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煤矸石是目前我国排放量最高的固体废弃物之一,其利用率仍然较低,努力探索其在各种土木工程应用中的安全处置和批量利用新途径成为学术界青睐的研究方向。碱激发材料具有较高的早期强度、较低的水化热、抗冻性及抗化学侵蚀等耐久性能力强的优势,为碱激发材料未来的应用提供了巨大的潜力和前景。本课题拟在已有研究的基础上以大宗利用煤矸石为背景,寻求煤矸石利用的新渠道—煤矸石作胶凝材料和粗骨料,减少水泥和天然矿石用量,减少CO2排放,降低环境影响性,促进煤矸石的工程实际应用。本文基于煤矸石材料特性,碱激发煤矸石材料制备、砂浆收缩特性、煤矸石混凝土耐久性能等进行研究,从净浆→砂浆→混凝土等多层次递进研究和分析。为煤矸石等固体废弃物材料的建筑工程应用规范编制提供基础研究。取得的积极成果如下:（1）研究了高温煅烧煤矸石固结氯离子能力。借助于X射线衍射仪（XRD）和热重分析（TG-DTG）探究了在七种不同Na Cl溶液（0.1M、0.3M、0.5M、0.7M、1M、2M和3M）中煅烧煤矸石固结氯离子能力,详细分析了煅烧煤矸石固结氯离子的机理。掺入煅烧煤矸石可提高胶凝材料结合氯离子能力,煤矸石最佳煅烧温度600℃～700℃,最佳掺量20%～30%,最大掺量为40%。矿渣固结氯离子能力强于煅烧煤矸石,水泥替代率50%条件时,煅烧煤矸石-矿渣复掺可获得更好的固结氯离子能力。各试样的结合氯离子等温线均可采用Freundlich方程描述。（2）以煅烧煤矸石粉末为原材料,以矿渣为钙源分别制备煤矸石地质聚合物和碱激发煤矸石-矿渣（AACGS）胶凝材料,并借助于XRD、傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）、TG-DTG、扫描电镜-能谱仪（SEM-EDS）和核磁共振（MAS-NMR）等现代测试手段深入研究不同条件下煤矸石、煤矸石-矿渣的解聚-缩聚水化过程。与P.O42.5波特兰水泥试样相比,煤矸石地质聚合物可获得较高的早期抗压强度,但28d抗压强度小于P.O42.5纯水泥试样（其最大抗压强度比水泥试样小10.08%）。煤矸石地质聚合物试样中最佳的氢氧化钠溶液（NH）和硅酸钠溶液（NS）的质量比为1:1.5～1:2,且最经济的NH摩尔浓度为12M～14M。NH摩尔浓度可影响AACGS聚合物中Si-O键的伸缩振动,Si-O键的吸收峰随NH摩尔浓度的增加向低波数区移动。Ca2+具有比Na+更强的驱动吸附能力,矿渣掺量从0%增加到50%导致基体更密实,抗压强度值更高,并且微结构中的C-（A）-S-H具有更高的Ca/Si比和低的Al/Si比。AACGS聚合物的主要水化产物为N-A-S-H凝胶、C-A-S-H凝胶和其它碱性铝硅酸盐凝胶,随矿渣掺量的增加,生成高Ca/Si、Ca/Al和Si/Al比的C-（A）-S-H凝胶,增加了基体的密实程度。（3）探究了AACGS砂浆的干燥收缩能力和饱水状态下的干燥收缩恢复率,并给出多种减少干燥收缩的措施,借助于压汞法（MIP）和扫描电镜（SEM）等详细分析了不同作用因素下的收缩和减缩机理。通过改变矿渣掺量、碱激发剂模数和碱激发剂固体用量可实现AACGS砂浆凝结时间的可控性。纯煤矸石砂浆试样的干燥收缩为水泥砂浆的2.01倍,煤矸石-矿渣掺量1:1时砂浆的干燥收缩为水泥砂浆的3.05倍。AACGS砂浆的干燥收缩呈现出长期性,但AACGS砂浆试样的干燥收缩大都集中在28d龄期前,28d龄期后干燥收缩率增长缓慢。随矿渣掺量和碱激发剂模数的增加,AACGS砂浆的干燥收缩增加。干燥收缩试验72h饱水试验显示具有最大干燥收缩的砂浆试样具有最小的恢复率,干燥收缩表现为非完全弹性。未水化部分和碱固体填充以及凝胶相塌陷、重组导致砂浆试样孔径结构细化,产生更大的毛细管拉伸应力,是导致干燥收缩的主要原因。减缩剂（SRA）具有最强的补偿干燥收缩能力,其次依次是U型膨胀剂（UEA）、保水剂（WRA）、高性能混凝土膨胀剂（HCSA）、聚丙烯纤维（PPF）和石膏（GY）。随SRA掺量增加,补偿干燥收缩能力更强,但导致抗压强度降低更大;不同外加剂引起孔隙分布变化的作用机理不同,减小孔隙溶液表面张力、掺入富硫酸盐材料生成膨胀产物、提高抗压强度和改善孔结构分布是补偿干燥收缩的重要措施。（4）借助于盒维数SEM图像分形理论和孔结构分形理论,建立细观分形维数（孔分形维数D和SEM图像分形维数）与宏观强度和孔结构特征（孔隙率P、总孔面积TA和平均孔径AP等）的关系。D～抗压强度、D～P、D～TA和D～AP之间均呈现出较好的线性关系。随矿渣掺量的增加,AACGS砂浆试样的SEM图像分形维数值增加,AACGS砂浆抗压强度值与分形维数呈现出显著的正线性关系。（5）以原状和煅烧煤矸石作粗骨料,与AACGS砂浆进行混合制备混凝土,探究AACGS混凝土的抗压强度和耐久性能（主要包括抗冻性（水冻融和盐冻融）、氯离子扩散和硫酸盐侵蚀等）,并深入分析了不同环境因素条件下煤矸石混凝土的劣化损伤机理。基于灰色系统理论GM（1,1）预测混凝土的冻融耐久性寿命。质量损失率不能作为停止AACGS混凝土冻融循环的指标,掺入煅烧煤矸石粗骨料（CCGCA）仅在前期表现出比原状煤矸石粗骨料更好的抗冻性能,后期的抗冻性能不如掺入原状煤矸石粗骨料。AACGS混凝土具有较好的抗硫酸盐侵蚀能力,且掺入CCGCA的AACGS混凝土具有更好的抗硫酸盐侵蚀能力。AACGS混凝土整体上表现出较好的抗氯离子渗透性能。SRA的掺入可明显提高混凝土的抗冻耐久性（水冻和盐冻条件下可分别增加约50个和25个冻融循环次数）、抗硫酸盐侵蚀能力。随CCGCA掺量的增加,掺入SRA的抗氯离子渗透改善效果越明显。实际工程中,为了满足混凝土的服务寿命,建议CCGCA最大掺量为30%～50%。