随着天然集料的日益缺乏以及国家对固体废弃物再利用的高度重视,煤矸石作为粗集料使用已引起广泛关注。但由于成煤条件和煤炭开采等情况的不同,致使不同地区煤矸石粗集料理化性质和形状特征差异较大。此外,煤矸石粗集料是混凝土内部结构中的薄弱环节,显著影响混凝土性能。为就近合理利用煤矸石,本文选取陕西省不同矿区煤矸石,采用压碎指标、吸水率、坚固性等宏观指标和化学矿物组成、微观形貌、内部孔结构等细观指标评价煤矸石的理化性质,提出了球度、角数和纹理指数等形状统计指标量化煤矸石粗集料形状特征。并分析了煤矸石粗集料宏观指标和形状统计指标、取代率、灰水比对混凝土工作性与强度的影响规律。优选适合替代天然碎石的煤矸石粗集料,拟合了不同取代率下煤矸石粗集料混凝土强度与水灰比经验公式骨料回归系数。采用水泥基材料包裹、高分子材料包裹、煅烧、复合协同方法对煤矸石粗集料进行强化,研究强化煤矸石粗集料性能变化规律。开展了强化煤矸石粗集料混凝土强度试验、单轴受压试验和四点弯曲试验。通过分析强化煤矸石粗集料与水泥石界面结合情况对混凝土强度发展进行微观机理分析;研究了强化煤矸石混凝土应力-应变、荷载-挠度的变化规律;通过能量法对弯曲韧性进行评价;基于试验结果,拟合了立方体抗压强度与单轴受压强度之间的关系,建立了单轴受压本构模型。研究结果表明:（1）不同地区煤矸石性质差异显著,但其宏观指标与细观指标存在关联。石英、高岭石和伊利石含量高、微观形貌密实、孔隙率小的煤矸石具有较小的吸水率和压碎指标。长石类矿物含量高、微观形貌呈片状、孔隙率大的煤矸石粗集料,其吸水率、压碎指标和含泥量高、表观密度小、坚固性差。球度、角数、纹理指数等形状统计指标可以量化煤矸石的颗粒形状。煤矸石粗集料平均球度在0.58～0.71,角数在5.44～8.23,纹理指数在8.93～22,煤矸石粗集料多呈不规则形状、表面粗糙且棱角锋利。（2）煤矸石粗集料吸水率和压碎指标越小,配制的混凝土和易性越好,强度越高。当煤矸石压碎指标较为接近时,形状统计指标显著影响混凝土强度:球度越高,角数和纹理指数越小,煤矸石粗集料与水泥结合越差,混凝土强度越低。煤矸石粗集料强度弱于砂浆,弱集料被强砂浆包裹,裂纹大多沿着煤矸石粗集料发展。煤矸石粗集料取代率越高,混凝土和易性越差,强度越低。（3）水泥基材料能有效提升煤矸石粗集料性能,其中水泥掺10%硅灰的强化效果最好,粗集料表观密度增长3.8%,压碎指标降低7.53%,吸水率和含水率分别提高1.87%、1.6%。煤矸石经环氧树脂强化后,压碎指标、吸水率和含水率大幅下降,硬化环氧外壳与煤矸石协调性好。煤矸石经600℃煅烧强化后,压碎指标下降,表观密度增大,吸水率和含水率提高。环氧树脂和水泥的复合协同作用使煤矸石强度提高,吸水率和含水率降低。（4）在煤矸石100%取代率下,水泥强化、煅烧强化、水泥-环氧树脂复合强化后混凝土28d抗压强度提高20.3%,11.7%,11.1%;在60%取代率下,强度提升18.1%,12.4%,9.5%。在单轴抗压试验中,水泥包裹对煤矸石粗集料混凝土强化效果最好,其峰值应力和轴心受压强度提升了41.6%,峰值应变和极限应变分别降低36.6%、33.3%。在四点弯曲试验中,水泥强化和环氧树脂-水泥复合强化效果好,试件峰值荷载、极限挠度、抗折强度、弯曲韧性分别提升22.1%、41.7%、22.3%、47.9%和10.2%、29.6%、9.9%、13.4%。水泥强化煤矸石粗集料表面存在针棒状钙矾石和纤维状C-S-H胶凝,与煤矸石结合较好,水泥强化煤矸石混凝土有着良好的界面结构,是其力学性能提升的内在原因。