1. 引言
煤炭作为我国不可或缺的基石能源，虽然在能源转型大潮下其在一次能源消费中占比有所下降，但在我国能源结构中的主体地位预计将长期不变。图1所示为近两年我国在全球煤炭产量中的占比。由统计数据可知，2023年全球煤炭总产量攀升至87.41亿吨，而我国产量达47.10亿吨，占据了全球总产量的一半以上。煤矸石作为煤炭选洗过程中产生的固体废弃物，约占煤炭产量的10%~20% [1]。我国煤矸石产生、利用和堆存情况数据表明(图2)，在煤炭持续高强度开采背景下，我国每年煤矸石产量在6~8亿吨之间，利用率在70%~80%之间，其堆积总量已逼近70亿吨。目前，煤矸石无疑是堆积量最大、占据土地面积最广的工业固体废弃物[2]。煤矸石长期堆积对周边环境危害巨大，主要表现在以下方面[3]：① 占用土地资源；② 释放粉尘与有害气体，加剧空气污染；③ 易引发滑坡、泥石流等地质灾害；④ 破坏自然景观与生态平衡；⑤ 含重金属，可能污染土壤与水体，对生态及人类健康构成长期威胁。因此，煤矸石的大规模利用迫在眉睫。
近些年，国家对煤矸石的综合开发利用给予了高度关注与支持，各级政府相继出台了相关规程和政策文件，如《煤矸石利用技术导则》《煤矸石综合利用管理办法》等[4]。总的来说，当前煤矸石综合利用的技术路径主要包括以下几个方面(见图3)：一是通过燃烧发电或热解技术提取煤矸石中的热能；二是利用煤矸石中的硅、铝等元素，通过煅烧、研磨等工艺制备高附加值的硅铝材料；三是将煤矸石作为填充材料，用于矿井回填、路基建设、地基处理等工程领域；四是经过破碎、筛分等预处理后，将煤矸石作为骨料或掺合料应用于混凝土制备中。在这些利用途径中，以煤矸石作为骨料制备混凝土展现出了显著的经济、环境和社会效益。目前，国内外学者进行了大量采用煤矸石骨料制备混凝土的研究，主要研究了煤矸石骨料和替代率对混凝土工作性能、力学性能、耐久性及体积稳定性等的影响。鉴于煤矸石骨料存在颗粒形状不规则、粒度大小不均、薄弱组分较多且均匀性差等问题，若盲目将煤矸石骨料用于混凝土制备，将难以有效调控混凝土的性能，可能导致无法获得性能优异的混凝土。因此，本文对煤矸石基骨料混凝土当前的研究进展进行了全面综述，旨在为煤矸石基骨料混凝土在实际工程中的大规模应用提供坚实的理论基础和技术支持。
Figure 1. Statistical data of coal production in major coal-producing countries worldwide from 2022 to 2023
图1. 2022~2023年全球主要产煤国煤炭产量统计数据
Figure 2. Production, utilization and storage of coal gangue in China from 2013 to 2022 [2]
图2. 2013~2022年中国煤矸石产生、利用和堆存情况[2]
Figure 3. Comprehensive utilization methods for the environmental issues of coal gangue
图3. 煤矸石环境问题综合利用方法
2. 煤矸石的物化特性
2.1. 煤矸石的矿物和化学特性
煤矸石作为采煤与洗煤过程中的副产物，是一种深埋于煤层之中、色泽呈黑灰、质地较煤坚硬的低含碳量岩石。煤矸石矿物构成较为复杂，存在显著的地域差异性，且这种差异还依赖于原始的矿岩成分。由煤矸石X射线衍射(XRD)测试结果可知(图4)，煤矸石的矿物谱系涵盖了黏土矿物、砂岩矿物、碳酸盐矿物、硫化物矿物以及铝质岩矿物等[5]。这种多元化的矿物组合不仅塑造了煤矸石独特的物理与化学性质，也极大地丰富了其潜在的应用价值。由表1可知，虽然其矿物组成受产地等因素影响，但是普遍存在较高比例的高岭石和石英成分，其主要化学成分为SiO2与Al2O3 [6] [7]。这一成分与制备水泥时不可或缺的主要原料相似，高温煅烧后生成的偏高岭土具有火山灰活性，可用于制备胶凝材料。
2.2. 煤矸石的物理特性
压碎值作为评估粗集料在逐步增强载荷下抗破碎性能的关键指标，其反映了煤矸石的矿物学复杂性。由表2所示，中国不同地区的煤矸石的压碎值普遍偏大，高压碎值的煤矸石作为集料掺入混凝土中，会降低混凝土的整体强度和耐久性[8]。由于煤矸石颗粒在混凝土内部易于破碎，这会增大混凝土的孔隙率和内部微裂缝的数量，进而影响混凝土的密实性和抗渗性。破碎的煤矸石颗粒还可能成为混凝土中的薄弱环节，降低其抵抗外部荷载和环境因素侵蚀的能力，最终影响混凝土的使用寿命和安全性。因此，在利用煤矸石作为混凝土骨料时需要严格控制其压碎值，从而确保混凝土达到设计要求的性能标准。
现有研究表明，中国大部分地区的煤矸石吸水率比天然碎石的更大[8]。时成林等[9]对不同产地煤矸石的研究显示，各地煤矸石吸水率差异显著，范围在1.4%~21.9%之间。杨国栋等[10]发现安徽淮北水洗
Figure 4. X-ray diffraction pattern of gangue [5]
图4. 煤矸石的X射线衍射图谱[5]
Table 1. Chemical components of coal gangue in some areas of China (%) [6] [7]
表1. 中国部分地区煤矸石化学成分(%) [6] [7]
产地 |
SiO2 |
Al2O3 |
TiO2 |
CaO |
MgO |
Fe2O3 |
K2O |
Na2O |
烧失量 |
内蒙古准格尔 |
36.90 |
38.98 |
1.01 |
— |
0.030 |
0.33 |
0.07 |
0.100 |
22.94 |
内蒙古大青山 |
38.37 |
33.00 |
0.61 |
0.14 |
0.025 |
0.80 |
0.11 |
0.092 |
24.93 |
贵州某地 |
40.28 |
9.05 |
0.37 |
18.39 |
4.660 |
3.35 |
3.34 |
0.380 |
19.68 |
贵州盘周 |
40.80 |
19.17 |
4.70 |
2.73 |
2.140 |
12.80 |
— |
— |
15.75 |
陕西铜川 |
44.75 |
37.43 |
1.43 |
0.07 |
0.150 |
0.99 |
0.56 |
0.880 |
14.54 |
陕西黄陵 |
50.33 |
21.69 |
1.25 |
0.57 |
0.570 |
5.90 |
— |
0.910 |
— |
山西阳泉 |
44.78 |
39.05 |
0.05 |
0.66 |
0.440 |
0.45 |
0.15 |
0.100 |
14.32 |
煤矸石吸水率接近碎石。陈瑞雪[11]指出，自燃煤矸石吸水率通常是天然碎石的9倍左右，这与其内部丰富的毛细孔(100 nm < d < 1000 nm)和较小的粒径有关。骨料吸水率大意味着骨料在搅拌和硬化过程中会吸收大量的水分，这将导致混凝土的水胶比降低，虽然理论上水胶比降低有助于强度的提高[12]，但实际上，吸水率大的骨料内部结构往往较为疏松，与水泥浆的粘结程度下降，导致混凝土整体强度降低。为提升煤矸石混凝土工作性能和力学性能，在配合比试验中，通常增加附加用水量的策略。
Table 2. Basic physical properties of coal gangue in different regions [8]
表2. 不同地区煤矸石的基本物理性能[8]
产地 |
表观密度(kg∙m−3) |
表观密度(kg∙m−3) |
表观密度(%) |
表观密度(%) |
表观密度(%) |
辽宁阜新 |
2500 |
1303 |
12.10 |
5.80 |
3.63 |
湖北武汉 |
2500 |
1258 |
12.20 |
5.80 |
3.64 |
辽宁沈阳 |
2600 |
1306 |
11.90 |
5.32 |
3.65 |
陕西柠条塔 |
2321 |
1160 |
21.80 |
5.40 |
6.90 |
北京门头沟 |
2640 |
— |
13.90 |
1.83 |
— |
辽宁朝阳 |
2610 |
1320 |
11.90 |
4.10 |
— |
内蒙古鄂尔多斯 |
2140 |
1150 |
24.00 |
3.24 |
— |
山西大同 |
2470 |
1340 |
19.40 |
2.63 |
— |
河北清河 |
2518 |
1121 |
18.63 |
8.43 |
— |
河南许昌 |
2510 |
1320 |
19.10 |
1.74 |
— |
3. 煤矸石基骨料混凝土的力学性能
煤矸石相较于天然碎石，普遍存在强度较低及吸水率较高的特性，这些固有属性显著限制了其作为混凝土骨料的广泛应用。探索各种加工工艺，优化配合比设计，并深入分析煤矸石骨料替代率、矿物、纤维等对混凝土各项性能的具体影响，从而有助于提高煤矸石基喷射混凝土的性能和应用。
3.1. 抗压强度
张守勇等[13]研究发现，煤矸石细颗粒具有火山灰特性，对混凝土早期强度影响较小，对混凝土后期强度影响显著，并且矸石细颗粒做细骨料时，既能避免对混凝土的不利影响又能充分利用其火山灰活性促进混凝土的后期强度的提升。Li等[14]研究表明，煤矸石混凝土的抗压强度随含砂量的增加而增加，含砂量为35%时，28 d煤矸石混凝土的抗压强度大。Zhang等[15]研究指出随着自燃煤矸石骨料替代率的增加，混凝土抗压强度显著降低。替代率为50%和100%的自燃煤矸石混凝土的28 d抗压强度分别比普通混凝土降低了17.0%和22.0%。可见，随着煤矸石替代率的增加，由于其本身强度低、压碎值大等特点，煤矸石混凝土的强度降低，而用煤矸石作细骨料以及砂率的增加则可以填充粗骨料之间的空隙使混凝土结构更密实、整体性更好，从而强度更高。
煤矸石骨料由于自身缺陷导致混凝土的力学性能有所下降，找寻改善煤矸石混凝土的方法尤其重要。景宏君等[16]分别用水泥、矿粉–水泥浆体(SL-C)和硅粉–水泥浆体(SF-C)对煤矸石骨料包覆处理，试验所用级配的煤矸石骨料与胶凝材料最佳比例为200:13，SL-C和SF-C对煤矸石骨料混凝土(CGC)强度的改善效果高于普通混凝土，SF掺量为10%时，强度的改善效果最佳，而SL-C的改性效果随着SL的增加呈递增趋势，但SL15-C的改性效果要略优于SF-15。图5为Sun等[17]混凝土试件28 d的抗压强度，当煤矸石骨料砂比从40%增加到60%时，混凝土抗压强度下降了61.1%；当煤矸石骨料砂比从40%增加到80%时，混凝土抗压强度降低了64.7%；当聚乙烯纤维和水泥比由0.005增加到0.010时，混凝土抗压强度降低14.7%；而当聚乙烯纤维和水泥比从0.005增加到0.015时，混凝土抗压强度下降了5.07%。这表明通过对煤矸石骨料实施纤维改性处理并添加矿物掺合料，可以有效提升混凝土的抗压强度。但单一改性技术在全面改善性能方面存在局限，且部分技术还伴随着能耗较高、处理周期较长等问题。因此，在未来的研究中，应着重考虑将多种改性技术进行复合应用，以相互补充各自的优势，力求实现混凝土性能的最佳提升效果。
3.2. 抗折强度
刘瀚卿等[18] [19]通过煤矸石混凝土棱柱体的抗折强度试验，指出煤矸石混凝土的含碳量和取代率是影响强度的主要因素，取代率越高，含碳量的影响越明显。煤矸石取代率增加会导致抗折强度比普通混凝土低20.5%~47.5%。相比之下，水灰比变化(0.25至0.45)对抗折强度影响较小，仅降低8.0%~15.3%。Zhao等[20]以煅烧煤矸石为骨料和粘结剂制备了超高性能混凝土(UHPGC)，其指出碳酸钙晶须和碳纳米管改善了光纤桥接的能量耗散，从而改善了UHPGC的抗弯性能，抗弯强度和挠度最高分别为13.59 MPa和4.12 mm。Zhu等[21]采用核磁共振(NMR)技术、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)和能谱
Figure 5. Compressive strength of concrete specimen at 28 d [17]
图5. 混凝土试件28 d的抗压强度[17]
Figure 6. Contrastive analysis of flexural failure modes [21]
图6. 弯曲破坏模式对比分析[21]
(EDS)技术对煤矸石混凝土中玄武岩纤维的粘结性和抗裂性进行分析发现，玄武岩纤维掺量为0.15%时，煤矸石混凝土的抗弯性能最佳，并且掺入玄武岩纤维后煤矸石的弯曲破坏模式发生改变。普通煤矸石混凝土受弯试件的裂纹发展迅速，主裂缝相对较直，破坏呈脆性；玄武岩纤维掺入后提高了试件的韧性，在主裂纹附近出现了二次裂纹，纤维量增多，二次裂纹显著增长与增多。当纤维超0.12%时，破坏呈双S形延性断裂，但纤维过量则导致主裂纹平直，纤维团聚减少二次裂纹(见图6)。
抗折强度和弹性模量是混凝土构件抗裂度分析过程中的关键设计参数，而煤矸石骨料的掺量及其级配等特性，则是影响混凝土抗折强度的主要因素，纤维的掺入则会改变混凝土内部的受力情况，从而改变其变形及破坏特征。
3.3. 抗拉强度
肖猛[22]通过矸石基喷射混凝土配比优化试验指出，砂率对煤矸石混凝土的抗拉强度影响较大，当砂率较高时，水泥与砂率的拌和性能更好，水泥砂浆的粘结作用更强，使得煤矸石混凝土具有较高的抗拉强度。Jiang等[23]采用宏观试验和细观模拟相结合的方法，研究了不同强度等级下粒径效应对自燃煤矸石混凝土劈裂抗拉强度的影响，结果表明：在一定尺寸范围内，自燃煤矸石混凝土的劈裂抗拉强度随试件尺寸的增大而减小，但当试件尺寸增大到一定程度后，劈裂抗拉强度趋于稳定。如图7所示，Yu等[24]研究发现在煤矸石细骨料替代率的影响下，60 d时煤矸石细骨料替代率为0%、25%、50%、75%和100%的混合料的劈裂抗拉强度值分别为3.85、3.90、3.68、3.50和3.35 MPa，比普通混凝土的4.06 MPa分别降低了5.17%、3.94%、9.36%、13.79%和17.49%，且水灰比比值越大，劈裂抗拉强度越低。Qiu等[25]指出在粉煤灰含量极高时，骨料中水泥颗粒数量较少，水泥水化完成后，仍有大量的水残留在界面过渡区中，没有产生足够的Ca(OH)2与粉煤灰颗粒进行二次水化反应，导致煤矸石混凝土界面过渡区形成毛细孔和大孔，产生原始裂缝，从而降低其劈裂抗拉强度。
上述研究表明煤矸石混凝土的劈裂抗拉强度受多种因素制约，需采取综合措施加以提升，包括优化骨料性能、合理调整掺合料比例与养护条件、不断改进混凝土的级配与配合比设计等，并持续推动相关研究与技术创新。
4. 煤矸石混凝土的耐久性
4.1. 抗渗性
混凝土的抗渗透性能，也称为抗渗性，是混凝土抵抗有压液体(如水、油等)渗透作用的能力，抗渗性不仅影响混凝土的耐水性，还与其抗碳化、抗氯离子渗透等性能密切相关，是混凝土耐久性的重要指标之一。
王晴等[26]研究指出，水胶比、砂率和集灰比对煤矸石混凝土的抗氯离子渗透性能影响较为显著，煤矸石集料级配影响较小。葛洁雅等[27]对比发现，随着煤矸石粗骨料掺量增加，两种煤矸石混凝土的氯离子扩散系数均增大，但煅烧煤矸石混凝土的增长速率更快。Chen等[28]通过试验表明，提高煤矸石骨料替代率能阻碍氯离子输运，但增大水胶比会降低混凝土密实度，加速氯离子移动。而邱继生等[29]则认为，随着煤矸石掺量的增加，氯离子扩散系数先减小后增大，表明其抗氯离子侵蚀性能先增强后变差。Ma等[30]发现减缩外加剂会改善氯离子的扩散系数，当煤矸石骨料含量为0%、30%、50%、70%和100%时，减缩外加剂的加入使氯离子扩散系数分别降低了−1.45%、−0.39%、0.71%、6.19%和21.55%。减缩外加剂增强了煤矸石砂浆与骨料的界面粘结，减少了氯离子渗透，降低了开裂电位，提升了混凝土抗氯离子渗透能力。
可见，煤矸石混凝土的抗氯离子渗透性能受多种因素影响，需综合考量。而通过优化配比、选择适当骨料及处理方式，并加入减缩外加剂，可有效提升其抗氯离子渗透能力，未来应进一步研究煤矸石混凝土在复杂环境下的耐久性能，为其在更多领域的应用提供理论支持。
4.2. 抗冻性
混凝土的抗冻性直接关系到其在寒冷地区的使用寿命和安全性。在低温环境下，混凝土中的水分会结冰，导致体积膨胀，进而引发混凝土的开裂和破坏。当煤矸石作为骨料应用于喷射混凝土中，并用于支护结构时，其抗冻性能的表现尤为关键，因此研究煤矸石喷射混凝土的抗冻性有重要的现实意义。
煤矸石因其多孔吸水特性，对混凝土的毛细吸水性产生显著影响。在相同的冻融环境下，煤矸石混凝土的毛细吸水能力相较于普通混凝土更强。并且，随着煤矸石掺量的增加，混凝土的吸水量也呈现上升趋势。而冻融循环的次数越多，煤矸石混凝土的毛细吸水性能也会逐渐增强。孙琦等[31]采用慢冻法对C20、C25的煤矸石喷射混凝土进行了抗冻性试验，试验表明煤矸石喷射混凝土抗冻性逊于天然石材骨料混凝土，C25煤矸石喷射混凝土的抗冻性优于C20的。朱红光等[32]通过正交试验分析了水胶比、矿渣掺量、煤矸石细集料掺量对混凝土抗冻性的影响，影响显著的因素是煤矸石细集料掺量和矿渣掺量，煤矸石掺量增加，混凝土冻融循环的强度损失率增大，而矿渣掺量增加，强度损失率减小。Guan等[33]采用弯曲荷载–冻融耦合试验方法试验得出，冻融循环次数相同时，随着应力水平的增加，煤矸石混凝土的总孔隙率、多害孔隙比例和渗透率均增大，孔隙之间的连通性增加，导致混凝土内部结构松散，宏观性能退化，损伤程度增加。
而相关研究表明，掺入纤维可以改善煤矸石混凝土的抗冻性。Luo等[34]研究了三种钢纤维(钩头钢纤维(HESF)、波状钢纤维(USF)、镀铜钢纤维(CPSF))和矿渣粉的掺量对煤矸石混凝土抗冻性的影响，冻融循环100次以后随着钢纤维掺量的增加，钢纤维对煤矸石混凝土质量损失和相对动态弹性模量的影响更加显著(见图8)；如图9所示，随着矿渣粉掺量的增加，煤矸石混凝土的质量损失显著增加，相对动态弹性模量显著降低，抗冻性也随之降低。刘世等[35]指出，当玄武岩纤维以0.3%的体积掺量加入煤矸石陶粒混凝土中时，其效果尤为显著：不仅大幅减缓了混凝土动弹性模量的降低速率，有效提升了材料的结构稳定性，还显著增强了基体的抗冻耐久性。
Figure 7. Splitting tensile strength of CGC: (a) replacement ratio; (b) w/c ratio [24]
图7. CGC的劈裂抗拉强度：(a) 替代率；(b) w/c比率[24]
Figure 8. Mass loss and relative dynamic elastic modulus of coal gangue concrete with different types and contents of steel fibers [34]
图8. 不同类型和掺量的钢纤维的煤矸石混凝土的质量损失及相对动态弹性模量[34]
Figure 9. Mass loss and relative dynamic elastic modulus of coal gangue concrete with different proportions of slag powder admixture [34]
图9. 不同掺量矿渣粉的煤矸石混凝土的质量损失及相对动态弹性模量[34]
4.3. 抗碳化
碳化对喷射混凝土的影响同样重大，一旦碳化深度穿透喷射混凝土的保护层，钢筋便直接暴露于空气中，其表面的防护层迅速失效，加速钢筋锈蚀进程。这不仅削弱了喷射混凝土的强度，还因锈蚀导致的体积膨胀引发裂缝，破坏结构完整性。因此，碳化性能也是评估喷射混凝土耐久性的关键指标。
陈彦文等[36]试验发现在7 d前煤矸石掺量对混凝土的抗碳化性能影响不显著，7 d后CO2透过砂浆保护层，由于界面砂浆和骨料孔隙较多，致使碳化反应速度加快。李永靖等[37]提出由于煤矸石相对级配较差、堆积密度大，煤矸石混凝土碳化深度比碎石混凝土大。易成等[38]发现随着水灰比增大，煤矸石混凝土碳化深度增加，最佳水灰比为0.35。水泥含量减少会导致孔隙增多，更易碳化。当煤矸石掺量小于40%时，碳化深度随掺量增加而增加。且煅烧煤矸石混凝土抗碳化性能优于未煅烧的，是由于其内部结构更均匀、密实，孔隙少，有针状晶体填充，减少了CO2渗透路径。
5. 煤矸石骨料存在的问题及改性技术
5.1. 煤矸石骨料存在的问题
1) 煤矸石骨料的强度相较于碎石等天然骨料强度较低，将其掺入混凝土中后会导致混凝土强度降低，不利于高性能混凝土的制备。当煤矸石骨料的替代率较高时，煤矸石混凝土的性能急剧下降，导致混凝土的承载能力及耐久性受到不利影响，为结构的稳定性和安全性产生潜在威胁。
2) 煤矸石骨料中的黏土颗粒及有机碳质会对混凝土产生不利影响，这些物质会不利于混凝土的收缩和膨胀，使混凝土出现龟裂等现象，从而降低混凝土结构的承载力和耐久性，缩短使用寿命。
3) 煤矸石骨料中的铁、铜等金属离子具有催化氧化反应的作用，当煤矸石掺入混凝土中后，这些金属离子在混凝土中容易发生氧化，从而使其膨胀破坏内部结构，降低混凝土的耐久性；此外煤矸石中的硫化物、碱离子等成分可能会与混凝土本身的成分发生反应，不利于混凝土的水化及结构稳定，且这些硫化物质会使混凝土结构更容易被硫酸盐侵蚀，而碱离子也可能导致骨料发生碱集料反应。
4) 煤矸石内部成分会受到其产地的不同而有所差异，这导致煤矸石骨料的性能波动较大，使其对混凝土性能的影响难以确定。在利用煤矸石骨料制备不同需求混凝土时需要考虑其成分及产地运输问题，这不利于控制成本和煤矸石的大量利用。
5) 煤矸石骨料由于其内部疏松多孔，导致其吸水性能较高、破碎值较大。当煤矸石骨料掺入混凝土中后，混凝土吸水率增加，不利于其水化反应、干湿循环下的体积变化、抗冻性以及混凝土的收缩，而当用于制备喷射混凝土时，其高吸水性不利于喷射混凝土的泵送及施工；其内部疏松多孔、破碎值较大，会导致其在承载过程容易产生应力集中，使其承载能力不高，限制了该骨料运用于高性能混凝土。
5.2. 煤矸石骨料改性技术
1) 表面裹浆技术，通常涉及使用水泥浆液对煤矸石骨料表面进行包覆处理，从而在骨料外层形成一层保护性的包覆壳[39] [40]。这一技术不仅增强了骨料表面的黏结能力，有效改善了骨料因破碎而产生的尖锐边缘以及层状解理面的脆弱性问题；而且，水泥水化过程中生成的C-S-H (钙硅比水化硅酸钙)凝胶会紧密包裹在骨料表面，这既提升了骨料的整体强度，又能在很大程度上防止骨料在混凝土内部发生崩解现象。
2) 热活化处理技术是通过高温煅烧煤矸石骨料，有效去除碳质及有机物，转化高岭石为活性偏高岭石，生成大量无定型SiO2和Al2O3，提升骨料强度与火山灰活性，其最佳煅烧温度为650℃~750℃。此过程虽能增强骨料强度，但也导致吸水率上升、表观密度下降及微裂纹产生[41]。热活化骨料表面的活性物质能与水泥水化产物反应生成更多胶凝物质，缓解自身缺陷带来的负面效应。
3) 微生物矿化技术是一种创新的煤矸石骨料处理方法[41]，它利用微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)原理，通过细菌的呼吸或酶代谢产生
，与环境中的Ca2+反应生成CaCO3沉淀，填充骨料孔隙，实现表面改性和强化。该技术主要通过生物沉积和生物胶结两种方式强化骨料[42]。生物沉积在骨料表面形成保护层，降低孔隙率，增强表面强度；而生物胶结则利用粗糙且比表面积大的CaCO3晶体吸附和聚集松散颗粒，展现强大的胶结能力。
4) 煤矸石骨料因颗粒间黏结强度低[43]，可通过水玻璃浸泡进行改性处理[44]，水玻璃在二氧化碳作用下硬化并水解生成硅胶颗粒，同时与煤矸石中的金属阳离子反应生成硅酸钙等成分，填充骨料孔隙，提高密实度和强度，水玻璃的模数、浓度及浸泡时间等参数会影响强化效果。复合使用氯化钙和水玻璃浸泡，可进一步提升煤矸石细骨料的强度和耐水性，微小颗粒填充煤矸石表面，阻止水分子进入，改善微观结构。
6. 结论和展望
1) 我国煤炭产量居于世界首位，在煤炭生产过程中产生大量的固体废物煤矸石，由于其利用率较低，大量堆积会对环境产生危害。而将煤矸石作为骨料，既可以消耗大量煤矸石减轻其对环境的危害，又可以满足混凝土对骨料的需求问题，同时还响应了国家绿色可持续发展的政策方针。故将煤矸石作为骨料大量利用，具有巨大而深远的战略意义。
2) 煤矸石骨料疏松多孔，强度比天然骨料低，导致掺入混凝土后强度降低，制约了煤矸石向高性能混凝土方向的发展。但矿用喷射混凝土对强度需求不高，煤矸石骨料可以满足其强度需求，同时取材方便，有利于降低施工成本。
3) 煤矸石吸水性高的特点，不利于混凝土的体积稳定性以及用作喷射混凝土时不利于喷射混凝土的泵送和施工；为改善这一特性的不利影响，可在制备过程中将煤矸石骨料提前浸湿、添加外加剂、加大用水量等方法改善。
4) 煤矸石的组成矿物及化学物质受其产地及所处岩层的影响差异性较大，在实际工程应用中其质量及对混凝土的影响情况难以控制，极大地制约了煤矸石在工程中的大规模利用。故仍需要对煤矸石开展大量研究，并制定科学合理的分级分类体系，以用于指导其在工程建设中的综合利用。
5) 煤矸石结构松散、活性低等缺陷可通过表面裹浆技术、热活化技术、微生物矿化技术等改性技术提高煤矸石骨料的性能，弥补缺陷，使其可以更广泛地应用于实际工程之中。
综上所述表明煤矸石作为骨料具有极大的潜力，将其作为骨料掺入喷射混凝土中大规模运用于实际工程中具有极为重要而深远的意义。其运用于普通混凝土中的研究已经较为成熟，但用于喷射混凝土的相关研究较少且目前煤矸石混凝土的相关研究大多处于试验阶段，并且由于自身缺陷及差异性较大等问题严重阻碍了其大规模的综合利用。针对这些问题，仍需展开大量的科学理论和试验研究其特性，探究改善煤矸石自生缺陷的改性技术，制定科学合理的规范、煤矸石相关数据库、核算标准等，从而更好地指导实际应用。