煤矸石是煤炭生产和加工过程中产生的固体废弃物,每年的排放量相当于当年煤炭产量的10~15%,目前已累计堆存达45亿多吨,是我国现在排放量最大的固体废弃物。作为煤矸石的再生利用途径之一,煤矸石被破碎、分选及筛分后制成煤矸石粗细集料,掺入混凝土替代部分或全部普通粗细骨料,生产煤矸石集料混凝土,是提高煤矸石资源化利用的有效措施,可带来巨大的环境效益、经济效益与社会效益。本文以原状与不同热活化活性的煤矸石粗细骨料为研究对象,通过采用试验研究与理论分析,研究了煤矸石集料水泥混凝土的微观结构特征、基本物理力学性能和抗碳化性能,并系统分析了煤矸石集料热活化活性、取代率、水灰比等因素对水泥混凝土的微观结构、宏观力学性能与抗碳化性能的影响规律,得到煤矸石集料混凝土品质评价模型。论文的研究成果能够对煤矸石作为混凝土集料的选用原则和推广煤矸石集料混凝土在土木工程中的综合应用,提供科学的理论基础。为了定量评价煤矸石细集料与粗集料的活性,首先对煤矸石的热活化活性进行研究,通过开展XRD衍射分析试验,对原状及煅烧500℃、600℃、700℃、800℃和900℃的煤矸石进行测试分析,研究了热活化活性随煅烧温度升高的变化规律。本文提出了煤矸石骨料活性的定量评价模型,然后通过开展ICP离子溶出试验,对不同煅烧温度下的煤矸石细集料、粗集料的活性进行了定量评价。结合前人研究成果,从而形成了煤矸石粉体—细集料—粗集料的活性统一评价体系,并研究不同活性的煤矸石细集料对水泥硬化砂浆强度的影响。通过开展一系列的XRD、SEM、EDXA等微观测试,对不同热活化活性的煤矸石细集料砂浆的水化过程进行了分析。煤矸石细集料的活性不同,在水泥砂浆中发挥的火山灰反应程度就不同,这也将会影响到水泥砂浆的水化程度,进而对水泥硬化砂浆的水化产物和微观结构产生较大影响。本文从不同煤矸石细集料热活化活性、水灰比以及养护龄期对水化过程产生的影响,全面分析了煤矸石细集料砂浆的水化过程。并结合水泥硬化砂浆的抗压强度和抗折强度试验,从微观上分析煤矸石细集料活性对水泥硬化砂浆强度的影响,以进一步探究煤矸石细集料在水泥砂浆中发挥的火山灰作用。由于煤矸石细集料热活化活性不同,其与水泥水化产物发生二次水化反应的程度就不同,而且随着煤矸石细集料火山灰活性的增加,将对水泥硬化砂浆的孔结构产生更大影响,使水泥硬化砂浆的总孔隙率、总孔体积和比表面积等孔结构参数发生改变,从而影响水泥硬化砂浆的强度。通过压汞法(MIP)试验、环境扫描电镜(SEM)试验和分形理论中的Menger海绵模型、盒维数BOX模型的分形维计算方法,对水泥硬化砂浆孔结构特征和砂浆断面分形特征进行定量化的计算,研究不同活性煤矸石细集料对水泥硬化砂浆孔结构的影响。同时,探究了孔结构分形特征和砂浆断面分形特征与水泥硬化砂浆宏观力学强度之间的关系。对于煤矸石–普通碎石混合骨料混凝土,细集料全部采用700℃煅烧活性最高的细集料,这样即可以最大化利用煤矸石资源,而且又可以充分发挥煤矸石细集料的火山灰活性,对煤矸石集料混凝土的微观结构和宏观力学性能产生有利影响。煤矸石粗骨料采用煅烧与未煅烧的两种情况,然后按0%、30%、50%,70%和100%比例等量替代普通碎石骨料,制备煤矸石集料混凝土。通过试验测试了煤矸石–普通碎石混合骨料混凝土的立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、弹性模量等基本力学性能,阐述了水灰比、煤矸石替代率以及煤矸石粗骨料煅烧后特性对上述基本力学性能的影响。试验还研究了基于单轴受压应力–应变全曲线的煤矸石–普通碎石的混合骨料本构关系模型。混凝土断裂韧度是指混凝土抵抗裂纹失稳扩展的能力,它也是衡量煤矸石集料混凝土断裂性能的重要指标。本文通过预制切口的三点弯曲试件试验,对煤矸石集料混凝土的断裂韧度(KIC)进行了测量,研究了不同水灰比、煤矸石粗骨料替代率以及煤矸石粗骨料煅烧后特性对煤矸石集料混凝土断裂韧度的影响。揭示了煤矸石集料混凝土的断裂机理,并提出了引起煤矸石集料混凝土裂缝扩展的主要原因。通过碳化试验重点分析了煤矸石集料混凝土的水灰比、碳化时间和煤矸石粗骨料掺量对碳化深度的影响。试验采用热活化活性最高的煤矸石细集料全部替代普通河砂,然后煤矸石粗骨料采用煅烧与未煅烧的两种情况,并把煤矸石粗骨料按照按不同比例0%、30%、50%、70%和100%等量替代普通碎石骨料,研究煤矸石集料混凝土抗碳化性能。建立了适用于碳化深度随水灰比、碳化时间和煤矸石粗骨料掺量的多参数混凝土碳化模型。