每年煤炭開采產(chǎn)生大量煤矸石堆積，而建筑行業(yè)持續(xù)消耗天然砂石。一項發(fā)表于《Case Studies in Construction Materials》的新研究提出將煤矸石破碎為混凝土骨料，并通過廉價易得的礦物涂層解決其長期存在的界面薄弱問題。由Yaoyu Wang領(lǐng)銜的研究團隊證明，合適的表面處理可使煤矸石混凝土從遇凍即碎的材料，轉(zhuǎn)變?yōu)槟芙?jīng)受數(shù)十次嚴(yán)苛循環(huán)且大部分強度得以保留的工程材料。

核心挑戰(zhàn)在于肉眼不可見的界面過渡區(qū)（ITZ），即水泥漿體與骨料顆粒直接接觸的薄層。普通混凝土中該區(qū)域本就較弱，而煤矸石因多孔、層理缺陷、微裂紋及弱反應(yīng)性鋁硅酸鹽礦物，使這一問題更為突出。盡管破碎后的棱角粗糙度可提供機械咬合力，但無法彌補骨料與膠凝材料交界處不連續(xù)且力學(xué)性能差的邊界。水分滲入表面缺陷后，孔隙結(jié)構(gòu)與剛度差異會在界面附近集中應(yīng)力，誘發(fā)早期開裂。

研究團隊采用三種煤礦地區(qū)易得的材料進行改性：硅酸鈉、硅灰和石灰石粉。各按骨料質(zhì)量的2%、3%和4%劑量干混于洗凈晾干的煤矸石顆粒表面?；炷聊z凝體系采用含50%基準(zhǔn)水泥、25%煅燒煤矸石粉、10%石灰石粉、10%粉煤灰和5%煙氣脫硫石膏的煤基固廢復(fù)合膠凝材料。煅燒煤矸石粉經(jīng)500℃至800℃分級加熱活化。所有配合比固定水膠比0.40、骨料與膠凝材料質(zhì)量比1.50，僅改變涂層類型與劑量。3天、7天和28天的抗壓強度篩選確定摻量為：4%硅酸鈉、3%硅灰、4%石灰石粉。

納米壓痕測試顯示，未改性混凝土界面過渡區(qū)模量Zui低降至約18吉帕斯卡（GPa）；石灰石粉、硅灰和硅酸鈉處理分別將其提升至22、26和33 GPa，其中硅酸鈉產(chǎn)生的力學(xué)過渡Zui為平滑。掃描電鏡結(jié)果與之吻合：未改性界面存在粗大殘留顆粒、松散團聚體和開放孔隙；硅酸鈉處理生成豐富的絮狀、纖維狀及細粒產(chǎn)物，形成連續(xù)致密邊界；硅灰呈現(xiàn)均勻細粒形貌；石灰石粉則呈現(xiàn)異質(zhì)分布，包含致密產(chǎn)物區(qū)與多孔區(qū)，并伴有類碳酸鹽AFm型相產(chǎn)物。

耐久性試驗采用的物理相變描述：液氣相變循環(huán)（浸泡8小時、自然干燥8小時、75℃烘干8小時，重復(fù)30次）與液固相變循環(huán)（-35℃至+20℃每5小時切換一次，重復(fù)30次）。液氣循環(huán)30次后，硅灰改性混凝土抗壓強度僅下降9.3%（從27.9兆帕降至25.3兆帕），未改性對照組下降18.8%。凍融循環(huán)更為嚴(yán)酷：15次循環(huán)后，未改性與石灰石改性樣本強度損失約70%和67%，30次時均已失效。硅酸鈉改性混凝土成為抗凍融，30次循環(huán)后仍保留9.7兆帕殘余強度。循環(huán)后納米壓痕證實損傷集中于界面過渡區(qū)，硅灰界面在液氣循環(huán)中模量僅損失3.8%，硅酸鈉界面在液固循環(huán)中保留Zui高模量且相對損失Zui?。?4.8%）。

機理分析表明，表面改性并非消除水致劣化，而是延緩其在界面過渡區(qū)的起始、定位與擴展。硅灰細顆粒封堵水分重分布易引發(fā)微裂紋的小孔隙，適用于濕熱及反復(fù)干濕環(huán)境；硅酸鈉提供可溶性硅酸根，在局部堿性環(huán)境中促進更連續(xù)的界面織物形成，可分散冰脹壓力并延緩脫粘與裂紋合并，更適合寒冷地區(qū)。石灰石粉因產(chǎn)物分布不均，對兩種環(huán)境的防護均較弱。作者指出，水分遷移路徑基于宏觀、微觀與納米壓痕證據(jù)推斷，局部堿度變化與單一反應(yīng)產(chǎn)物未被量化。該成果將環(huán)境負擔(dān)轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)設(shè)施材料，同時利用工業(yè)副產(chǎn)膠凝體系，為煤炭資源轉(zhuǎn)型與低碳建材工程提供了切實可行的技術(shù)路徑。