水泥产业是我国工业体系中高污染、高能耗的代表行业之一,随着公众环保意识的增强,减少水泥用量、循环利用工业废料来配制混凝土已成为建筑行业的一种趋势。工业废料(如粉煤灰、煤矸石等)深度处理需耗费大量财力物力,随意堆放又会侵占耕地,严重污染环境。但某些工业废料具有火山灰性质,有成为辅助胶凝材料的潜力,因此已有众多学者将工业废料用作矿物掺合料,探究其在钢筋混凝土结构建造中的综合利用价值。在现有的研究中,关于单掺某种矿物掺合料,如粉煤灰,对混凝土性质影响的讨论相对全面,然而,煤矸石作为辅助胶凝材料对混凝土抗冻性能、抗氯离子渗透性能和结合氯离子能力的影响还少有人关注。此外,双掺粉煤灰与煤矸石对混凝土力学性能、氯离子扩散过程、氯离子结合能力的影响也有待研究。为探究以上问题,本文开展了以下的研究工作:(1)开展混凝土抗压强度试验,通过单掺粉煤灰、单掺煤矸石、双掺粉煤灰与煤矸石替代不同比例的水泥来配制混凝土,实测不同配合比的矿物掺合料混凝土的7d、28d、90d抗压强度,经对比分析,考虑90d力学性能,最终推荐20%的水泥替代比例,粉煤灰与煤矸石质量比为50/50和40/60分别作为最优矿物掺合料取代水泥比例和最优粉煤灰与煤矸石的配比。(2)采用本课题组自主研发的人工海洋环境潮汐区自动化模拟装置来模拟实时的潮位涨落过程,基于此开展矿物掺合料混凝土试件中氯离子扩散试验研究。通过实测得到不同水泥取代比例、不同粉煤灰与煤矸石配比的混凝土试件在不同暴露时间、不同深度处的自由氯离子浓度,经回归分析得到对应的氯离子扩散系数,分析单掺粉煤灰、单掺煤矸石、双掺粉煤灰与煤矸石对混凝土中自由氯离子扩散系数的影响。经对比分析,最终推荐20%的水泥替代比例,粉煤灰与煤矸石质量比为40/60分别作为最优矿物掺合料取代水泥比例和最优粉煤灰与煤矸石的配比。(3)粉煤灰对混凝土氯离子结合能力的提升作用现还存在争议,煤矸石对混凝土氯离子结合能力的影响鲜有人研究,基于上文的氯离子扩散试验研究,实测得到不同水泥取代比例,不同粉煤灰与煤矸石配比的混凝土试件在不同暴露时间、不同深度处的总氯离子浓度,利用线性等温吸附模型分析单掺粉煤灰、单掺煤矸石、双掺粉煤灰与煤矸石混凝土结合氯离子能力,经对比分析可知,无论单掺还是双掺,粉煤灰和煤矸石对于提升混凝土氯离子结合能力具有积极作用。(4)火山灰效应是矿物掺合料变废为宝的关键,而该效应又深受掺合料细度影响。基于上文抗压强度试验确定的最优水泥替代比例,开展抗压强度、冻融循环和氯离子扩散试验研究,研究在水泥取代比例为20%的情况下,采用不同细度的煤矸石取代水泥对混凝土力学性能、抗冻性能和抗氯离子渗透性能的影响,经对比分析,推荐2000目为煤矸石最优细度。(5)综合考虑含矿物掺合料混凝土的力学性能和抗氯离子渗透能力,最终推荐水泥取代比例20%,粉煤灰与煤矸石配比为40/60为最优矿物掺合料取代水泥比例和最优粉煤灰与煤矸石的配比。基于此种配比,以2017年水泥全国产量23.2亿吨计,每年可减少水泥产量4.64亿吨,消耗粉煤灰1.856亿吨、煤矸石2.784亿吨,将极大减少耕地占用和各类环境污染,提升我国公民健康水平,有力推进建设资源节约型和环境友好型社会。