通过理论研究及试验验证发现，当粗骨料中煤矸石和天然石掺量均为50%时，煤矸石保温混凝土具有良好的力学性能、经济效益和社会效益。但由于煤矸石含有较多的针片状颗粒和发育较好的节理面，随着煤矸石掺量的增加，混凝土易开裂，且强度逐渐下降，使得煤矸石保温混凝土具有明显的脆性破坏特征。为此，通过试验研究煤矸石保温混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、弹性模量和早期抗裂性能。

　　 1)聚丙烯纤维直径48μm，长19mm，密度0.91g/cm ^[3]，抗拉强度486MPa，弹性模量>4.8GPa，极限拉伸率>15%，无吸水性，导热性极低。为避免聚丙烯纤维带有水珠，应提前进行晾干处理。

　　 2)煤矸石破碎筛分为粒径10～30mm的粗骨料，堆积密度1 130kg/m ^[3]，表观密度2 083kg/m ^[3]，吸水率4.7%，压碎指标17.8%。

　　 3)玻化微珠小颗粒粒径20～30mm，大颗粒粒径30～50mm，密度77.05～88.80kg/m ^[3],Si O₂含量≥78%，导热系数0.031～0.042 W/(m·K)。

　　 4)其他材料选用P·O42.5普通硅酸盐水泥，比表面积330m ^[2]/kg，细度模数0.64。中砂堆积密度1 500kg/m ^[3]，细度模数2.90，含泥量3%。选用粒径10～30mm普通碎石，堆积密度1 450kg/m ^[3]，表观密度2 640kg/m ^[3]，吸水率2.3%，压碎指标4.7%。掺加自制I型外加剂，用水为普通城市自来水。

　　 煤矸石保温混凝土配合比如表1所示。

　　 用煤矸石取代50%天然碎石，进行立方体抗压试验、轴心抗压试验、弹性模量试验和早期抗裂性能试验，试验所需试件尺寸及数量如表2所示。

　　 煤矸石吸水率高时将影响混凝土水胶比，所以混凝土搅拌前应对煤矸石进行预湿处理，同时使用适量水润湿搅拌机。为保证混凝土搅拌均匀，采用先干拌后湿拌的方式，具体搅拌顺序及时间为:(1)将水泥、砂、煤矸石、石、玻化微珠投入搅拌机搅拌60s，并将纤维均匀撒入;(2)倒入配合比中需水量的1/2进行搅拌，用时60s;(3)将外加剂加入剩余的1/2水中，拌合均匀后加入搅拌机进行搅拌，用时120s;(4)搅拌完成后，将拌合物注入相应模具，振捣密实。

　　 进行抗压试验与弹性模量试验时，试件在(20±5)℃环境中静置养护24h后拆模。拆模后标记试件加以区分，将混凝土试件放入标准养护室养护28d。试件取出后，依据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》在WAW-2000型万能试验机上进行测试，保证试件轴心与上、下压板中心一致。

　　 进行早期抗裂性能试验时，依据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，通过40倍读数显微镜进行观测。应注意试件成形30min后立即调节风扇，使试件中心表面处风速≤5m/s，风向平行于试件表面。从混凝土加水搅拌开始计时，24h后观测裂缝。

　　 图1所示分别为掺入0.00%,0.10%,0.20%聚丙烯纤维的煤矸石保温混凝土立方体受压破坏形态，由图1可知，试件表面裂缝数量随着聚丙烯纤维体积掺量的增加逐渐减少。聚丙烯纤维体积掺量为0.00%,0.10%时，试件承受一定压力后在表面中部首先出现垂直微裂缝，随着荷载的增加，裂缝增多且向上、下端角部延伸破坏，当压力接近峰值荷载时，裂缝贯通且变宽。具体来看，纤维体积掺量为0.00%时，试件上端角部出现较严重的斜裂缝，侧面中部膨胀明显，表面剥落现象较严重，裂缝产生时伴随脆裂声音;纤维体积掺量为0.10%时，试件裂缝较小，侧面膨胀较明显，表面剥落现象存在但不明显，裂缝产生时的脆裂声音变小;纤维体积掺量为0.20%时，试件承受一定压力后在表面中部先出现微裂缝，随着荷载的增加，裂缝增多且向上、下延伸，当压力接近峰值荷载时，裂缝加速变宽，但宽度较小，表面未出现剥落现象，裂缝处存在大量聚丙烯纤维，纤维或断裂或拔出，裂缝产生时伴有轻微连续的响声，表现出一定的延性破坏。

　　 图2所示分别为掺入0.00%,0.10%,0.20%聚丙烯纤维的煤矸石保温混凝土轴心受压破坏形态。由图2可知，纤维体积掺量不同时，试件承受一定压力后表面均产生细小裂缝，但不明显，当接近峰值荷载时，裂缝加速变宽且沿受力方向上、下延伸，部分裂缝发展为贯通表面的通缝。总体而言，棱柱体受压破坏形态同立方体受压破坏形态有相似之处，即随着纤维体积掺量的增加，试件表面裂缝数量减少并变窄。纤维体积掺量为0.00%时，表面剥落现象明显，整体性差;纤维体积掺量为0.10%时，表面剥落现象存在但不明显;纤维体积掺量为0.20%时，表面未出现明显剥落，整体性较好。

　　 抗压强度试验结果如表3所示，由表3可知，试件立方体抗压强度与轴心抗压强度变化趋势基本一致，随着纤维体积掺量的增加，2种抗压强度先增大后减小。当纤维体积掺量为0.05%时，立方体抗压强度与轴心抗压强度均达到最大值，相比未掺入纤维时分别提高7.6%,13.5%;当纤维体积掺量>0.05%时，立方体抗压强度与轴心抗压强度均降低;当纤维体积掺量为0.20%，立方体抗压强度与轴心抗压强度较未掺入纤维时分别降低6.1%,3.3%。

　　 未掺入聚丙烯纤维时，由于煤矸石强度比普通粗骨料强度低，且存在明显的节理面，混凝土受压后易沿着节理面方向延伸破坏;同时粗骨料与水泥胶体间的黏结面作为薄弱处，易受压破坏。当纤维体积掺量达0.05%时，纤维均匀分布在混凝土中，对混凝土基体有较好的约束作用，提高粗骨料与水泥胶体的握裹力。当混凝土试件受压破坏时，聚丙烯纤维的乱向分布使应力有效分配，使混凝土开裂需消耗更多的能量，进而提高抗压强度。

　　 随着聚丙烯纤维体积掺量的不断增大，抗压强度反而减小，可能由于在混凝土制备过程中，纤维掺入过多导致其分散不均，出现结团现象，造成混凝土内部存在微小空腔，进而降低混凝土抗压强度。

　　 煤矸石保温混凝土弹性模量试验结果如表4所示，由表4可知，弹性模量随着纤维体积掺量的增加而降低，大致呈线性关系，回归方程为:

　　 式中:E为弹性模量;σ为纤维体积掺量。

　　 聚丙烯纤维细长，使混凝土中存在大量微孔隙，降低混凝土密实度，从而减小混凝土受压时的有效截面面积，使混凝土更易变形，进而降低弹性模量。另外，聚丙烯纤维煤矸石保温混凝土可视为由聚丙烯纤维和煤矸石保温混凝土基体组成的两相复合材料，由于聚丙烯纤维弹性模量小于煤矸石保温混凝土弹性模量，由复合材料混合定律可知，聚丙烯纤维与煤矸石保温混凝土混合物弹性模量较普通煤矸石保温混凝土弹性模量低。

　　 参照JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性检验评定标准》对煤矸石保温混凝土早期抗裂性能等级进行评定，结果如表5所示。由表5可知，随着纤维体积掺量的增加，裂缝变短且减少，每条裂缝平均开裂面积减小，早期抗裂性能先提高后趋于稳定。早期抗裂性能得到改善的原因可能是，纤维均匀分布在混凝土中，提高粗骨料与水泥胶体间的握裹力，削弱裂缝的尖端应力，在一定程度上阻碍早期微裂缝的开展，抗裂效果显著。纤维体积掺量为0.15%时，裂缝平均开裂面积略增加的原因可能是，纤维掺入过多，使混凝土坍落度下降，通过加水保证混凝土工作性能，从而导致水胶比上升、早期抗裂性能下降，或纤维出现结团现象，导致裂缝的产生。

　　 1)掺入适量聚丙烯纤维可提高煤矸石保温混凝土抗压强度。纤维体积掺量为0.05%时，立方体抗压强度与轴心抗压强度分别达到最大值41.08,36.43MPa，增幅分别达7.6%,13.5%。随着纤维体积掺量的增加，混凝土抗压强度降低，当纤维体积掺量为0.20%时，立方体抗压强度与轴心抗压强度比未掺纤维时分别降低6.1%,3.3%。

　　 2)聚丙烯纤维煤矸石保温混凝土弹性模量随着纤维体积掺量的增加而降低，弹性模量与纤维体积掺量的关系可用E=2.3-1.08σ表示。

　　 3)在煤矸石保温混凝土中掺入适量聚丙烯纤维可显著改善混凝土的抗裂性能，同时使混凝土受压破坏时表现出明显的延性破坏特征。