钢渣替换混凝土骨料的力学性能影响综述

陶锐睿，沈奇罕，郑歆，沈嘉坤，方睿奇，曾梓轩

（合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

0 引言

钢铁产业是国民经济的重要支柱产业，在经济发展、工程建设和稳定就业等方面发挥着重要作用。目前我国钢铁年产量达10 亿t，约占全球年总产量的50%，稳居世界第一。然而，钢渣作为炼钢过程中的主要副产物，对环境的污染问题也日益严重。据统计，我国当前钢渣年产量达1.2 亿t，钢渣固废累计储量已超20 亿t，形成大量堆积，严重侵占农地资源，污染生态环境。我国“十一五”发展规划就曾指出，钢渣的综合利用率应达86%以上，基本实现零排放。然而目前对钢渣的综合利用率仅20%～30%，远低于规划要求和发达国家利用的平均水平[1]。

钢渣材料成分与水泥熟料具有一定的相似性，并具有强度高、硬度大、耐磨性强等特性，为其在混凝土中的应用提供了诸多可能。同时，我国混凝土材料消耗巨大，采用钢渣制备混凝土，将有效减小自然资源消耗，降低建筑活动碳排放量，对实现“双碳”目标、建成“美丽中国”具有重大战略意义。

鉴于钢渣的材料特性和建筑用混凝土消耗现状，为提高钢渣的综合利用率，近年来科学界和工程界陆续开展了使用钢渣替换混凝土粗细骨料的尝试，并对钢渣替换粗细骨料的混凝土材料力学性能进行了研究。然而，目前国内外针对钢渣替换混凝土粗细骨料对其力学性能的作用效益认识尚未统一，严重影响其在实际工程中的推广和应用。为此，本文拟基于现有研究，明确钢渣替换混凝土粗细骨料对其力学性能的影响效果，开展不同钢渣替换率下混凝土材料的适用性分析，为钢渣混凝土在实际工程中的应用提供参考依据。

1 钢渣替换粗骨料混凝土的材料性能研究综述

目前钢渣混凝土的制备主要是通过钢渣替换混凝土聚合物中的砂（细骨料）、石（粗骨料），其材料性能的研究主要包括抗压、抗拉、抗折和干缩性能等关键参数。

1.1 抗压性能

对于钢渣替换粗骨料混凝土的抗压强度，刘华山[2]研究出随着钢渣对粗集料替换率的提高，混凝土抗压强度逐渐增大，且随着龄期的增加，替换率越高的混凝土抗压强度提高越大，结果表明最佳替换率为50%。孙越华[3]研究了在早期，一定比例的钢渣石掺入会降低混凝土的抗压强度。而随着龄期的增长，钢渣对强度越有利。其分析得出造成以上现象的原因可能是高掺量钢渣的活性低于骨料，在前期会抑制强度的增长。此前，Kumar 等[4]研究得出替换率为40%时，混凝土水胶凝含量和水灰比较大，粘结强度较高，混凝土强度提高幅度最大。当钢渣替代率超过40%时，钢渣粗骨料吸水量过多，水胶凝材料含量减小，与骨料界面的粘结强度有所降低，导致混凝土强度逐步降低。

1.2 抗拉性能

杨晨等[5]通过对不同替换率下的钢渣混凝土长期劈裂抗拉强度进行检测，发现其增长明显，综合抗压强度表现以取代率50%为最佳。刘金玉[6]和乔从伟[7]通过对比钢渣石取代混凝土和普通混凝土的抗拉表现并综合后期表现，建议钢渣石取代普通混凝土中碎石的比例为50%。

1.3 抗折性能

於林锋等[8]通过研究发现钢渣混凝土抗折强度随着钢渣粗骨料替换率的增大，呈现出先增大后较小的趋势，最佳替换率约为40%～50%。同时，钢渣混凝土抗折强度随着混凝土龄期的提高而增长，28d 抗折强度提高约30%。这是因为钢渣骨料表面的潜在活性和粗糙度较高，随着龄期增长，水泥砂浆与钢渣粗骨料表面持续反应、结合，进而提高其抗折强度。

1.4 弹性模量

在弹性模量方面，刘金玉[6]研究发现混凝土弹性模量随着钢渣石取代率的提高呈增加的趋势，究其原因可能是由于钢渣石自身的弹性模量较普通碎石大，进而随着替代率的提高，持续增大钢渣石混凝土的弹性模量。

1.5 收缩性能

针对钢渣物理性能，钢渣替换骨料的混凝土体积收缩率也是研究的一个重点。对此，杨晨与刘华伟[5]、邢琳琳[9]和尚建丽等[10]分别进行了有关混凝土收缩的试验研究，通过设置不同钢渣粗骨料替换率试验研究发现，各组试件随着龄期的增加，收缩率呈现增加趋势。各组试件增长率大致相同，但其中以钢渣粗骨料替换率为50%的试件收缩率最小。分析得出，由于钢渣表面粗糙多孔，吸水率远高于碎石，使得内部储存较多水分。因此，钢渣在混凝土内部可适当调整其湿度分布，在内部实现混凝土的自养护。随着龄期的增长，内部水分不断释放，保持了混凝土的内部湿度，进而提高了混凝土的抗收缩性，并且当钢渣替换率为50%时，混凝土收缩率最小。

2 钢渣替换细骨料混凝土的材料性能研究综述

2.1 抗压性能

韩艳丽[11]采用钢渣作细骨料替代混凝土中的天然骨料，试验结果发现替代混凝土中的天然细骨料可使早期抗压强度增大的同时，后期强度也能稳定发展。此外，随着细骨料替代率的增长，其强度增长率明显高于普通混凝土。研究发现，钢渣替换混凝土细骨料的最佳替代率为50%左右。Qasrawi 等[12]研究了抗压强度为25～45MPa 的混凝土，其细骨料由部分或全部钢渣替换。结果表明，当钢渣替换细骨料比例为30%～50%时，混凝土抗压强度随骨料替换率的增长出现明显提升，提升幅度约为10%～30%。但当钢渣细骨料替换率超过50%时，混凝土抗压强度开始出现下降趋势。

2.2 抗拉性能

关于钢渣替换细骨料对于混凝土抗拉强度的影响，Qasrawi 等[12]对其进行了研究，当钢渣细骨料替换率为30%～50%时，各龄期的抗拉强度可达到普通混凝土抗拉强度的1.4～2.4倍，其中以钢渣替换细骨料比例为50%的混凝土抗拉强度最大。而当钢渣替换率低于30%时，通过黄侠[13]和Qasrawi 等[12]对钢渣替代混凝土中细骨料的研究分析表明，此时钢渣混凝土抗拉强度与普通混凝土相近。

2.3 抗折性能

关于抗折强度的分析，韩艳丽[11]配置了钢渣替换细骨料（即钢渣砂）置换率10%～60%的普通硅酸盐水泥混凝土，按照3d、7d、28d 的自然养护龄期测试其抗折强度，探究其最佳替换率。根据研究发现，当钢渣细骨料替换率为40%～50%时，其抗折强度最为稳定，略高于普通混凝土。然而，当钢渣砂的替换率达到60%时，钢渣混凝土的抗折强度不及普通混凝土。

2.4 弹性模量

除了混凝土强度外，钢渣砂替换混凝土细骨料还会对混凝土有其它方面的影响。对于弹性模量的研究，李斌等[14]通过对钢渣细骨料替换的分析试验得出，钢渣混凝土的弹性模量随钢渣掺量的增大逐渐增大。但当钢渣掺量超过30%时，钢渣替换细骨料对混凝土弹性模量的影响开始减小。当钢渣掺量为20%时，混凝土初始弹性模量达到最大值。

2.5 收缩性能

在钢渣替换细骨料对体积收缩率的影响中，A. M. Rashad[15]结合前人研究表示目前对于钢渣替换骨料的收缩性能尚无统一定论，约有53.33%的研究报告表示钢渣替换骨料混凝土的收缩率减小，而约有40%的现有研究报告表示钢渣替换骨料加剧了混凝土的收缩。

综上所述，多数学者研究得出现阶段钢渣替换细骨料的最佳替换率为40%～50%，但部分学者研究得最佳替换率为20%～30%，具体最佳替换率的参考数据有限，仍需进一步进行试验研究。

3 结论

本文通过对当前钢渣替换混凝土骨料研究现状调研，分析了钢渣替换混凝土粗细骨料对其力学性能的影响效果，进而明确钢渣替换混凝土骨料的适用性，获得以下结论。

①分析表明，采用钢渣替换混凝土粗骨料时，其替换率在40%～50%时，可以得到相对更好的抗压、抗拉、抗折及收缩特性。而钢渣粗骨料混凝土弹性模量随着钢渣替换率的增大可持续增大。

②采用钢渣替换混凝土细骨料时，相关研究表明，钢渣替换细骨料比例同样在40%～50%左右时可达到较好的抗压、抗拉和抗折强度。但其弹性模量是钢渣替换细骨料比例在20%时最佳。此外，针对钢渣替换细骨料对混凝土弹性模量的影响目前仍未形成一致结论，尚待进一步研究。

③基于调研分析可知，钢渣替换混凝土粗细骨料的比例控制在20%～50%时，具有相对良好稳定的力学性能，实际工程可参考此比例使用。