冯兴良， 王 帅， 王成刚， 周榆秋

(1.华汇建设集团有限公司，浙江 嵊州 321400； 2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009； 3.安徽同济建设集团有限责任公司，安徽 合肥 230000)

0 引 言

近年来，钢铁产业在我国发展迅速，给环境带来了很大负担，废弃物排放的问题也对环境造成了诸多不利影响。而且我国对钢渣的利用率一直较低，落后于美国、日本、欧洲等发达国家。目前很多钢铁企业正由于日益恶化的环境问题导致发展被制约，甚至停滞不前。如何处理好炼制钢铁产生的废弃物也成为近年来各个可持续发展会议的热门话题[1-3]。近年来召开的关于做好碳达峰、碳中和工作的相关会议，要求大力实施节能减排，全面推进清洁生产，加快发展循环经济，将加快形成绿色生产生活方式，其中也提到钢铁产业要解决好废弃物处理问题。近年来我国大力开展城市化建设，需要大量的混凝土来支持，导致混凝土中的粗骨料天然石子和细骨料天然砂过度开采十分严重，联合国环境署于2019发布的《过度开采砂石已带来系列环境问题》指出在自然环境方面，河流中的大肆筑坝与开采，减少了许多河流向沿海地区的输沙量，这一现象导致河口三角洲处沉积物减少，引发海水倒灌，土地盐碱化程度加深，海水的海岸侵蚀速率提高。可见做传统混凝土大规模开采砂石对环境造成一定程度的破坏。考虑到生态环境的日益恶化，我们不能像以前一样继续大规模的开采天然砂石。通过研究发现：可以用钢渣替代天然砂、天然石子用做混凝土的骨料。这样不仅可以解决钢铁产业迅速发展所带来的废弃物排放的问题，还可以废物利用，增加钢铁产业的经济效益[2-4]。研究表明[5-12]：钢渣集料替代混凝土中的粗细集料后，改善了钢渣混凝土的力学性能，耐久性方面则有改善也有变差的现象，但是和易性变差。

针对于钢渣石混凝土和钢渣砂混凝土二者力学性能的对比研究还比较少，而且前人对取代普通混凝土中的钢渣粒径大小对混凝土的性能影响的研究也相对较少。本文中的粗细钢渣由马鞍山钢铁股份有限公司第四钢轧总厂提供，由热闷法生产，具有稳定性好、粉化率高、渣铁分离充分等优点。由粗细钢渣分别以不同取代率替代传统骨料掺入混凝土中，对比研究钢渣石与钢渣砂对混凝土力学的影响。

1 试验概况

1.1 试验材料

(1) 水泥：采用的是海螺水泥股份有限公司生产的海螺42.5普通硅酸盐水泥，具体性能见表1。

表1 水泥的基本性能

(2) 细集料：采用钢渣砂和天然砂作为细集料。其具体特性见表2。

表2 细集料的基本特性

(3) 钢渣砂：由马鞍山钢铁股份有限公司第四钢轧总厂提供，采用热闷法生产，钢渣的化学组成见表3。

将钢渣砂筛分成0.3～1.18 mm和1.18～4.75 mm两个级配作为混凝土细集料，并将两种级配的比例设置为7∶3，物理性能见表3，试验所使用的钢渣砂细集料各项指标均满足规范标准。

表3 钢渣石(砂)的主要化学成分

(4) 粗集料：石子为5～10 mm和10～20 mm的双级配，作为混凝土的粗骨料，其相关性能和具体特性见表4。

表4 石灰岩碎石的基本特性

试验所用钢渣石为块状钢渣，采用5～10 mm和10～20 mm两个级配作为混凝土细集料，确定钢渣砂配合比5～10 mm钢渣砂:1020 mm钢渣石为7∶3，依据混凝土碎石的检测标准检测了钢渣石的相关物理特性，结果见表5。

表5 钢渣石的物理性能

1.2 试验配合比

该钢渣石(砂)混凝土试验是按照普通C30混凝土进行配制。为了研究单掺钢渣石或钢渣砂对钢渣混凝土力学性能(立方体抗压强度、抗折强度、轴心抗压强度、弹性模量)的影响。用粗钢渣充当普通混凝土中粗骨料替代天然石子，用细钢渣充当普通混凝土中细骨料替代天然砂，具体配合比见表6。

表6 钢渣石(砂)混凝土配合比

其P0组代表普通混凝土，P1-A、P1-B、P2-A、P2-B、P3-A、P3-B、P4-A、P4-B分别代表钢渣石、钢渣砂取代天然石子的比例为25%、50%、75%、100%。

1.3 试验方法

根据表6按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)要求制备以上9组混凝土立方体抗压、抗折、轴心抗压及弹性模量的钢渣石、钢渣砂混凝土试块，经过在养护室蒸汽养护后测试其力学性能。

2 试验结果及分析

2.1 立方体抗压强度试验

2.1.1 试验结果

通过9组共81个尺寸为150 mm×150 mm×150 mm试块的测试，分别得到钢渣砂和钢渣石5种不同取代率的混凝土在不同龄期(7 d、14 d、28 d)下的立方体抗压强度，见表7。根据表8中数据绘制出钢渣石(砂)混凝土立方体养护7 d、14 d、28 d的抗压强度与不同取代率的关系曲线，如图1所示。

表7 不同龄期钢渣石(砂)混凝土立方体抗压强度

图1 不同取代率钢渣石(砂)混凝土抗压强度曲线图

2.1.2 试验结果分析

从表7和图1可以看出：

(1) 随着在养护室蒸汽养护时间的增长，各个取代率的钢渣石混凝土和钢渣砂混凝土的立方体抗压强度都有所提高。且蒸汽养护28 d时，普通混凝土的强度高于所有取代率情况下的钢渣石混凝土和钢渣砂混凝土。

(2) 养护28 d时，钢渣砂混凝土抗压强度仅P3-B组略微小于抗压指标要求30 MPa，其他各个取代率钢渣砂混凝土与全部钢渣石混凝土的抗压强度均满足《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)中规定的要求。在蒸汽养护为3 d、7 d、28 d 3种不同的龄期时，当粗细钢渣掺量为25%时粗细钢渣混凝土的立方体抗压强度与普通混凝土的最为接近。

(3) 钢渣石混凝土养护龄期不超过14 d时，随着钢渣石的用量的增加，钢渣石混凝土抗压强度先增大后减小；当蒸汽养护28 d时，随着粗钢渣取代率提高，钢渣石混凝土抗压强度大致呈现出减小的趋势；而对于钢渣砂混凝土蒸汽养护时间不超过28 d时，随着细钢渣掺量的增加，钢渣砂混凝土抗压强度表现为先减小后增大变化情况。

(4) 当取代率相同时，钢渣石混凝土的抗压强度普遍大于钢渣砂混凝土的抗压强度(除取代率为100%、养护28 d之外)，并且当取代率值为100%时，二者抗压强度最接近。

2.2 抗折强度试验

2.2.1 试验结果

通过9组共27个边长为150 mm×150 mm×450 mm试块的测试，分别得到不同取代率的钢渣石和钢渣砂混凝土在28 d龄期下的抗折强度，见表8。根据表8中数据绘制出钢渣石(砂)混凝土的抗折强度与不同取代率的关系曲线，如图2所示。

表8 钢渣石(砂)混凝土抗折强度值

图2 不同取代率钢渣石(砂)混凝土抗折强度曲线图

2.2.2 试验结果分析

从表8和图2可以看出：当蒸汽养护时间为28 d时，普通混凝土的抗折强度高于各个取代率情况下的钢渣石混凝土和钢渣砂混凝土；仅P4-A组钢渣石混凝土与P2-B组钢渣砂混凝土抗折强度小于3.5 MPa，其他不同取代率钢渣石混凝土抗折强度均大于3.5 MPa，都满足C30混凝土的抗折强度指标要求；随着取代率的增加，钢渣石混凝土抗折强度呈先增加后减小的趋势；钢渣砂混凝土抗折强度呈先减小后增加的趋势。

2.3 轴心抗压强度试验

2.3.1 试验结果

通过9组共27个边长为150 mm×150 mm×300mm试块的测试，分别得到不同取代率的钢渣石和钢渣砂混凝土在28d龄期下的轴心抗压强度，见表9。根据表9中数据绘制出钢渣石(砂)混凝土的轴心抗压强度与不同取代率的关系曲线，如图3所示。

表9 钢渣石(砂)混凝土轴心抗压强度

图3 不同取代率钢渣石(砂)混凝土轴心抗压强度曲线图

2.3.2 试验结果分析

由表9和图3可以看出：随着取代率的提高，钢渣石混凝土的轴心抗压强度的变化趋势大致为先增大后减小；对于钢渣砂混凝土，随着钢渣砂取代率的提高，其轴心抗压强度先减小后增大；其中仅P2-B组钢渣砂混凝土轴心抗压强度略小于20.1 MPa，其他不同取代率钢渣砂混凝土和全部钢渣石混凝土的轴心抗压强度均满足轴心抗压强度指标且大于20.1 MPa。说明钢渣粗骨料的加入有利于提高混凝土的轴心抗压能力；而钢渣细骨料的加入降低了混凝土的轴心抗压能力。

2.4 弹性模量试验

2.4.1 试验结果

通过9组共27个150 mm×150 mm×300 mm试块的测试，分别得到不同取代率的钢渣石和钢渣砂混凝土在28d龄期下的弹性模量，如表10所示。根据表10中数据绘制出钢渣石(砂)混凝土的弹性模量与不同取代率的关系曲线，如图4所示。

表10 不同钢渣石(砂)替代率条件下的弹性模量(MPa)

图4 不同取代率钢渣石(砂)混凝土弹性模量曲线图

2.4.2 试验结果分析

从表10和图4可以看出：28bd龄期的钢渣石混凝土与钢渣砂弹性模量均大于普通混凝土弹性模量，且相同取代率的钢渣石混凝土弹性模量均大于钢渣砂混凝土的；随着钢渣石与钢渣砂掺量的增加，钢渣石混凝土和钢渣砂混凝土的弹性模量都随之增加。

3 结 论

(1) 养护龄期达到28 d时，除个别情况外，钢渣石和钢渣砂混凝土的力学性能都能满足规范规定的指标要求，说明可以用钢渣石和钢渣砂分别替代天然石子和天然砂制备混凝土。

(2) 在取代率相同的情况下，钢渣石混凝土的立方体抗压强度基本上都大于钢渣砂混凝土(除取代率为100%、养护28 d之外)，钢渣石混凝土的轴心抗压强度和弹性模量均大于钢渣砂混凝土的。

(3) 随着取代率的增加，钢渣石混凝土的抗压强度、抗折强度和轴心抗压强度总体呈现先增大后减小的变化趋势，而钢渣砂混凝土的抗压强度、抗折强度和轴心抗压强度则呈现先减小后增大的变化趋势。

(4) 当养护龄期为28 d时，普通混凝土的弹性模量小于掺有粗细钢渣的混凝土的弹性模量，且随着粗细钢渣取代率的增加，钢渣混凝土弹性模量也越来越大。