钢渣骨料混凝土的研究现状

1　引言

混凝土是人类目前使用量最大的建筑材料，它主要由胶凝材料、粗细骨料与水拌合而成。其中骨料一般占据了混凝土绝大部分的体积，它性能的优良对混凝土的各项性能有着直接和显著的影响[[1]]。而近些年国内每年消耗的天然砂石高达数十亿吨[[2]]，在有些地区供求关系的不平衡也导致优良砂石的价格不断提升，除此之外，对砂石的过量开采与长途运输已经对环境造成了严重的影响。可以说，寻求优良砂石的替代品已经是我们面对的一个不可忽视的问题。

与此同时，中国目前搁置的钢渣的量达到了180107吨，并且现在每年还在以百万吨的数量增长[[3]]。但我们对这些钢渣的利用率却只有10%左右[[4]]，也就是说，如何能较好地利用这些钢渣也是一个亟待解决的难题。如果钢渣能够很好的替代砂石骨料，也就能够很好的解决以上两个问题。

钢渣是在炼钢过程中产生的以硅酸二钙、硅酸三钙为主要成分的熔融物，经冷却后得到的副产品[[5]]。钢渣的密度一般在3.3至3.6g/cm3之间。从外观上看，钢渣一般成松堆状态，比较坚硬[[6]]。从组成上看，钢渣主要含有SiO2、CaO、Fe2O3、FeO、Al2O3、MgO、MnO、P2O5等[[7]]。由于钢渣中含有和水泥类似的硅酸二钙、硅酸三钙以及铁铝酸盐等活性矿物质，具有水硬胶凝性，因此很长一段时间里人们都将其作为生产无熟料和少熟料水泥的原料或是作为水泥掺合料使用。而近期很多学者（如CHUNLINL[[8]]，梁建军[[9]]等）通过研究发现钢渣可以作为混凝土中砂石骨料的替代物，并且在很多方面，钢渣作为骨料的混凝土的性能都优于砂石骨料混凝土的性能。

本文分别从钢渣做粗骨料和钢渣做细骨料两方面来综述近些年国内外学者对钢渣骨料混凝土的研究现状，并在此基础上展望今后一段时间内钢渣骨料混凝土的研究方向，为钢渣骨料混凝土的理论研究和实际应用提供一定程度的参考。

2　钢渣粗骨料混凝土的研究现状

对钢渣粗骨料混凝土的研究是目前研究钢渣做骨料的主要方向之一。为了探究钢渣是否能做混凝土的粗骨料，就要研究钢渣粗骨料混凝土的强度、耐久性以及体积稳定性等一系列的问题。因为是对混凝土粗骨料的研究，所以因添加粗骨料产生的混凝土过渡区也应该是研究的重点。

2.1强度

在研究任何创新性的想法能否应用到工程实践中时，最首要研究的就是其力学性能。力学性能不合格，其他性能再好也无法应用于工程实践中。关于钢渣粗骨料混凝土的基本力学性能，国内外目前的研究一般都涉及到了抗压强度、抗折强度两个方面。

戴荟郦[[10]]等采用钢渣等体积（0%、30%、60%、100%）替代普通混凝土中的粗集料进行对比试验发现：钢渣作为混凝土粗骨料会增强混凝土的抗压强度与抗折强度，并且随着钢渣使用量的增大，钢渣混凝土的抗压强度与抗折强度也会随之增强。

MASLEHUDDINM[[11]]等通过与冲洗过的石灰石骨料作对比，研究了钢渣粗骨料混凝土的力学性能，并且通过实验指出：钢渣骨料的力学性能优于冲洗过的石灰石骨料的力学性能，但钢渣骨料的比重高于冲洗过的石灰石骨料；钢渣骨料水泥混凝土的单位重量高于石灰石骨料混凝土；钢渣粗骨料混凝土的抗压强度高于石灰石骨料混凝土，但是二者的抗折强度与劈裂抗拉强度没有什么显著地区别。

IVANKAN[[12]]等通过对比研究了钢渣粗骨料混凝土与石灰石骨料混凝土的抗压强度、抗折强度、静态弹性模量也指出钢渣是替代混凝土中天然粗骨料的一个绝佳的替代物。

2.2过渡区

在对钢渣粗骨料混凝土强度的研究中已指出，随着钢渣骨料替代量的增大，钢渣粗骨料混凝土的抗折强度会随之增强。而混凝土构件的抗折强度一般都和试件底部受拉能力有关，界面的粘结力越大，混凝土构件的抗折强度越高。也就是说，用钢渣做粗骨料会强化混凝土的界面过渡区，由此改善了混凝土的抗折性能。

为了进一步证实和研究钢渣粗骨料混凝土的过渡区的特征，尚建丽[[13]]等采用对比的方法研究了普通碎石混凝土和钢渣粗骨料混凝土界面过渡区的结构和形态。结果表明：钢渣表面粗糙多孔，水泥浆体能够紧密包裹钢渣；钢渣－水泥石界面过渡区约为40，略小于普通碎石－水泥石界面过渡区（50），其界面过渡区结构较为致密，因而可形成较强的界面黏结力，配制的钢渣粗骨料混凝土整体强度较高。由对过渡区的研究，也再次验证了钢渣粗骨料混凝土的力学性能。

2.3耐久性

评价混凝土的耐久性好坏的指标一般包括抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、混凝土的碳化和碱骨料反应等。目前各国的学者们对于钢渣粗骨料混凝土的耐久性已经有了一定程度的研究。

MASLEHUDDINM[11]等从抗渗性与预应力腐蚀两个方面研究了钢渣粗骨料混凝土的耐久性。他们通过对比钢渣粗骨料混凝土与石灰石骨料混凝土的脉冲速率得知钢渣粗骨料混凝土的密实度高，并用抗水渗透实验证实了钢渣粗骨料混凝土的抗渗性能更好；对于预应力腐蚀的研究，他们也通过实验探究出钢渣粗骨料混凝土的抗预应力腐蚀性能更好。

IVANKAN[12]等通过研究钢渣粗骨料混凝土的抗腐蚀性能，并与天然骨料混凝土的抗腐蚀性能对比指出钢渣是替代混凝土中天然粗骨料的一个绝佳的替代物。

2.4体积稳定性

如前介绍钢渣所述，钢渣内含有一些可水化的氧化物，比如CaO、MgO等。这些物质在接触水后会造成混凝土的体积不稳定。具体来说，会引起混凝土的膨胀。现在对钢渣粗骨料混凝土的研究，主要集中在研究钢渣粗骨料混凝土的强度和耐久性，并指出钢渣粗骨料混凝土在强度和耐久性方面的优势，但钢渣粗骨料混凝土的体积稳定性不良是一个显著的劣势，它阻碍了钢渣粗骨料混凝土在工程上的运用。

为此，GEORGEW[[14]]专门对钢渣粗骨料的膨胀力展开研究。他指出膨胀力和高温中断测试技术可以用于测试钢渣粗骨料所产生的膨胀力大小，并且他能够建立相应的模型并通过公式计算出每单位体积或每个钢渣颗粒的膨胀力大小。他可以用这些数值来定量估计钢渣的稳定性。他的研究主要可以用来筛选哪些钢渣颗粒可以用做混凝土的粗骨料中，但他并没有给出具体的措施来降低这种膨胀力，以使绝大多数钢渣可以应用到混凝土粗骨料的替代物中。

3　钢渣细骨料混凝土的研究现状

对钢渣细骨料混凝土的研究是目前研究钢渣做骨料的另一主要方向。相比于钢渣粗骨料混凝土的研究，目前对钢渣细骨料混凝土的研究，尤其是对耐久性的研究还略显不足。但要探究钢渣细骨料混凝土的应用前景，首先依然要从强度、耐久性和体积稳定性三个方面进行研究。

3.1强度

目前国内外对钢渣细骨料混凝土强度的研究涉及到了抗压强度、抗折强度、抗拉强度等等。

戴荟郦[10]等对钢渣细骨料对混凝土强度的影响也做了深入的研究。实验采用钢渣砂100%的替代普通砂作为细集料，结果表明当用钢渣砂等体积替代混凝土的天然细集料时，会增强混凝土的抗压强度和抗折强度。

虽然使用钢渣替代普通砂做混凝土的细骨料可以提高混凝土的抗压强度和抗折强度，但是否替代率达到100%才是最好呢，为此HISHAMQ[[15]]等根据不同的混凝土强度等级做了大量的研究。研究表明：当钢渣的替代率达到30%左右时，混凝土抗压强度的提高最为显著；在这个替代率下，混凝土28天的抗压强度能提高1.1~1.3倍，而28天的抗拉强度能提高1.4~2.4倍；提高混凝土抗拉强度最适宜的钢渣的替代率为30~50%，而提高混凝土抗压强度最适宜的钢渣的替代率为15~30%。

3.2耐久性

目前就国内外对钢渣细骨料混凝土的耐久性的研究比较缺乏，尚需大量的试验研究对钢渣细骨料混凝土的耐久性予以探究。

MASLEHUDDINM[11]等通过对比钢渣水泥砂浆与标准砂水泥砂浆的干缩性得知这二者的干缩程度近似相同，并且干缩值均小于标准ASTMC33中的规定值。

3.3体积稳定性

前文所述，钢渣粗骨料混凝土的体积稳定性是目前制约钢渣粗骨料混凝土应用到工程实践中的一大因素，而钢渣细骨料与钢渣粗骨料同时都具有可水化的氧化物，也就是说钢渣做细骨料同样会引起混凝土的体积稳定性不良。那我们该如何解决这些问题呢，对此有一些学者对此展开了研究。

CHUNLINL[8]等指出了一个可以改善钢渣骨料混凝土体积稳定性的一种措施。他们指出运用在混凝土粗细骨料中的钢渣引发的膨胀可以降低混凝土的收缩，其膨胀的程度也可以通过一定的手段控制在一定的范围内。只需要在细钢渣骨料中掺入一定量的铁屑即可以控制膨胀程度，并且掺入铁屑颗粒后，混凝土的力学性能不会受到大的影响，而且可以同时减小混凝土的体积变形。

YUNXIAL[2]等也指出了改善钢渣细骨料体积稳定性的方法。为避免粗骨料的干扰，他们以砂浆为研究对象。他们通过比较蒸汽养护或压蒸的手段找到了可以改善钢渣细骨料的体积稳定性的方法。虽然蒸汽养护会降低砂浆的强度，引起微裂纹，但压蒸的手段却不会降低砂浆的强度。自由CaO的水化是引起砂浆膨胀和微裂纹的主要因素。通过蒸汽养护或压蒸的手段都能够改善钢渣细骨料的体积稳定性，但相比之下，压蒸的手段比蒸汽养护更为有效。

JINMANK[[16]]等采取了从源头上解决钢渣细骨料体积稳定性不良的问题。他们指出，一般钢渣都是缓慢冷却下来的，它们结晶后会生成游离的CaO，而这是产生混凝土体积稳定性不良的主要物质。如果我们通过急冷的手段对钢渣进行处理，就不会产生游离的CaO与其他的结晶氧化物，而这就从根本上解决了钢渣细骨料体积稳定性不良的问题。

4　趋势与展望

跟发达国家相比，中国的钢渣年产量和存量巨大但利用率却很低。将钢渣运用在混凝土中做骨料可以同时解决钢渣的充分利用和现有混凝土优良砂石不足的问题。可以说钢渣骨料混凝土发展前景广阔。但就目前的研究来看，想让钢渣较好地作为混凝土的骨料运用在工程实践中，在今后的一段时间内还需要做出一些努力。

其一，如前所述，目前国内外对钢渣细骨料混凝土的耐久性的研究极为缺乏，目前尚需要大量的试验予以探究钢渣细骨料混凝土耐久性的优劣。

其二，对钢渣骨料混凝土强度的研究已比较充分，下一步可以在此基础之上继续优化最适宜的粗细钢渣的掺加量。

其三，对钢渣粗骨料混凝土体积稳定性的研究比较缺乏，需要进一步的研究；对钢渣细骨料混凝土体积稳定性的研究比较充分，提出了很多实用性的建议，但为了大量的推广使用，尚需要比较这些方法，选出一种最适宜的方法作为标准，比如对钢渣原料进行急冷处理等，以方便工程使用。

参考文献
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[16] JINMAN K, SUNGHYUN C, EUNGU K. Experimental Evaluation of VolumeStability of Rapidly-Cooled Steel Slag as Fine Aggregate for concrete[J]. EnvironmentalEngineering, 2014:1~9.

文章摘自公众号“中国混凝土网”作者：路锋、冯竟竟、刘洋、刘勇、于雷，如涉及作品内容、版权和其它问题，请及时联系，我们将尽快处理。