陶銳睿，沈奇罕，鄭歆，沈嘉坤，方睿奇，曾梓軒

（合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引言

鋼鐵產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工程建設(shè)和穩(wěn)定就業(yè)等方面發(fā)揮著重要作用。目前我國鋼鐵年產(chǎn)量達(dá)10 億t，約占全球年總產(chǎn)量的50%，穩(wěn)居世界第一。然而，鋼渣作為煉鋼過程中的主要副產(chǎn)物，對環(huán)境的污染問題也日益嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計，我國當(dāng)前鋼渣年產(chǎn)量達(dá)1.2 億t，鋼渣固廢累計儲量已超20 億t，形成大量堆積，嚴(yán)重侵占農(nóng)地資源，污染生態(tài)環(huán)境。我國“十一五”發(fā)展規(guī)劃就曾指出，鋼渣的綜合利用率應(yīng)達(dá)86%以上，基本實(shí)現(xiàn)零排放。然而目前對鋼渣的綜合利用率僅20%～30%，遠(yuǎn)低于規(guī)劃要求和發(fā)達(dá)國家利用的平均水平[1]。

鋼渣材料成分與水泥熟料具有一定的相似性，并具有強(qiáng)度高、硬度大、耐磨性強(qiáng)等特性，為其在混凝土中的應(yīng)用提供了諸多可能。同時，我國混凝土材料消耗巨大，采用鋼渣制備混凝土，將有效減小自然資源消耗，降低建筑活動碳排放量，對實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、建成“美麗中國”具有重大戰(zhàn)略意義。

鑒于鋼渣的材料特性和建筑用混凝土消耗現(xiàn)狀，為提高鋼渣的綜合利用率，近年來科學(xué)界和工程界陸續(xù)開展了使用鋼渣替換混凝土粗細(xì)骨料的嘗試，并對鋼渣替換粗細(xì)骨料的混凝土材料力學(xué)性能進(jìn)行了研究。然而，目前國內(nèi)外針對鋼渣替換混凝土粗細(xì)骨料對其力學(xué)性能的作用效益認(rèn)識尚未統(tǒng)一，嚴(yán)重影響其在實(shí)際工程中的推廣和應(yīng)用。為此，本文擬基于現(xiàn)有研究，明確鋼渣替換混凝土粗細(xì)骨料對其力學(xué)性能的影響效果，開展不同鋼渣替換率下混凝土材料的適用性分析，為鋼渣混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 鋼渣替換粗骨料混凝土的材料性能研究綜述

目前鋼渣混凝土的制備主要是通過鋼渣替換混凝土聚合物中的砂（細(xì)骨料）、石（粗骨料），其材料性能的研究主要包括抗壓、抗拉、抗折和干縮性能等關(guān)鍵參數(shù)。

1.1 抗壓性能

對于鋼渣替換粗骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度，劉華山[2]研究出隨著鋼渣對粗集料替換率的提高，混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增大，且隨著齡期的增加，替換率越高的混凝土抗壓強(qiáng)度提高越大，結(jié)果表明最佳替換率為50%。孫越華[3]研究了在早期，一定比例的鋼渣石摻入會降低混凝土的抗壓強(qiáng)度。而隨著齡期的增長，鋼渣對強(qiáng)度越有利。其分析得出造成以上現(xiàn)象的原因可能是高摻量鋼渣的活性低于骨料，在前期會抑制強(qiáng)度的增長。此前，Kumar 等[4]研究得出替換率為40%時，混凝土水膠凝含量和水灰比較大，粘結(jié)強(qiáng)度較高，混凝土強(qiáng)度提高幅度最大。當(dāng)鋼渣替代率超過40%時，鋼渣粗骨料吸水量過多，水膠凝材料含量減小，與骨料界面的粘結(jié)強(qiáng)度有所降低，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度逐步降低。

1.2 抗拉性能

楊晨等[5]通過對不同替換率下的鋼渣混凝土長期劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)其增長明顯，綜合抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)以取代率50%為最佳。劉金玉[6]和喬從偉[7]通過對比鋼渣石取代混凝土和普通混凝土的抗拉表現(xiàn)并綜合后期表現(xiàn)，建議鋼渣石取代普通混凝土中碎石的比例為50%。

1.3 抗折性能

於林鋒等[8]通過研究發(fā)現(xiàn)鋼渣混凝土抗折強(qiáng)度隨著鋼渣粗骨料替換率的增大，呈現(xiàn)出先增大后較小的趨勢，最佳替換率約為40%～50%。同時，鋼渣混凝土抗折強(qiáng)度隨著混凝土齡期的提高而增長，28d 抗折強(qiáng)度提高約30%。這是因?yàn)殇撛橇媳砻娴臐撛诨钚院痛植诙容^高，隨著齡期增長，水泥砂漿與鋼渣粗骨料表面持續(xù)反應(yīng)、結(jié)合，進(jìn)而提高其抗折強(qiáng)度。

1.4 彈性模量

在彈性模量方面，劉金玉[6]研究發(fā)現(xiàn)混凝土彈性模量隨著鋼渣石取代率的提高呈增加的趨勢，究其原因可能是由于鋼渣石自身的彈性模量較普通碎石大，進(jìn)而隨著替代率的提高，持續(xù)增大鋼渣石混凝土的彈性模量。

1.5 收縮性能

針對鋼渣物理性能，鋼渣替換骨料的混凝土體積收縮率也是研究的一個重點(diǎn)。對此，楊晨與劉華偉[5]、邢琳琳[9]和尚建麗等[10]分別進(jìn)行了有關(guān)混凝土收縮的試驗(yàn)研究，通過設(shè)置不同鋼渣粗骨料替換率試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，各組試件隨著齡期的增加，收縮率呈現(xiàn)增加趨勢。各組試件增長率大致相同，但其中以鋼渣粗骨料替換率為50%的試件收縮率最小。分析得出，由于鋼渣表面粗糙多孔，吸水率遠(yuǎn)高于碎石，使得內(nèi)部儲存較多水分。因此，鋼渣在混凝土內(nèi)部可適當(dāng)調(diào)整其濕度分布，在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)混凝土的自養(yǎng)護(hù)。隨著齡期的增長，內(nèi)部水分不斷釋放，保持了混凝土的內(nèi)部濕度，進(jìn)而提高了混凝土的抗收縮性，并且當(dāng)鋼渣替換率為50%時，混凝土收縮率最小。

2 鋼渣替換細(xì)骨料混凝土的材料性能研究綜述

2.1 抗壓性能

韓艷麗[11]采用鋼渣作細(xì)骨料替代混凝土中的天然骨料，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)替代混凝土中的天然細(xì)骨料可使早期抗壓強(qiáng)度增大的同時，后期強(qiáng)度也能穩(wěn)定發(fā)展。此外，隨著細(xì)骨料替代率的增長，其強(qiáng)度增長率明顯高于普通混凝土。研究發(fā)現(xiàn)，鋼渣替換混凝土細(xì)骨料的最佳替代率為50%左右。Qasrawi 等[12]研究了抗壓強(qiáng)度為25～45MPa 的混凝土，其細(xì)骨料由部分或全部鋼渣替換。結(jié)果表明，當(dāng)鋼渣替換細(xì)骨料比例為30%～50%時，混凝土抗壓強(qiáng)度隨骨料替換率的增長出現(xiàn)明顯提升，提升幅度約為10%～30%。但當(dāng)鋼渣細(xì)骨料替換率超過50%時，混凝土抗壓強(qiáng)度開始出現(xiàn)下降趨勢。

2.2 抗拉性能

關(guān)于鋼渣替換細(xì)骨料對于混凝土抗拉強(qiáng)度的影響，Qasrawi 等[12]對其進(jìn)行了研究，當(dāng)鋼渣細(xì)骨料替換率為30%～50%時，各齡期的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到普通混凝土抗拉強(qiáng)度的1.4～2.4倍，其中以鋼渣替換細(xì)骨料比例為50%的混凝土抗拉強(qiáng)度最大。而當(dāng)鋼渣替換率低于30%時，通過黃俠[13]和Qasrawi 等[12]對鋼渣替代混凝土中細(xì)骨料的研究分析表明，此時鋼渣混凝土抗拉強(qiáng)度與普通混凝土相近。

2.3 抗折性能

關(guān)于抗折強(qiáng)度的分析，韓艷麗[11]配置了鋼渣替換細(xì)骨料（即鋼渣砂）置換率10%～60%的普通硅酸鹽水泥混凝土，按照3d、7d、28d 的自然養(yǎng)護(hù)齡期測試其抗折強(qiáng)度，探究其最佳替換率。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼渣細(xì)骨料替換率為40%～50%時，其抗折強(qiáng)度最為穩(wěn)定，略高于普通混凝土。然而，當(dāng)鋼渣砂的替換率達(dá)到60%時，鋼渣混凝土的抗折強(qiáng)度不及普通混凝土。

2.4 彈性模量

除了混凝土強(qiáng)度外，鋼渣砂替換混凝土細(xì)骨料還會對混凝土有其它方面的影響。對于彈性模量的研究，李斌等[14]通過對鋼渣細(xì)骨料替換的分析試驗(yàn)得出，鋼渣混凝土的彈性模量隨鋼渣摻量的增大逐漸增大。但當(dāng)鋼渣摻量超過30%時，鋼渣替換細(xì)骨料對混凝土彈性模量的影響開始減小。當(dāng)鋼渣摻量為20%時，混凝土初始彈性模量達(dá)到最大值。

2.5 收縮性能

在鋼渣替換細(xì)骨料對體積收縮率的影響中，A. M. Rashad[15]結(jié)合前人研究表示目前對于鋼渣替換骨料的收縮性能尚無統(tǒng)一定論，約有53.33%的研究報告表示鋼渣替換骨料混凝土的收縮率減小，而約有40%的現(xiàn)有研究報告表示鋼渣替換骨料加劇了混凝土的收縮。

綜上所述，多數(shù)學(xué)者研究得出現(xiàn)階段鋼渣替換細(xì)骨料的最佳替換率為40%～50%，但部分學(xué)者研究得最佳替換率為20%～30%，具體最佳替換率的參考數(shù)據(jù)有限，仍需進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3 結(jié)論

本文通過對當(dāng)前鋼渣替換混凝土骨料研究現(xiàn)狀調(diào)研，分析了鋼渣替換混凝土粗細(xì)骨料對其力學(xué)性能的影響效果，進(jìn)而明確鋼渣替換混凝土骨料的適用性，獲得以下結(jié)論。

①分析表明，采用鋼渣替換混凝土粗骨料時，其替換率在40%～50%時，可以得到相對更好的抗壓、抗拉、抗折及收縮特性。而鋼渣粗骨料混凝土彈性模量隨著鋼渣替換率的增大可持續(xù)增大。

②采用鋼渣替換混凝土細(xì)骨料時，相關(guān)研究表明，鋼渣替換細(xì)骨料比例同樣在40%～50%左右時可達(dá)到較好的抗壓、抗拉和抗折強(qiáng)度。但其彈性模量是鋼渣替換細(xì)骨料比例在20%時最佳。此外，針對鋼渣替換細(xì)骨料對混凝土彈性模量的影響目前仍未形成一致結(jié)論，尚待進(jìn)一步研究。

③基于調(diào)研分析可知，鋼渣替換混凝土粗細(xì)骨料的比例控制在20%～50%時，具有相對良好穩(wěn)定的力學(xué)性能，實(shí)際工程可參考此比例使用。