馮春花，陳 鈺，黃益宏，郭 暉，朱建平

(河南理工大學材料科學與工程學院，焦作 454003)

0 引 言

煤矸石是煤炭開采和洗煤過程產(chǎn)生的殘渣物質，占原煤產(chǎn)量的15%～20%。目前，我國煤矸石堆存量高達70億噸，每年仍以5～8億噸的排放量逐漸遞增[1]。我國煤矸石的利用途徑以發(fā)電、建筑材料生產(chǎn)、井下充填、采空區(qū)回填等為主[2-3]。但上述途徑不能充分消耗煤矸石，仍有大量的煤矸石露天堆放，占用大量土地資源的同時，會發(fā)生煤矸石山自燃、坍塌及重金屬離子浸出污染環(huán)境等現(xiàn)象。

混凝土作為使用廣泛的建筑材料，需要消耗大量的骨料，天然骨料的開采對環(huán)境造成嚴重破壞。研究人員[4-7]認為選用煤矸石直接破碎、篩分作為骨料用于混凝土，既可解決大量煤矸石堆積產(chǎn)生的環(huán)境問題，也可緩解建筑行業(yè)對天然砂石骨料的需求。但煤矸石骨料孔隙率大、針片狀含量高等缺陷限制了其在混凝土行業(yè)中的應用，如何處理煤矸石并使其廣泛用于混凝土中已成為行業(yè)工作者關注的重點問題之一。

本文對煤矸石骨料及其改性技術進行了綜述，簡述了煤矸石骨料的基本特性，總結了煤矸石作為骨料在混凝土中的應用進展，探究了煤矸石骨料對混凝土性能的影響，并對煤矸石骨料的改性處理技術進行了歸納分析，為實現(xiàn)煤矸石的高效利用提供有意義的借鑒。

1 煤矸石骨料的物化特性

1.1 物理特性

煤矸石是成煤過程中伴煤而生的巖石，含碳量為20%～30%。碳的存在是煤矸石骨料輕質、低強的主要原因。隨著碳含量的增加，骨料的表觀密度降低，吸水率和壓碎指標增加。原狀煤矸石(raw coal gangue,RCG)表觀密度在2 020～2 610 kg/m3，吸水率為1.9%～8.4%，普遍高于天然骨料(natural aggregate,NA)，孔隙率最高可達52%以上[8-10]，結構較天然骨料更為疏松多孔，破碎后多呈針狀、層狀或片狀，壓碎指標為天然骨料的2～5倍[8]。在煤矸石堆積過程中，內(nèi)部熱量不斷聚集，發(fā)生自燃，自燃后的煤矸石稱為自燃煤矸石，自燃煤矸石(spontaneous coal gangue,SCG)孔隙和裂紋較多，吸水率增加，強度下降，壓碎指標增至天然骨料的5～6倍[11]。

1.2 化學特性

煤矸石的主要礦物成分為石英和高嶺石，化學成分主要為Al2O3和SiO2。根據(jù)氧化物含量將煤矸石分為黏土巖矸石(SiO2(40%～70%)、Al2O3(15%～30%))、砂巖矸石(w(SiO2)>70%)、鋁質巖矸石(w(Al2O3)>40%)和鈣質巖矸石(w(CaO)>30%)4類[12]。表1為各地常用煤矸石骨料的主要化學成分，SiO2的質量分數(shù)為39.08%～63.07%，Al2O3的質量分數(shù)為19.60%～36.34%，多屬于黏土巖矸石。

表1 各地煤矸石化學成分Table 1 Chemical composition of gangue in different regions

2 煤矸石骨料對混凝土性能的影響

2.1 工作性能

煤矸石骨料的多孔結構導致其吸水率較大，從而降低了混凝土的工作性能。Gao等[20]發(fā)現(xiàn)混凝土的流動性隨煤矸石粗骨料摻量的增加而降低，特別是當煤矸石摻量為100%時，混凝土的流動性降低了55%。同時，Li等[5]發(fā)現(xiàn)水灰比為0.3、0.4和0.5時，煤矸石粗骨料混凝土(煤矸石摻量為100%)的流動性較普通混凝土分別降低53%、25%和20%。

適當增加煤矸石混凝土的用水量可以確保施工過程所需要的流動性。周梅等[21]對自燃煤矸石粗骨料進行1 h的預浸泡處理，使骨料含水量達到其吸水率的80%，此時煤矸石混凝土的工作性能可接近普通混凝土，且強度等級滿足設計要求。利用粉煤灰填充煤矸石骨料表面的微孔及其滾珠效應來減少混凝土混合物顆粒表面的內(nèi)摩擦或使用高效減水劑，可提高混凝土工作性能。

2.2 力學性能

煤矸石骨料具有吸水率高、力學性能差的特點。通常認為，煤矸石細骨料摻量在一定范圍(20%～50%)內(nèi)對混凝土強度有提升作用[5-7]，此時煤矸石細骨料的多孔吸水作用優(yōu)化了砂漿的傳力結構，而煤矸石粗骨料混凝土的強度隨摻量的增加而降低[8,11,22]。圖1展示了不同強度等級下煤矸石混凝土抗壓強度及其失效模式[8,23]，從圖1(a)中可以看出，在不同等級的混凝土中均存在抗壓強度隨煤矸石粗骨料摻量增加而降低的現(xiàn)象，且在C50等級時更加明顯。圖1(b)、(c)為煤矸石粗骨料混凝土的兩種受力破壞模式(其中淺色部分代表砂子，深色部分代表煤矸石粗骨料)：在C25等級的混凝土中，RCG和SCG摻量變化不影響混凝土的破壞形式，裂縫沿界面過渡區(qū)等薄弱區(qū)域發(fā)展；當混凝土等級為C30時，RCG混凝土破壞模式不變，混凝土中薄弱區(qū)域仍為界面過渡區(qū)，但隨SCG摻量的增加，特別是當摻量高于50%時，骨料無法承載剪切應力破壞導致自身發(fā)生斷裂，此時SCG高吸水率及其表面的活性作用改善了粗骨料與水泥砂漿基體界面的黏結強度，混凝土力學性能薄弱區(qū)由界面過渡區(qū)處轉為骨料本身的高孔隙、多裂紋處；C50中RGG和SCG摻入均顯示為骨料本身受力斷裂，可見隨著混凝土強度等級的提高，煤矸石骨料的摻入削弱了混凝土的承載結構，降低了混凝土的抗變形能力，骨料本身無法有效阻止裂紋的擴展。煤矸石低強特性影響其在高等級混凝土中的使用。

圖1 不同強度等級下煤矸石混凝土抗壓強度及其失效模式Fig.1 Compressive strength and failure mode of coal gangue concrete under different strength classes

圖2為C30煤矸石混凝土的抗壓強度及其增長率，其中柱狀圖表示不同齡期下煤矸石混凝土的抗壓強度，折線圖為抗壓強度的增長速率。當煤矸石粗骨料摻量為100%時，仍能滿足C30混凝土的標準。煤矸石混凝土在3～7 d及7～28 d時，強度增長率較高，分別為33.6%和25.5%，主要是因為煤矸石骨料的高吸水性在成型階段吸收大量的水，減少了混凝土早期水化產(chǎn)物的生成，在養(yǎng)護階段骨料中的水緩慢釋放，達到一定的內(nèi)養(yǎng)護效果，但煤矸石混凝土后期強度(28～60 d及60～90 d)增長率明顯下降，僅有8.7%和3.4%。此外，Yao等[24]也發(fā)現(xiàn)，隨煤矸石骨料摻量增加，混凝土極限抗壓強度增長幅度變慢。事實上，Zhang等[11]研究煤矸石骨料摻量對界面過渡區(qū)性質的影響時發(fā)現(xiàn)，煤矸石骨料與水泥漿體結合較差，從微觀角度論證了煤矸石的摻入對混凝土強度提升有負面影響這一結論。

圖2 C30 煤矸石混凝土抗壓強度及其增長速率[24]Fig.2 Compressive strength of C30 coal gangue concrete and its growth rate[24]

煤矸石中碳含量和骨料級配對混凝土的強度均有較大的影響。劉瀚卿等[25]發(fā)現(xiàn)使用不同礦區(qū)的煤矸石，當碳含量由0.91%增加至2.09%時，煤矸石混凝土的抗折強度降低了32.6%，且隨煤矸石摻量的增加，煤矸石中碳含量變化對抗折強度的負面作用更為顯著。Zhang等[11]發(fā)現(xiàn)SCG粒徑越小，混凝土強度越高，但粒徑變化對混凝土強度影響程度相對較小，這一規(guī)律與天然骨料相似[26]；選用合理骨料級配(富勒曲線n=0.62)時，煤矸石混凝土密度最高、孔隙率最低，混凝土28 d抗壓強度也得到提升[27]。

選用長度為18 mm、摻量為0.1%的玄武巖纖維[28]或摻量為0.3%的玻璃纖維[29]，可有效提高煤矸石混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度，且在一定范圍內(nèi)，纖維摻量的增加可延緩混凝土的開裂時間，減少混凝土開裂。當聚酯(PET)纖維摻量為0.1%時，煤矸石細骨料混凝土的立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度、軸向抗壓強度和相對彈性模量分別提高了7.2%、7.9%、3.2%和19.2%[7]。摻入0.6 kg/m3的聚丙烯(PP)纖維在砂漿中通過裂縫橋接效應減少了裂縫擴展[30]。

2.3 耐久性

混凝土作為一種多孔材料，水分子可通過孔隙攜帶有害離子進入基體內(nèi)部，加速混凝土結構的破壞。煤矸石自身存在的裂縫和孔隙在成型過程中被引入混凝土內(nèi)部，提高了混凝土毛細吸水特性，混凝土的初始毛細吸水率增速變快[31]，嚴重影響混凝土的耐久性。

煤矸石混凝土的抗?jié)B性能總體隨煤矸石骨料摻量的增加而降低，且隨水膠比增加，上述趨勢更加明顯[32]。劉世等[33]通過冪函數(shù)形式的擴散系數(shù)預測煤矸石混凝土內(nèi)部水分子的分布規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)煤矸石摻量為30%時，煤矸石混凝土毛細吸水性與天然骨料混凝土相當，全取代時毛細吸水深度增加23%，嚴重影響混凝土的抗?jié)B性能。

李永靖等[34]的研究表明，煤矸石粗骨料的摻入對混凝土的抗凍性能有較為明顯的負面作用，當煤矸石摻量增加時，凍融損傷值迅速增加；盡管全取代煤矸石骨料混凝土的抗凍性能仍能滿足規(guī)范要求，但對于抗凍性要求高的混凝土結構，煤矸石的摻量不應超過40%。Qiu等[35]發(fā)現(xiàn)隨煤矸石摻量的增加，混凝土抗壓強度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，這是因為煤矸石骨料毛細孔隙中的水在凍融循環(huán)作用下結冰形成凍脹水。李霖皓等[36]認為當煤矸石摻量大于30%時，C30混凝土在凍融循環(huán)作用下的外觀形貌發(fā)生顯著變化，質量損失率增大，相對動彈性模量大幅降低。利用凍融環(huán)境下的毛細吸水性變化評價混凝土抗凍性[30]，發(fā)現(xiàn)相同凍融環(huán)境下煤矸石混凝土的毛細吸水能力高于普通混凝土，且吸水量隨煤矸石摻量增加而增大，凍融循環(huán)次數(shù)越多，毛細吸水性能越強。利用礦渣微粉后期火山灰活性，可達到優(yōu)化混凝土孔隙，提高煤矸石混凝土抗凍性的目的[37]。

顧云等[38]對煤矸石混凝土的抗氯離子滲透性能進行了研究，結果表明，隨煤矸石摻量的增加，抗氯離子滲透性呈先增大后減小的趨勢，當煤矸石摻量為45%時，抗氯離子滲透性較好，原因可能是骨料本身多孔結構具有一定固結氯離子的能力，隨摻量增加，多孔所帶來的負面影響占據(jù)主導地位。當煤矸石摻量為80%時，抗氯離子滲透能力仍高于普通混凝土[39]。使用摻量為7%的硅灰時[15]，煤矸石混凝土抗氯離子滲透能力可得到提升，且前期開裂現(xiàn)象也得到有效改善。

董作超[40]發(fā)現(xiàn)煤矸石骨料混凝土的碳化深度隨水膠比、骨料摻量及碳化時間的增加而增大，且碳化深度與水膠比和骨料摻量呈線性關系，與碳化時間呈對數(shù)關系，即前期碳化速度較快，后期較為緩慢。同時，王洋等[41]利用正交試驗發(fā)現(xiàn)水膠比對碳化性能影響比摻量更大。混凝土強度、水膠比、水泥用量均對自燃煤矸石混凝土的碳化性能產(chǎn)生影響，這主要是因為上述因素均可影響混凝土的密實度及孔隙率。養(yǎng)護齡期與碳化深度呈正相關，在3～14 d的齡期里，碳化深度增長率顯著提升，隨齡期增長，增長率逐漸減小，相對濕度與碳化深度呈負相關，溫度與碳化深度呈正相關[42]。

2.4 界面過渡區(qū)

混凝土可視為由水泥漿體、骨料和界面過渡區(qū)(interfacial transition zone,ITZ)組成的三相復合材料。界面過渡區(qū)具有多裂縫和高孔隙率的特點，其內(nèi)部缺陷的存在為有害離子的傳輸提供了通道，是混凝土結構和性能破壞的發(fā)源地[43]。

煤矸石骨料的摻入影響界面過渡區(qū)性能。Zhou等[8]發(fā)現(xiàn)隨著原狀煤矸石粗骨料摻量增加，界面過渡區(qū)逐漸變得更厚、更疏松，形狀不規(guī)則且疏松多孔的顆粒數(shù)量增加，主要是因為附著在原狀煤矸石骨料表面的煤等雜質對水泥基體間黏結性能產(chǎn)生負面影響。Zhang等[11]發(fā)現(xiàn)在28 d時，天然骨料混凝土界面過渡區(qū)處有纖維狀水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠產(chǎn)生，此時骨料和水泥砂漿之間的黏結強度較高；在摻量為50%和100%自燃煤矸石骨料混凝土中僅觀察到絮狀、無定形C-S-H凝膠，甚至可以觀察到未水化的粉煤灰，界面處水化程度較低。王晴等[44]的研究也證明了這一點，盡管自燃煤矸石骨料具有能與水泥水化產(chǎn)物反應的活性表面，一定程度上改善了界面的性能，但界面過渡區(qū)仍為薄弱區(qū)。上述現(xiàn)象使得煤矸石作為骨料時，與水泥砂漿結合的界面區(qū)域容易破裂，這與煤矸石骨料混凝土養(yǎng)護后期(28～90 d)強度增長緩慢的現(xiàn)象相對應[24]。

綜上所述，煤矸石骨料的摻入會降低界面過渡區(qū)性能。在使用煤矸石做骨料用于混凝土時，除了通過適當減小骨料粒徑降低界面過渡區(qū)孔隙率和未水化水泥含量[45]，改善界面過渡區(qū)性能外，對骨料表面進行改性處理，提高骨料與水泥漿體間的黏結性能，也是合理提高煤矸石混凝土界面過渡區(qū)性能的途徑之一。

3 煤矸石骨料改性技術

煤矸石混凝土性能相對較差，與煤矸石骨料自身缺陷密切相關。目前常用的煤矸石骨料改性技術包括表面包覆技術、水玻璃改性技術、熱活化技術以及微生物礦化技術。

3.1 表面包覆技術

與天然骨料相比，煤矸石骨料具有疏松多孔的表面且礦物成分具有高度非均質性。表面包覆處理方式通常是采用水泥漿液對煤矸石骨料進行包覆處理，在煤矸石表面形成包覆外殼，既可以提高骨料表面的黏結力，又使煤矸石破碎面尖銳及層狀解理面薄弱的問題得到改善；另一方面，水泥水化產(chǎn)生的C-S-H凝膠，也是煤矸石骨料強度提升的主要原因。

處理過程可同時摻入活性礦物粉末或納米材料[46-47]?；钚缘V物粉末本身具有較大表面活性，可與水泥的水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生火山灰反應，生成水化硅酸鈣，促進水泥水化反應，在提高煤矸石骨料強度及耐水性的同時，進一步改善骨料性能[48]。包覆外殼提高骨料強度的同時，水泥的加入使得界面過渡區(qū)處水泥總量增加，水膠比降低，骨料與水泥砂漿膠結能力提升，摻入的活性粉末可細化界面處微觀結構，填補孔隙，降低骨料的吸水率。

高文志等[16]使用水膠比為0.5的水泥漿液對煤矸石進行包覆處理用于混凝土中，發(fā)現(xiàn)C15～C40混凝土較未處理的煤矸石粗骨料混凝土28 d抗壓強度均得到提升，且混凝土后期力學性能保持持續(xù)增長，但當齡期大于90 d時，煤矸石混凝土的抗壓強度增長緩慢，這與未處理的煤矸石骨料混凝土具有相同趨勢。

3.2 水玻璃改性技術

煤矸石通常是由礦物顆粒堆積而成，顆粒間黏結強度低。針對這一現(xiàn)象，可以選用水玻璃浸泡處理煤矸石骨料。

水玻璃對煤矸石骨料改性處理過程分為兩部分:(1)水玻璃在二氧化碳作用下硬化生成硅酸凝膠，同時水玻璃水解反應生成一部分硅膠顆粒；(2)煤矸石中的金屬陽離子也會與硅酸根離子作用，生成硅酸鈣、硅酸鎂等成分，生成物在煤矸石的吸附作用下，填充骨料的孔隙，煤矸石的密實度增加[49]，強度提高。水玻璃的模數(shù)、濃度及浸泡時間等均會影響煤矸石的強化效果。

利用多種化學試劑復合作用進行浸泡，一定條件下能夠得到更優(yōu)異的強化效果。溫久然等[17]在實驗中發(fā)現(xiàn)，選用質量分數(shù)為4%的氯化鈣，浸泡1 h后，再用質量分數(shù)為6%的水玻璃浸泡1 h，煤矸石細骨料的強度提升了52.43%，骨料的耐水性也得到提升，圖3顯示了化學浸漬處理對煤矸石微觀結構的改善效果。相對于圖3(a)，圖3(b)中有更多的微小顆粒填充煤矸石表面，這是因為氯化鈣本身可與水玻璃作用生成水化硅酸鈣凝膠填充于煤矸石孔隙，阻止水分子進入骨料內(nèi)部，提高耐水性。反應式如式(1)所示。

圖3 改性前后煤矸石微觀形貌對比[17]Fig.3 Comparison of microscopic morphology of raw coal gangue and modified coal gangue[17]

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3.3 熱活化技術

熱活化處理是指高硅鋁含量的煤矸石(主要礦物成分為高嶺石和石英)經(jīng)高溫煅燒后，煤矸石內(nèi)部的碳質及有機物被有效去除，高嶺石轉化為活性偏高嶺石[50]，骨料中產(chǎn)生大量非晶態(tài)SiO2和Al2O3?；炷琉B(yǎng)護過程中，骨料表面的非晶態(tài)物質與水泥水化過程的Ca(OH)2在界面過渡區(qū)處發(fā)生火山灰反應[4,46]，達到改善水泥基材料的孔結構、優(yōu)化界面過渡區(qū)性能的目的[51]。研究[18]發(fā)現(xiàn)，煤矸石骨料在煅燒過程中，有機成分和碳質在475 ℃左右被燒去，500 ℃時，高嶺石開始轉化為偏高嶺石，600 ℃以上溫度煅燒后煤矸石中的O—H和Al—OH振動峰消失，Si、Al結構轉變，煤矸石產(chǎn)生活性。700 ℃左右時高嶺石完全轉化，當煅燒溫度升至950 ℃時，煤矸石骨料中的偏高嶺石進一步轉化為莫來石。

熱活化處理過程，溫度的影響至關重要。Zhang等[52]、Cao等[19]認為煤矸石在700～800 ℃煅燒后具有相對較高的活性。Zhu等[53]對4.75～9.5 mm粒徑的煤矸石骨料進行750 ℃煅燒后，骨料壓碎值降低了6.0%，成型后混凝土7 d和28 d抗壓強度比原狀煤矸石混凝土分別高出44.5%和20.7%；煅燒后的煤矸石混凝土界面過渡區(qū)處顯微硬度較煅燒前提高34.3%，有效提升了界面性能。此外，Yang等[54]實驗發(fā)現(xiàn)煅燒10 min與120 min后的煤矸石骨料與水泥基材料間界面差異不大，對于熱活化處理煤矸石骨料來說，保證骨料表面進行活化即可。

3.4 微生物礦化技術

一般認為鈣源類型、溶解無機碳濃度、pH值、成核中心位置可用性等因素均可決定礦化沉積的效果[59]。其中成核中心位置的可用性則在更大程度上影響著MICP技術對煤矸石骨料的改性效果[60]。研究發(fā)現(xiàn)，氯化鈣為鈣源時，能得到更多沉積產(chǎn)物，pH值為9.5時，更適合礦化沉積過程的發(fā)生。此外，煤矸石中含有的Cd、Cr、Cu、Ni和Pb等重金屬與MICP過程中生成的碳酸鹽離子結合，以碳酸鹽的形式生成沉淀[61-62]。其中脲解型菌群通過尿素水解過程是完成重金屬固定的重要途徑[63](圖4為尿素水解生成碳酸鈣過程[64])，方解石晶型的碳酸鈣沉淀被認為吸附重金屬能力較強。這是因為在MICP過程中，離子半徑接近Ca2+的重金屬離子，如Cu2+、Pb2+和Cd2+，可以通過替換晶格中的Ca2+與方解石晶體結合[64]。

圖4 尿素水解生成碳酸鈣過程[64]Fig.4 Urea hydrolysis resulting calcium carbonate formation[64]

De Muynck等[65]發(fā)現(xiàn)MICP可使砂漿試件的吸水率(降低65%～90%)、碳化率(降低25%～30%)和氯離子遷移率(降低10%～40%)均降低，同時抗凍性得到提高。Zhang等[66]選用2.5～4.75 mm的煤矸石細骨料進行直接浸泡，發(fā)現(xiàn)當溫度為20 ℃、細菌濃度為108CFU/mL、沉淀足夠數(shù)量的CaCO3顆粒(質量為煤矸石骨料的2.5%)時，骨料的吸水率降低了2.7%，砂漿吸水率降低了16.5%，抗壓強度也略有提升(提升了2.2%)。同時，煤矸石中Cd、Cr、Cu、Ni和Pb的固定化效率達到85.71%、71.57%、49.29%、48.04%和40.05%，實現(xiàn)了煤矸石骨料的安全應用。

3.5 骨料改性技術存在的問題

3.5.1 表面包覆技術

表面包覆處理技術對于骨料自身強度及其與水泥漿體界面過渡區(qū)性能均有較為明顯的改善，但當表面包覆材料強度高于骨料強度時，骨料受力破碎仍在骨料內(nèi)部發(fā)生，且骨料本身與包覆材料易形成新的界面過渡區(qū)，界面性質難以測定。在使用表面包覆處理煤矸石骨料時，考慮水膠比、漿液種類、包裹厚度及包裹方式對處理效果的影響尤為重要。

3.5.2 水玻璃改性技術

水玻璃在對骨料進行強化處理時，早期強化效果較好，但隨著時間的增加，增強效果常表現(xiàn)為不增反降的趨勢[67]；高模數(shù)的水玻璃溶液對煤矸石骨料的浸泡時間要求更為嚴格，浸泡時間過短性能提升不夠明顯，過長會導致堿-硅反應，降低水泥石中分子間作用力，導致后期強度降低[41]。在使用化學浸漬處理時，應系統(tǒng)探究濃度、模數(shù)、浸泡時間以及輔助使用的化學試劑對煤矸石骨料的改性處理效果。

3.5.3 熱活化技術

熱活化處理技術能耗較高，且熱活化處理時，煤矸石骨料中的碳被燒除，內(nèi)部產(chǎn)生孔隙，骨料表面產(chǎn)生微裂紋，吸水率升高。盡管骨料與水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應能夠生成更多膠凝物質，緩解一部分負面效應，但礦物相的改變對煤矸石骨料微結構的影響尚不明確，骨料自身孔隙率及微裂紋的產(chǎn)生對混凝土耐久性的影響也需進一步探究。

3.5.4 微生物礦化技術

MICP改性技術作為一種新興的煤矸石骨料改性方法具有環(huán)境友好、低能耗、可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)勢，在對煤矸石骨料強化的同時可將煤矸石骨料中重金屬成分固定于骨料內(nèi)部，阻止重金屬的析出，避免在使用煤矸石過程中造成重金屬的污染，提高骨料使用的安全性能。但MICP處理時間較長，且前期培養(yǎng)中細菌種類、培養(yǎng)基成分、溶液酸堿度等影響因素對礦化效果均有較大的影響，同時對于微生物強化改性煤矸石骨料這一過程，成核中心位置的不確定性也會大幅降低礦化改性效果。選用不同的處理手段如直接浸泡、循環(huán)浸泡以及改變浸泡位置等方式改變成核中心位置可增強細菌礦化效果并使其對裂縫的改性具有針對性和高效性，使得反應發(fā)生在骨料表面的薄弱處及內(nèi)部的微裂紋等位置，這對提升MICP處理效果有著重大意義。

4 結語與展望

隨著國家對固廢綜合利用的重視，利用煤矸石制備骨料這一利用途徑受到建筑行業(yè)的廣泛關注。煤矸石骨料力學性能差的特性限制其在高等級混凝土中的使用，同時骨料的多孔結構對混凝土構件的耐久性也有負面影響。針對煤矸石骨料缺陷進行改性處理使其大規(guī)模應用于混凝土中具有較大的研究意義。鑒于骨料改性技術中存在的問題，筆者提出以下解決方案：

針對表面包覆處理技術中骨料與水泥漿體黏結性能差的問題，可考慮使用偶聯(lián)劑對骨料進行適當?shù)谋砻嫣幚?；水玻璃因其自身易溶于水的特性，在使用時可聯(lián)用其他化學試劑如氯化鈣等共同對煤矸石進行改性，直接生成不溶于水的產(chǎn)物附著在骨料表面，改善骨料的性能；熱活化處理中，控制煅燒時間，確保骨料表面進行活化，可降低反應能耗；對骨料進行MICP處理時，可通過預浸泡菌液達到固定細菌反應位置的目的。

考慮到未來建筑行業(yè)的發(fā)展及實際工程中對混凝土的需求，對煤矸石骨料混凝土的研究提出以下展望：

(1)不同地區(qū)、種類的煤矸石骨料性能波動較大，骨料差異對混凝土性能影響不夠明確，在生產(chǎn)使用過程中，必須對其表觀密度、吸水率和壓碎值等指標進行嚴格控制，對煤矸石骨料的使用標準研究仍需進一步的深化。

(2)未來需要更多實驗數(shù)據(jù)構建煤矸石混凝土的本構模型。同時通過數(shù)值模擬，結合有限元或有限容積概念，將此類數(shù)據(jù)與計算機模擬技術聯(lián)系起來，對評估和預測煤矸石混凝土各項性能變化具有重要的現(xiàn)實意義。

(3)單一的改性處理方式并不能做到全方位改善骨料缺陷，部分改性方式并未解決骨料本身含碳量高及解理面薄弱的問題，后續(xù)研究中應考慮多種改性手段復合使用，取長補短，以期獲得最佳強化效果。