鋼渣替換混凝土骨料的力學性能影響綜述

陶銳睿，沈奇罕，鄭歆，沈嘉坤，方睿奇，曾梓軒

（合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

0 引言

鋼鐵產業是國民經濟的重要支柱產業，在經濟發展、工程建設和穩定就業等方面發揮著重要作用。目前我國鋼鐵年產量達10 億t，約占全球年總產量的50%，穩居世界第一。然而，鋼渣作為煉鋼過程中的主要副產物，對環境的污染問題也日益嚴重。據統計，我國當前鋼渣年產量達1.2 億t，鋼渣固廢累計儲量已超20 億t，形成大量堆積，嚴重侵占農地資源，污染生態環境。我國“十一五”發展規劃就曾指出，鋼渣的綜合利用率應達86%以上，基本實現零排放。然而目前對鋼渣的綜合利用率僅20%～30%，遠低于規劃要求和發達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，并具有強度高、硬度大、耐磨性強等特性，為其在混凝土中的應用提供了諸多可能。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，對實現“雙碳”目標、建成“美麗中國”具有重大戰略意義。

鑒于鋼渣的材料特性和建筑用混凝土消耗現狀，為提高鋼渣的綜合利用率，近年來科學界和工程界陸續開展了使用鋼渣替換混凝土粗細骨料的嘗試，并對鋼渣替換粗細骨料的混凝土材料力學性能進行了研究。然而，目前國內外針對鋼渣替換混凝土粗細骨料對其力學性能的作用效益認識尚未統一，嚴重影響其在實際工程中的推廣和應用。為此，本文擬基于現有研究，明確鋼渣替換混凝土粗細骨料對其力學性能的影響效果，開展不同鋼渣替換率下混凝土材料的適用性分析，為鋼渣混凝土在實際工程中的應用提供參考依據。

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鍵參數。

1.1 抗壓性能

對于鋼渣替換粗骨料混凝土的抗壓強度，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度提高越大，結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度。而隨著齡期的增長，鋼渣對強度越有利。其分析得出造成以上現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，粘結強度較高，混凝土強度提高幅度最大。當鋼渣替代率超過40%時，鋼渣粗骨料吸水量過多，水膠凝材料含量減小，與骨料界面的粘結強度有所降低，導致混凝土強度逐步降低。

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度進行檢測，發現其增長明顯，綜合抗壓強度表現以取代率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并綜合后期表現，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]通過研究發現鋼渣混凝土抗折強度隨著鋼渣粗骨料替換率的增大，呈現出先增大后較小的趨勢，最佳替換率約為40%～50%。同時，鋼渣混凝土抗折強度隨著混凝土齡期的提高而增長，28d 抗折強度提高約30%。這是因為鋼渣骨料表面的潛在活性和粗糙度較高，隨著齡期增長，水泥砂漿與鋼渣粗骨料表面持續反應、結合，進而提高其抗折強度。

1.4 彈性模量

在彈性模量方面，劉金玉[6]研究發現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，進而隨著替代率的提高，持續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。對此，楊晨與劉華偉[5]、邢琳琳[9]和尚建麗等[10]分別進行了有關混凝土收縮的試驗研究，通過設置不同鋼渣粗骨料替換率試驗研究發現，各組試件隨著齡期的增加，收縮率呈現增加趨勢。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，吸水率遠高于碎石，使得內部儲存較多水分。因此，鋼渣在混凝土內部可適當調整其濕度分布，在內部實現混凝土的自養護。隨著齡期的增長，內部水分不斷釋放，保持了混凝土的內部濕度，進而提高了混凝土的抗收縮性，并且當鋼渣替換率為50%時，混凝土收縮率最小。

2 鋼渣替換細骨料混凝土的材料性能研究綜述

2.1 抗壓性能

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

2.2 抗拉性能

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

2.3 抗折性能

關于抗折強度的分析，韓艷麗[11]配置了鋼渣替換細骨料（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 的自然養護齡期測試其抗折強度，探究其最佳替換率。根據研究發現，當鋼渣細骨料替換率為40%～50%時，其抗折強度最為穩定，略高于普通混凝土。然而，當鋼渣砂的替換率達到60%時，鋼渣混凝土的抗折強度不及普通混凝土。

2.4 彈性模量

除了混凝土強度外，鋼渣砂替換混凝土細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]通過對鋼渣細骨料替換的分析試驗得出，鋼渣混凝土的彈性模量隨鋼渣摻量的增大逐漸增大。但當鋼渣摻量超過30%時，鋼渣替換細骨料對混凝土彈性模量的影響開始減小。當鋼渣摻量為20%時，混凝土初始彈性模量達到最大值。

2.5 收縮性能

在鋼渣替換細骨料對體積收縮率的影響中，A. M. Rashad[15]結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，多數學者研究得出現階段鋼渣替換細骨料的最佳替換率為40%～50%，但部分學者研究得最佳替換率為20%～30%，具體最佳替換率的參考數據有限，仍需進一步進行試驗研究。

3 結論

本文通過對當前鋼渣替換混凝土骨料研究現狀調研，分析了鋼渣替換混凝土粗細骨料對其力學性能的影響效果，進而明確鋼渣替換混凝土骨料的適用性，獲得以下結論。

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增大。

②采用鋼渣替換混凝土細骨料時，相關研究表明，鋼渣替換細骨料比例同樣在40%～50%左右時可達到較好的抗壓、抗拉和抗折強度。但其彈性模量是鋼渣替換細骨料比例在20%時最佳。此外，針對鋼渣替換細骨料對混凝土彈性模量的影響目前仍未形成一致結論，尚待進一步研究。

③基于調研分析可知，鋼渣替換混凝土粗細骨料的比例控制在20%～50%時，具有相對良好穩定的力學性能，實際工程可參考此比例使用。