鋼渣骨料混凝土的研究現(xiàn)狀綜述*

路鋒，馮竟竟，劉洋，劉勇，于雷

（1. 山東農(nóng)業(yè)大學科技物資站，山東 泰安 271018；2. 山東農(nóng)業(yè)大學水土學院土木系，山東 泰安 271018）

鋼渣骨料混凝土的研究現(xiàn)狀綜述*

路鋒1，馮竟竟2，劉洋2，劉勇2，于雷2

（1. 山東農(nóng)業(yè)大學科技物資站，山東 泰安 271018；2. 山東農(nóng)業(yè)大學水土學院土木系，山東 泰安 271018）

目前國內(nèi)鋼渣的年產(chǎn)量和現(xiàn)存量都較大，但鋼渣的有效利用率卻很低。將鋼渣作為骨料用于混凝土是有效利用鋼渣的途徑之一。本文從鋼渣用作粗骨料、鋼渣用作細骨料兩個方面對鋼渣骨料混凝土的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了綜述。

鋼渣粗骨料；鋼渣細骨料；強度；耐久性；體積穩(wěn)定性

0　引言

混凝土是人類目前使用量最大的建筑材料，它主要由膠凝材料、骨料與水拌合而成。其中骨料一般占據(jù)了混凝土絕大部分的體積，其性能的優(yōu)良對混凝土的各項性能有著直接和顯著的影響[1]。而近些年國內(nèi)每年消耗的天然砂石高達數(shù)十億噸[2]，有些地區(qū)供求關系的不平衡也導致優(yōu)良砂石的價格不斷提升，除此之外，對砂石的過量開采與長途運輸已經(jīng)對環(huán)境造成了嚴重的影響。可以說，尋求優(yōu)良砂石的替代品已經(jīng)是一個不可忽視的問題。

與此同時，中國目前擱置的鋼渣的數(shù)量達到了 180×107噸，并且現(xiàn)在每年還在以百萬噸的數(shù)量增長[3]。但這些鋼渣的利用率卻只有 10% 左右[4]，也就是說，如何能較好地利用這些鋼渣也是一個亟待解決的難題。如果鋼渣能夠很好的替代砂石骨料，也就能很好地解決以上兩個問題。

鋼渣是在煉鋼過程中產(chǎn)生的以硅酸二鈣、硅酸三鈣為主要成分的熔融物，經(jīng)冷卻后得到的副產(chǎn)品[5]。鋼渣的密度一般在 3.3～3.6g/cm3之間。從外觀上看，鋼渣一般成松堆狀態(tài)，比較堅硬[6]。從組成上看，鋼渣主要含有 SiO2、CaO、Fe2O3、FeO、Al2O3、MgO、MnO、P2O5等[7]。由于鋼渣中含有和水泥類似的硅酸二鈣、硅酸三鈣以及鐵鋁酸鹽等活性礦物質(zhì)，具有水硬膠凝性，因此很長一段時間里人們都將其作為生產(chǎn)無熟料和少熟料水泥的原料或是作為水泥摻合料使用。而近期很多學者（如 CHUNLIN L[8]，梁建軍[9]等）通過研究發(fā)現(xiàn)鋼渣可以作為混凝土中砂石骨料的替代物，并且在很多方面，鋼渣作為骨料的混凝土的性能都優(yōu)于砂石骨料混凝土的性能。

本文分別從鋼渣做粗骨料和鋼渣做細骨料兩方面來綜述近些年國內(nèi)外學者對鋼渣骨料混凝土的研究現(xiàn)狀，并在此基礎上展望今后一段時間內(nèi)鋼渣骨料混凝土的研究方向，為鋼渣骨料混凝土的理論研究和實際應用提供參考。

1　鋼渣粗骨料混凝土的研究現(xiàn)狀

對鋼渣粗骨料混凝土的研究是目前研究鋼渣做骨料的主要方向之一。為了探究鋼渣是否能用做混凝土的粗骨料，就要研究鋼渣粗骨料混凝土的強度、耐久性以及體積穩(wěn)定性等一系列的問題。因為是對混凝土粗骨料的研究，所以因添加粗骨料產(chǎn)生的混凝土過渡區(qū)也應該是研究的重點。

1.1強度

在研究任何創(chuàng)新性的想法能否應用到工程實踐中時，最首要研究的就是其力學性能。力學性能不合格，其他性能再好也無法應用于工程實踐中。關于鋼渣粗骨料混凝土的基本力學性能，國內(nèi)外目前的研究一般都涉及到了抗壓強度、抗折強度兩個方面。

戴薈酈[10]等采用鋼渣等體積（0%、30%、60%、100%）替代普通混凝土中的粗集料進行對比試驗發(fā)現(xiàn)：鋼渣作為混凝土粗骨料會增強混凝土的抗壓強度與抗折強度，并且隨著鋼渣使用量的增大，鋼渣混凝土的抗壓強度與抗折強度也會隨之增強。

MASLEHUDDIN M[11]等通過與沖洗過的石灰石骨料作對比，研究了鋼渣粗骨料混凝土的力學性能，并且通過試驗指出：鋼渣骨料的力學性能優(yōu)于沖洗過的石灰石骨料的力學性能，但鋼渣骨料的比重高于沖洗過的石灰石骨料；鋼渣骨料水泥混凝土的單位重量高于石灰石骨料混凝土；鋼渣粗骨料混凝土的抗壓強度高于石灰石骨料混凝土，但是二者的抗折強度與劈裂抗拉強度沒有什么顯著地區(qū)別。

IVANKA N[12]等通過對比研究了鋼渣粗骨料混凝土與石灰石骨料混凝土的抗壓強度、抗折強度、靜態(tài)彈性模量也指出鋼渣是替代混凝土中天然粗骨料的一個絕佳的替代物。

1.2過渡區(qū)

在對鋼渣粗骨料混凝土強度的研究中已指出，隨著鋼渣骨料替代量的增大，鋼渣粗骨料混凝土的抗折強度會隨之增強。而混凝土構件的抗折強度一般都和試件底部受拉能力有關，界面的粘結力越大，混凝土構件的抗折強度越高。也就是說，用鋼渣做粗骨料會強化混凝土的界面過渡區(qū)，由此改善了混凝土的抗折性能。

為了進一步證實和研究鋼渣粗骨料混凝土的過渡區(qū)的特征，尚建麗[13]等采用對比的方法研究了普通碎石混凝土和鋼渣粗骨料混凝土界面過渡區(qū)的結構和形態(tài)。結果表明：鋼渣表面粗糙多孔，水泥漿體能夠緊密包裹鋼渣；鋼渣－水泥石界面過渡區(qū)約為 40μm，略小于普通碎石－水泥石界面過渡區(qū)（50μm），其界面過渡區(qū)結構較為致密，因而可形成較強的界面黏結力，配制的鋼渣粗骨料混凝土整體強度較高。通過對過渡區(qū)的研究，再次驗證了鋼渣粗骨料混凝土的力學性能較好。

1.3耐久性

評價混凝土的耐久性好壞的指標一般包括抗?jié)B性、抗凍性、抗侵蝕性、混凝土的碳化和堿骨料反應等。目前各國的學者們對于鋼渣粗骨料混凝土的耐久性已經(jīng)有了一定程度的研究。

MASLEHUDDIN M[11]等從抗?jié)B性與預應力腐蝕兩個方面研究了鋼渣粗骨料混凝土的耐久性。他們通過對比鋼渣粗骨料混凝土與石灰石骨料混凝土的脈沖速率得知鋼渣粗骨料混凝土的密實度高，并用抗水滲透試驗證實了鋼渣粗骨料混凝土的抗?jié)B性能更好；對于預應力腐蝕的研究，通過試驗探究出鋼渣粗骨料混凝土的抗預應力腐蝕性能更好。

IVANKA N[12]等通過研究鋼渣粗骨料混凝土的抗腐蝕性能，并與天然骨料混凝土的抗腐蝕性能對比指出鋼渣是替代混凝土中天然粗骨料的一個絕佳的替代物。

1.4體積穩(wěn)定性

如前介紹鋼渣所述，鋼渣內(nèi)含有一些可水化的氧化物，比如 CaO、MgO 等。這些物質(zhì)在接觸水后會造成混凝土的體積不穩(wěn)定。具體來說，會引起混凝土的膨脹。現(xiàn)在對鋼渣粗骨料混凝土的研究，主要集中在研究鋼渣粗骨料混凝土的強度和耐久性，并指出鋼渣粗骨料混凝土在強度和耐久性方面的優(yōu)勢，但鋼渣粗骨料混凝土的體積穩(wěn)定性不良是一個顯著的劣勢，它阻礙了鋼渣粗骨料混凝土在工程上的運用。

為此，GEORGE W[14]專門對鋼渣粗骨料的膨脹力展開研究。他指出膨脹力和高溫中斷測試技術可以用于測試鋼渣粗骨料所產(chǎn)生的膨脹力大小，并且他能夠建立相應的模型并通過公式計算出每單位體積或每個鋼渣顆粒的膨脹力大小。他可以用這些數(shù)值來定量估計鋼渣的穩(wěn)定性。他的研究主要可以用來篩選哪些鋼渣顆?？梢杂米龌炷恋拇止橇现?，但他并沒有給出具體的措施來降低這種膨脹力，以使絕大多數(shù)鋼渣可以應用到混凝土粗骨料的替代物中。

2　鋼渣細骨料混凝土的研究現(xiàn)狀

對鋼渣細骨料混凝土的研究是目前研究鋼渣做骨料的另一主要方向。相比于鋼渣粗骨料混凝土的研究，目前對鋼渣細骨料混凝土的研究，尤其是對耐久性的研究還略顯不足。但要探究鋼渣細骨料混凝土的應用前景，首先依然要從強度、耐久性和體積穩(wěn)定性三個方面進行研究。

2.1強度

目前國內(nèi)外對鋼渣細骨料混凝土強度的研究涉及到了抗壓強度、抗折強度、抗拉強度等等。

戴薈酈[10]等對鋼渣細骨料對混凝土強度的影響也做了深入的研究。采用鋼渣砂 100% 的替代普通砂作為細集料，結果表明當用鋼渣砂等體積替代混凝土的天然細集料時，會增強混凝土的抗壓強度和抗折強度。

雖然使用鋼渣替代普通砂作為混凝土的細骨料可以提高混凝土的抗壓強度和抗折強度，但是是否替代率達到 100%才是最好呢，為此 HISHAM Q[15]等根據(jù)不同的混凝土強度等級做了大量的研究。研究表明：當鋼渣的替代率達到 30% 左右時，混凝土抗壓強度的提高最為顯著；在這個替代率下，混凝土 28 天的抗壓強度能提高 1.1～1.3 倍，而 28 天的抗拉強度能提高 1.4～2.4 倍；提高混凝土抗拉強度最適宜的鋼渣的替代率為 30%～50%，而提高混凝土抗壓強度最適宜的鋼渣的替代率為 15%～30%。

2.2耐久性

目前就國內(nèi)外對鋼渣細骨料混凝土的耐久性的研究比較缺乏，尚需大量的試驗研究對鋼渣細骨料混凝土的耐久性予以探究。

MASLEHUDDIN M[11]等通過對比鋼渣水泥砂漿與標準砂水泥砂漿的干縮性得知這二者的干縮程度近似相同，并且干縮值均小于標準 ASTM C 33 中的規(guī)定值。

2.3體積穩(wěn)定性

前文所述，鋼渣粗骨料混凝土的體積穩(wěn)定性是目前制約鋼渣粗骨料混凝土應用到工程實踐中的一大因素，而鋼渣細骨料與鋼渣粗骨料同時都具有可水化的氧化物，也就是說鋼渣作為細骨料同樣會引起混凝土的體積穩(wěn)定性不良。該如何解決這些問題呢，有一些學者對此展開了研究。.

CHUNLIN L[8]等指出了一種可以改善鋼渣骨料混凝土體積穩(wěn)定性的措施。他們指出運用在混凝土粗細骨料中的鋼渣引發(fā)的膨脹可以降低混凝土的收縮，其膨脹的程度也可以通過一定的手段控制在一定的范圍內(nèi)。只需要在細鋼渣骨料中摻入一定量的鐵屑即可控制膨脹的程度，并且摻入鐵屑顆粒后，混凝土的力學性能不會受到大的影響，而且可以同時減小混凝土的體積變形。

YUNXIA L[2]等也指出了改善鋼渣細骨料體積穩(wěn)定性的方法。為避免粗骨料的干擾，他們以砂漿為研究對象。他們通過比較蒸汽養(yǎng)護或壓蒸的手段找到了可以改善鋼渣細骨料的體積穩(wěn)定性的方法。雖然蒸汽養(yǎng)護會降低砂漿的強度，引起微裂紋，但壓蒸的手段卻不會降低砂漿的強度。自由 CaO 的水化是引起砂漿膨脹和微裂紋的主要因素。通過蒸汽養(yǎng)護或壓蒸的手段都能夠改善鋼渣細骨料的體積穩(wěn)定性，但相比之下，壓蒸的手段比蒸汽養(yǎng)護更為有效。

JINMAN K[16]等采取了從源頭上解決鋼渣細骨料體積穩(wěn)定性不良的問題。他們指出，一般鋼渣都是緩慢冷卻下來的，它們結晶后會生成游離的 CaO，而這是產(chǎn)生混凝土體積穩(wěn)定性不良的主要物質(zhì)。如果通過急冷的手段對鋼渣進行處理，就不會產(chǎn)生游離的 CaO 與其他的結晶氧化物，而這就從根本上解決了鋼渣細骨料體積穩(wěn)定性不良的問題。

3　趨勢與展望

跟發(fā)達國家相比，中國的鋼渣年產(chǎn)量和存量巨大但利用率卻很低。將鋼渣運用在混凝土中做骨料可以同時解決鋼渣的充分利用和現(xiàn)有混凝土優(yōu)良砂石不足的問題?？梢哉f鋼渣骨料混凝土發(fā)展前景廣闊。但就目前的研究來看，想讓鋼渣較好地作為混凝土的骨料運用在工程實踐中，在今后的一段時間內(nèi)還需要做出一些努力。

其一，如前所述，目前國內(nèi)外對鋼渣細骨料混凝土的耐久性的研究極為缺乏，目前尚需要大量的試驗予以探究鋼渣細骨料混凝土耐久性的優(yōu)劣。

其二，對鋼渣骨料混凝土強度的研究已比較充分，下一步可以在此基礎之上繼續(xù)優(yōu)化最適宜的粗細鋼渣的摻加量。

其三，對鋼渣粗骨料混凝土體積穩(wěn)定性的研究比較缺乏，需要進一步的研究；對鋼渣細骨料混凝土體積穩(wěn)定性的研究比較充分，提出了很多實用性的建議，但為了大量的推廣使用，尚需要比較這些方法，選出一種最適宜的方法作為標準，比如對鋼渣原料進行急冷處理等，以方便工程使用。

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［通訊地址］山東農(nóng)業(yè)大學科技物資站（271018）

Review on the research situation of steel slag aggregate concrete

Lu Feng1, Feng Jingjing2, Liu Yang2, Liu Yong2, Yu Lei2
(1 Science and Technology Supplies Station, Shandong Agriculture University, Tai'an 271018; 2 Department of Civil Engineering, Shandong Agriculture University, Tai'an 271018)

The output of steel slag is very large every year, but its utilization ratio is rather low. It is an effective way to use steel slag as aggregates in concrete. In this paper, the research status of steel slag as coarse aggregates as well as fine aggregates in concrete was summarized.

steel slag coarse aggregate; steel slag fine aggregate; strength; durability; volume stability

山東省自然科學基金資助項目（ZR2012EEQ014），山東農(nóng)業(yè)大學青年科技創(chuàng)新項目

路鋒（1963—），男，工程師，主要研究方向為水泥混凝土的制備及性能等。