Abstract
Coal gangue is an industrial solid waste produced in the process of raw coal mining. It has a large stock and a relatively low utilization rate. Using coal gangue as concrete aggregate can not only solve the environmental pollution caused by coal gangue storage but also make up for the shortage of natural sand and gravel resources， which opens up an effective way for the large-scale utilization of coal gangue. According to the application characteristics of coal gangue as concrete aggregate， the chemical component， mineral composition， and physical properties of coal gangue were systematically analyzed. The influence of coal gangue as aggregate on the working performance， mechanical properties， volume stability， and durability of concrete in China and abroad was summarized. The development trend of coal gangue used as concrete aggregate was prospected， so as to provide a reference for the large-scale popularization and utilization of coal gangue in concrete.
Keywords
0 引言
众所周知，中国煤炭资源丰富，是全世界最大的煤炭生产和消费大国，截至 2020 年，中国的原煤产量约 390 亿吨，煤矸石的产量占原煤产量的 15%~20%，其堆存数量已达 70 亿 t 左右，煤矸石已成为当前中国积存量最大、占场地最广的工业固体废弃物之一。而煤矸石大面积堆积引发了很多生态问题，主要包括对土地的侵占，对空气、水体、土壤的污染，以及生态环境、公共安全的潜在危害[1-3]。随着国家绿色矿山工程建设的推动，各级政府深入贯彻落实创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念，积极推动固废“减量化、资源化、无害化”。在处理煤矸石方面，政府正在制定并健全相关法律法规和引导性政策文件，如《煤矸石利用技术导则》《煤矸石综合利用管理办法》等，同时也在积极推动煤矸石等大宗固废处理技术的科技研发和大宗固废综合利用基地的落实。目前，煤矸石利用问题已经得到行业和社会的广泛关注[4-6]。
英国、美国、日本、苏联等国家很早就开始了煤矸石的资源化利用，将煤矸石应用于水工建筑物、公路、铁路、路基、路堤充填材料、建筑材料等方面。中国从 20 世纪 70 年代开始对煤矸石进行大量的研究，目前在发电、建筑、化工、农业等领域的应用较为成熟[7-10]。
对于煤矸石大规模利用而言，将其作为混凝土骨料是最有效的途径之一，同时也为混凝土骨料拓宽了原材料来源。目前，对煤矸石的研究和利用主要分为两种方式：① 将煤矸石作为混凝土骨料，但经过简单破碎后，需要进行筛选或热处理；② 通过烧结工艺将煤矸石制作成陶粒，用作混凝土轻骨料[11]。国内外学者对煤矸石骨料及煤矸石骨料混凝土进行了大量研究，重点集中在煤矸石的理化特性及煤矸石置换率对煤矸石混凝土工作性能、力学性能、体积稳定性、耐久性等方面的影响。此外，学者们还探索了煤矸石混凝土性能的改善措施。研究表明：煤矸石可以替代天然骨料用于水泥混凝土，是一种性能较好的骨料[12]。但受煤矸石成因、化学组成影响，其性能差异显著，如何在个性之中找到共性特点，建立相应的分级分类体系，并根据煤矸石特征、需求进行有效改性，是煤矸石大规模综合利用的关键。因此，本文从煤矸石的理化特性，煤矸石混凝土的工作性能、力学性能、体积稳定性以及耐久性等方面，对煤矸石及煤矸石混凝土的研究现状进行归纳总结，以期为煤矸石的大规模综合利用提供有益的参考。
1 煤矸石的特性
煤矸石是在煤形成过程中与煤系地层共生，由多种矿物岩石组成的混合物，属于沉积岩，其表面多为灰色、灰褐色或褐黑色。煤矸石以产出方式分为过火矸、岩巷矸、煤巷矸、洗矸、手选矸及剥离矸等。在自然存在状态下，分为未燃煤矸石和自燃煤矸石，如图1 所示，这两种煤矸石内部结构差异很大，因此其胶凝活性也有很大区别。自燃煤矸石一般呈现黄色或红褐色。通常煤矸石碳含量波动较大，按照碳含量可以分为 4 个等级，碳含量小于 4% 为少碳， 4%~6% 为低碳，6%~20% 为中碳，大于 20% 为高碳[13]，并且碳含量对于煤矸石强度、吸水率、压碎值等均具有显著影响。目前，采用煅烧除碳处理煤矸石是改善其性能最有效的手段之一，但也有研究表明煅烧除碳处理后的煤矸石吸水率有所提高。此外，如表1 所示，煤矸石表观密度为 2 140~2 640 kg/m3，相对于天然碎石较小，这表明煤矸石的材性较差，不够密实。煤矸石的堆积密度范围为 1 121~1 340 kg/m3，而未燃煤矸石的堆积密度均高于自燃煤矸石，主要因为自燃过的煤矸石内部结构松散以及细小孔隙较多[11]。
图1 粗骨料的外观形貌图[13]
Figure1 Appearance morphology of coal gangue coarse aggregate [13]
表1 不同地区煤矸石的基本物理性能[11]
Table1 Basic physical properties of coal gangue in different areas[11]
续表1
注：带*的压碎值是采用《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005） 中 T0316 试验方法测试，后经关系式 y = 0.816x-5 换算为 T0315 试验结果，其余压碎值均采用《建设用卵石、碎石》（GB/T14685—2022） 的测试方法。
受煤层地质年代、区域、成矿地质环境和开采条件等因素的影响，中国不同区域、不同年代层位和不同采出方式的煤矸石性质不同，但其矿物及化学成分的变化规律基本一致。煤矸石主要矿物成分如表2 所示，占主导地位为黏土矿物，其主要包括伊利石、高岭石、蒙脱石等[8]。煤矸石的化学组成成分绝大部分是无机质和有机质。由表3 可知：中国部分地区煤矸石主要无机质是 SiO2和 Al2O3，其总质量分数可达 60%~90%。在无机质中，铝主要以六配位的形式存在，并且与硅紧密结合，形成了稳定的内部结构，这限制了煤矸石胶凝活性的充分发挥。因此，通过机械活化、热活化、微波活化以及复合活化等方式，改善其胶凝活性[14]。其他无机质还有 TiO2、CaO、MgO、 Fe2O3、K2O、Na2O 等成分，而有机质随着含碳量增加而增多，其中 C、H 是有机质的主要成分，此外，还有 S、O、N 等成分[15]。
表2 煤矸石的典型矿物组成范围[8]
Table2 Typical mineral composition range of coal gangue[8]
压碎值是用于衡量粗集料在逐渐增加荷载的情况下抵抗破碎的能力。煤矸石压碎值的大小与煤矸石的矿物组成成分有关，煤矸石中含一定的软质岩石（泥质的页岩、砂岩）、残留煤、有机质等物质。其中，有机质、残留煤等在燃烧过程中被氧化进而导致煤矸石的化学成分和结构发生变化（孔隙率增大，骨料变疏松），因此造成煤矸石很容易被压碎。不同产地的煤矸石压碎值如表1 所示[17]，其压碎值普遍较大。柴亚南[18] 总结了 5 个省市 40 个矿区的自燃煤矸石和未燃煤矸石的压碎值，其范围为 21.3%~44.4%，整体压碎值偏大，可能是由于其选用的煤矸石主要为自燃煤矸石和洗矸类等强度较低的煤矸石。有研究表明：普通碎石集料是否存在针片状颗粒，对压碎值有较明显的影响。因此，当煤矸石针片状含量较高时，测试得到的煤矸石压碎值也偏大[19]。
骨料的吸水率会直接影响混凝土的工作性能、力学性能以及耐久性能。由于煤矸石产于不同区域和不同时代层位，因此煤矸石的吸水率也有很大差异，并且从表1 也可以看出，中国大部分地区煤矸石的吸水率与天然碎石相比更大[20]。时成林等[21] 对中国 25 个不同产地煤矸石的吸水率进行对比分析，发现煤矸石吸水率为 1.4%~21.9%；杨国栋等[22]对安徽淮北水洗煤矸石进行吸水率测试，得出其吸水率基本低于 3%，几乎接近碎石，这可能是由于煤矸石种类不同，结构差异较大造成的；陈瑞雪[23]研究表明，自燃煤矸石吸水率通常为天然碎石的 9 倍左右，而未燃煤矸石通常为天然碎石的 3 倍左右。自燃煤矸石骨料中毛细孔（100 nm<d<1 000 nm）出现的频率相较天然碎石更多，且毛细孔会对骨料吸水率产生一定的影响；李少伟等[24] 认为，自燃煤矸石骨料粒径较小，其比表面积增大，致使水分的接触面积增大，在一定程度上提高了吸水率。从上述研究成果以及图2 可以看出：煤矸石吸水率大的主要原因是内部结构相对疏松，孔隙率大，细小裂缝多，在很短时间内吸水率可达到最大值，而天然碎石内部结构紧密，导致吸水率较小。因此，在后续煤矸石混凝土配合比的试配中，很多学者采取引入附加用水量的方法，确保煤矸石混凝土满足工作性能和力学性能。
图2 粗骨料的 SEM 图（×5 000）[23]
Figure2 SEM image of coarse aggregate (×5 000) [23]
2 煤矸石混凝土的性能
2.1 煤矸石混凝土工作性能
混凝土工作性能主要表现在其拌和物的流动性、黏聚性、保水性以及坍落度经时损失率等方面。因煤矸石孔隙率较大，吸水率高，掺入煤矸石后，在一定程度上减少了新拌混凝土的自由水量，易造成新拌混凝土干稠，流动性变差，这种变化会严重影响混凝土的施工性能。
周梅等[25] 通过正交试验的方法研究了 C20 强度等级的自燃煤矸石砂轻集料新拌混凝土的工作性能变化规律，其影响因素大小顺序是：附加用水量>砂率>颗粒级配。当附加用水量为煤矸石饱和吸水率的 78% 时，结合最优砂率 44% 和颗粒级配比例 7∶47∶ 46 的条件下，此时煤矸石混凝土的工作性能最佳；牟爽[26] 研究也表明颗粒级配对自燃煤矸石混凝土工作性能具有显著影响，良好的颗粒级配可降低集料的空隙率，各级配粗、细集料相互搭配嵌固，既能构成牢固致密的骨架，又能减少胶凝材料的使用量，提高混凝土的工作性能；肖建华等[27]研究表明自燃煤矸石混凝土拌和物坍落度与骨料含水率呈正相关，与强度呈负相关；Yang 等[28] 试验发现煤矸石的吸水率与煅烧时间成正比关系，且煅烧后的煤矸石可使新拌制的混凝土拌和物流动性能变差。为保证煤矸石混凝土具有良好的工作性能，寻求改善煤矸石混凝土工作性能的方法至关重要；李永靖等[29]将聚羧酸系减水剂和萘系减水剂进行对比分析，发现聚羧酸系减水剂使自燃煤矸石全轻集料新拌混凝土的坍落度经时损失率降低，聚羧酸系减水剂复配引气剂后，混凝土的工作性能也可以得到进一步改善；朱凯[30] 的研究表明将粉煤灰掺入自燃煤矸石新拌混凝土中时，在粉煤灰圆形颗粒滚珠轴承和润滑作用下，能减小浆体和集料之间界面摩擦力，提高混凝土拌和物工作性能。
与天然碎石相比，煤矸石的孔隙率相对较大。当吸水率偏高时，严重影响煤矸石混凝土的工作性能。通过掺入高性能减水剂、优质矿物掺合料、提前预湿骨料等方式，改善新拌混凝土的工作性能，以满足施工要求。
2.2 煤矸石混凝土力学性能
混凝土的强度是衡量材料承受压力的能力。煤矸石混凝土的强度大小决定着它能否达到相应规范的标准以及能否应用于实际工程中。
2.2.1 抗压强度
郝亮等[31] 研究表明：与普通混凝土相比，煤矸石混凝土的强度有明显下降，且煤矸石混凝土抗压强度与普通混凝土抗压强度的破坏形式基本相同，在加载过程中，出现了明显的环箍效应，破坏后呈现出一个完整的棱锥体；刘鸽等[32]在做煤矸石保温混凝土时发现，煤矸石保温混凝土强度、弹性模量与煤矸石掺量呈负相关，强度、弹性模量与煤矸石的视密度、颗粒级配、压碎值、骨料及水泥砂浆界面结合程度相关；马宏强等[33]发现煤矸石混凝土的抗压强度与煤矸石的取代率呈负相关，随着煤矸石取代率的提高，混凝土强度下降明显；邱继生等[34] 指出压碎值是一个重要影响参数，煤矸石的压碎值越大，抗压碎能力越弱，煤矸石混凝土抗压强度越低；沈海昌[35] 研究指出将原状煤矸石作为粗骨料取代天然骨料，不利于混凝土的强度发展。但当煤矸石掺量不超过 20% 时，可保证 C20 和 C30 混凝土的设计强度等级，并且煤矸石掺量对 C20 和 C30 混凝土的早期强度影响较低。
2.2.2 抗折强度
郝亮等[31] 通过正交试验的方法分析了煤矸石混凝土抗折强度的影响规律，影响最大的因素为粉煤灰取代水泥，其次是煤矸石砂取代中砂，最后是煤矸石取代碎石。并指出试件的抗折破坏多发生于水泥砂浆和煤矸石骨料的交界处，煤矸石骨料很少出现折断现象。这说明混凝土抗折强度在很大程度上依赖于砂浆基体的强度，而粗骨料对抗折强度影响相对较小；苏煜翔[20]、董作超[36]研究也发现煤矸石混凝土抗折强度与煤矸石取代率均呈负相关，煤矸石取代率对煤矸石混凝土抗折强度的影响关系如图3 所示。
图3 煤矸石取代率对煤矸石混凝土抗折强度的影响[20]
Figure3 Influence of coal gangue substitution rate on flexural strength of coal gangue concrete[20]
2.2.3 劈拉强度
沈海昌[35] 研究表明煤矸石混凝土的劈拉强度增长率随着煤矸石掺量增大而降低，并认为煤矸石骨料自身力学性能、节理发育及形态等为关键影响因素；吴秀峰等[37] 研究表明：掺加聚丙烯纤维的自燃煤矸石轻集料混凝土劈拉强度破坏与普通碎石混凝土有所不同，劈拉破坏面相对较平，断裂面与煤矸石发生横切，分析认为自燃煤矸石具有表面粗糙、吸水率大等特点，在混凝土凝结硬化前会吸收靠近界面处水泥浆中的自由水，使得靠近交界面处水胶比降低，导致水泥石和自燃煤矸石之间黏结强度增大，所以在一定程度上煤矸石混凝土的抗拉强度取决于自燃煤矸石自身的抗拉强度；牛晓燕等[38] 研究表明：非自燃煤矸石置换率、附加水量以及骨料级配对劈拉强度和弹性模量都有一定的影响，非自燃煤矸石置换率从 0 增加到 100% 时，煤矸石混凝土的抗拉强度与弹性模量均减小了近 50%。图4 为沈海昌[35]、牛晓燕等[38] 在试验中发现的煤矸石取代率对煤矸石混凝土劈拉强度影响的变化规律，从图4 可以看出随着煤矸石掺量增加，劈拉强度逐渐降低。
Figure4 Influence of coal gangue substitution rate on splitting tensile strength of coal gangue concrete [35，38]
煤矸石物理性能差异较大，尤其是煤矸石的压碎值波动范围非常大，对煤矸石混凝土的物理力学性能产生显著影响。因此，在制备煤矸石混凝土时，宜根据煤矸石的特性对煤矸石掺量进行合理控制，以满足结构设计的物理力学性能要求。
3 煤矸石混凝土的体积稳定性
体积稳定性是现代混凝土最为重视的特性之一，混凝土体积变形易导致混凝土开裂，进而影响混凝土的结构安全，因此提高混凝土体积稳定性至关重要。在煤矸石混凝土中，煤矸石自身特性是影响体积稳定性的关键因素。
顾云等[39] 对比了普通混凝土与煤矸石混凝土在 120 d 内的收缩应变，当煤矸石掺量从 0 增加到 60% 时，煤矸石混凝土的收缩应变随着养护龄期的增加而增大，且普通混凝土的收缩应变大于煤矸石混凝土，这是因为煤矸石的堆积密度比碎石大，约束了煤矸石混凝土的收缩；崔正龙等[40] 取不同养护环境、不同自燃煤矸石替换率作为变量，测试了 C30 强度的自燃煤矸石混凝土干燥收缩裂缝抵抗性能，发现在相同干燥环境下，随着自燃煤矸石替换率提高，混凝土自由干燥收缩率增大，相应质量损失增加；与此同时随着干燥温度升高，干燥收缩开裂龄期提前，开裂后混凝土拉应力均值趋近于 2.91 MPa；李永靖等[41]研究表明：煤矸石混凝土干燥收缩率和质量损失率均是普通混凝土干燥收缩率的 2 倍，并指出煤矸石的干燥收缩率和质量损失率与煤矸石粗、细骨料的吸水率、孔隙率密切相关；王晴等[42] 用正交试验的方法验证了煤矸石混凝土收缩性能的影响规律，影响因素从大到小依次排序为：水胶比>粉煤灰>煤矸石，试验得出最佳配合比。当煤矸石替代碎石量为 55%，粉煤灰取代水泥量为 35%，水胶比 0.44 时，混凝土的收缩应变最小，仅为 245.845×10－6。图5 为不同龄期下，混凝土收缩应变随煤矸石掺量变化规律。由图5 可知：随着龄期的增加，不同掺量煤矸石混凝土的收缩应变规律类似。
图5 煤矸石置换率对混凝土收缩应变的影响[42]
Figure5 Influence of coal gangue substitution rate on concrete shrinkage strain [42]
混凝土体积稳定性与骨料的特性有很重要的关系，煤矸石与天然骨料存在显著差异，特别是煤矸石多孔隙、高吸水的特性，对煤矸石混凝土的体积稳定性影响显著。充分利用煤矸石的高吸水性，通过提前预湿，形成“内养护”效果，用来改善煤矸石混凝土的自收缩性能。
4 煤矸石混凝土的耐久性能
由于煤矸石骨料孔隙率高、吸水率和压碎值偏大，煤矸石种类较多且品质和成分差异较大等原因，导致其耐久性能备受关注。
4.1 抗渗透性能
混凝土的抵抗渗透能力是耐久性最主要的指标之一。陈彦文等[43] 研究指出随着煤矸石替换率的增大，煤矸石混凝土抗渗透能力逐渐下降，这与煤矸石中裂纹、缝隙较多有很大关系，氯离子受电流影响，沿煤矸石缝隙迅速运移，导致混凝土抗渗透能力减弱；马宏强等[33] 通过快速氯离子渗透试验表明：掺加煅烧过的煤矸石粗集料，有利于提高混凝土抗氯离子渗透性能，这是因为煤矸石具有固化氯离子的能力，并且还认为煅烧可致使煤矸石中晶相成分发生分解，产生火山灰活性物质 SiO2 和 Al2O3，活性物质参与二次水化反应，形成 C-S-H、C-A-S-H 凝胶，使得内部结构紧密，从而提高氯离子固化能力； 邱继生等[44] 研究表明：随着煤矸石替换率增大，煤矸石混凝土抗氯离子侵蚀性能呈先增后减的变化规律，氯离子表观扩散系数呈先降后升的变化规律，多害孔则呈先减后升的变化趋势，且认为煤矸石替换率达到 40% 时，不利孔数量最少，孔隙结构最好，孔隙体积分形维数最大，抗氯离子侵蚀性能最佳；王晴等[45] 采用正交分析法研究了煤矸石特性对混凝土渗透性能的影响，认为煤矸石混凝土抵抗氯离子渗透的影响因素中水胶比的影响最为显著，砂率和集灰比影响较大，级配影响最小。当水胶比为 0.39，砂率为 43%，集灰比为 4.2，集料级配为 1.2 时，配制的煤矸石混凝土抗氯离子渗透能力达到最优；张金喜等[46]研究认为，砂浆饱水高度随着煤矸石掺量增加而增大，说明煤矸石掺量过多时加速了水对砂浆渗透作用，使水泥砂浆耐久性下降，这与其砂浆内部具有一定连通孔隙通道有关；李永靖等[47] 的研究表明：煤矸石混凝土的氯离子迁移系数随着水胶比的增加而升高，掺粉煤灰能改善煤矸石混凝土的抗氯离子渗透性能，氯离子渗透深度随着粉煤灰掺量的增加而降低。
4.2 抗冻性能
冻融循环破坏机制表明：自由水的存在是混凝土发生冻害的前提条件，而煤矸石吸水率较高，可能会加剧混凝土的盐冻或冰冻破坏程度，进而影响煤矸石混凝土结构物的使用寿命。
白朝能等[48] 指出煤矸石混凝土在冻融循环过程中的损伤随着煤矸石掺量增加而加剧，与普通混凝土相比，经过 75 次冻融循环后，煤矸石混凝土的抗压强度降低了 51.0%~79.7%。随着冻融循环次数的增加，煤矸石混凝土内部会因孔隙水体积膨胀而产生冻胀应力，使煤矸石混凝土产生新的裂缝和空隙，继而弹性模量下降，最终导致煤矸石混凝土破坏。陈彦文等[43] 研究表明：当煤矸石替换率大于 60% 时，煤矸石混凝土在经过 300 次冻融循环后，C30 煤矸石混凝土动弹性模量降低幅度大于 40%，质量损失率接近 5%。煤矸石替换率最大时（100%），C30 煤矸石混凝土动弹性模量损失量较普通混凝土减少了 28.38%；刘世等[49]指出自燃煤矸石混凝土经过冻融循环作用后对吸水性有显著影响，煤矸石混凝土的累积吸水高度、初始吸水率显著提高；李永靖等[50] 研究指出，经 300 次冻融循环之后，煤矸石混凝土各项抗冻性能指标均能达到要求，但是在制备煤矸石混凝土过程中加入高性能减水剂，可降低水的用量，增强抗冻融循环能力；邱继生等[51] 研究表明：随着冻融循环次数增多，导致煤矸石混凝土内部大孔隙显著增多，混凝土内部会出现明显的冻融损伤。但当掺入 0.6 kg/m3 聚丙烯纤维时，可显著改善和细化掺加 40% 煤矸石骨料混凝土的内部孔隙；张向东等[52]对比研究了无机盐防冻剂（氯化钙、硝酸钙、亚硝酸钙） 和有机防冻剂（无水乙二醇）对新拌掺减水剂煤矸石混凝土抗冻性能的影响，发现无水乙二醇掺量在 1% 以内，可以避免煤矸石混凝土出现早期的冻伤损坏，并提高 10%~30% 的抗冻融破坏能力；邱继生等[53] 试验研究表明：在冻融环境中，掺加适量钢纤维，能提高煤矸石混凝土抗冻性能，降低煤矸石混凝土质量损失率及动弹性模量。
4.3 抗碳化性能
混凝土碳化是导致钢筋锈蚀损坏的主要因素。当混凝土碳化深度超过保护层厚度后，裂缝扩展使钢筋裸露出来，裸露的钢筋表面钝化膜被破坏，最终导致钢筋锈蚀，结构构件破坏。因此，混凝土的碳化性能，也是混凝土耐久性的评价指标之一。
由世岐等[54]经研究后认为，自燃煤矸石轻集料混凝土和普通混凝土碳化深度规律相同，碳化深度随着时间增加而增加，即使煤矸石混凝土碳化深度已达到钢筋保护层厚度，内部的钢筋仍无锈蚀现象。因此，只需要按不同的环境类别分别约束结构混凝土的最大水灰比、最小水泥掺量、最低混凝土强度等级、粉煤灰替代量、抗碳化等耐久性指标，自燃煤矸石轻集料混凝土完全能够达到耐久性要求。李庆文等[55]研究表明：煤矸石轻骨料混凝土的碳化深度与其水灰比、养护龄期呈正相关，而与其强度、水泥用量、相对湿度呈负相关；王洋等[56]通过正交优化设计，确定了影响煤矸石混凝土抗碳化性能的 4 个因素，影响最大的是水胶比，硅灰掺量、煤矸石掺量影响次之，减水剂掺量影响最小；易成等[57]研究表明：随着煤矸石掺量（原状煤矸石和煅烧煤矸石）和水灰比的增大，煤矸石混凝土的碳化深度不断增大，并通过试验分析得出，当低水灰比（0.35）时，煅烧煤矸石可改善混凝土抗碳化性能，这是由于煅烧后煤矸石骨料产生了大量孔隙，未经预湿的骨料会吸收混凝土内的水，造成了煤矸石混凝土实际水胶比下降，从而使得煤矸石混凝土内出现空隙的可能性减小，且煅烧后的煤矸石骨料，表面活性物质 SiO2、Al2O3与水泥水化反应生成的 Ca（OH）2发生二次水化，如图6 所示，新产物 C-S-H 凝胶 AFt 及含铝相的水化产物将使界面过渡期 ITZ 的内部孔隙致密，继而抑制 CO2向内部渗透。
图6 煤矸石骨料混凝土的 SEM 形貌[57]
Figure6 SEM morphology of coal gangue aggregate concrete [57]
混凝土的抗渗性、抗冻性、抗碳化性能都是混凝土重要的耐久性指标，煤矸石的疏松多孔结构以及内部连通孔隙通道直接关系到混凝土耐久性能。根据煤矸石混凝土使用环境及设计要求，在配制混凝土时应充分考虑煤矸石骨料的特点，进行优选和限制。也可根据耐久性需求，通过掺配优质天然骨料或矿物掺合料的方式来改善煤矸石混凝土的耐久性。
5 结论
（1）煤矸石作为一种产量大、堆存量多的固体废弃物，其利用率相对较低。将煤矸石作为骨料，不仅可以大量消耗煤矸石，避免大量开采自然资源，还为建筑材料的生产提供了新来源，积极响应了国家低碳绿色发展的产业政策，若能实现煤矸石的大规模利用，将具有深远的战略意义。
（2）煤矸石种类多且性能差异大，在工程应用中不利于质量控制，严重制约了煤矸石的规模化利用。因此，需建立科学合理的分级分类体系，以指导煤矸石在实际工程中的大规模综合利用。
（3）煤矸石的吸水率偏高、压碎值偏大，多用于制备低强度等级的混凝土，制约了煤矸石向高强混凝土的方向发展，可以通过掺配天然骨料或优质矿物掺合料的方式对煤矸石混凝土进行改性，以提升其力学性能、改善体积稳定性和耐久性。
（4）自燃型煤矸石的结构疏松多孔、比表面积大，吸水率高，在混凝土设计中可充分利用其密度小、吸水率高的优点，制备出具有内养护功能的低收缩轻质混凝土，从而实现特种煤矸石的高值化利用。
（5）活性低是制约煤矸石利用率提升的关键因素之一，尤其是未燃型煤矸石因活性低而难以大规模应用。为解决该问题，可通过机械活化、热活化、微波活化以及复合活化等方式提高其反应活性，进而扩大其应用范围。
（6）尽管煤矸石作为混凝土骨料的研究目前较为成熟，但缺乏实体工程长期应用的数据积累，应加强监测煤矸石混凝土在实体工程应用的长期性能，并形成相应煤矸石混凝土的产品标准，规范指导煤矸石混凝土的大规模应用。
