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鋼渣骨料混凝土的研究現(xiàn)狀

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瀏覽：- 發(fā)布日期：2016-11-17 11:20:56【大中小】

1　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、粗細(xì)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，它性能的優(yōu)良對(duì)混凝土的各項(xiàng)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(dá)數(shù)十億噸[[2]]，在有些地區(qū)供求關(guān)系的不平衡也導(dǎo)致優(yōu)良砂石的價(jià)格不斷提升，除此之外，對(duì)砂石的過量開采與長途運(yùn)輸已經(jīng)對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響。可以說，尋求優(yōu)良砂石的替代品已經(jīng)是我們面對(duì)的一個(gè)不可忽視的問題。

與此同時(shí)，中國目前擱置的鋼渣的量達(dá)到了180107噸，并且現(xiàn)在每年還在以百萬噸的數(shù)量增長[[3]]。但我們對(duì)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(gè)亟待解決的難題。如果鋼渣能夠很好的替代砂石骨料，也就能夠很好的解決以上兩個(gè)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至3.6g/cm3之間。從外觀上看，鋼渣一般成松堆狀態(tài)，比較堅(jiān)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(shí)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(xué)者（如CHUNLINL[[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(xì)骨料兩方面來綜述近些年國內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼渣骨料混凝土的研究現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上展望今后一段時(shí)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(shí)際應(yīng)用提供一定程度的參考。

2　鋼渣粗骨料混凝土的研究現(xiàn)狀

對(duì)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做混凝土的粗骨料，就要研究鋼渣粗骨料混凝土的強(qiáng)度、耐久性以及體積穩(wěn)定性等一系列的問題。因?yàn)槭菍?duì)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(yīng)該是研究的重點(diǎn)。

2.1強(qiáng)度

在研究任何創(chuàng)新性的想法能否應(yīng)用到工程實(shí)踐中時(shí)，最首要研究的就是其力學(xué)性能。力學(xué)性能不合格，其他性能再好也無法應(yīng)用于工程實(shí)踐中。關(guān)于鋼渣粗骨料混凝土的基本力學(xué)性能，國內(nèi)外目前的研究一般都涉及到了抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度兩個(gè)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(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：鋼渣作為混凝土粗骨料會(huì)增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度，并且隨著鋼渣使用量的增大，鋼渣混凝土的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度也會(huì)隨之增強(qiáng)。

MASLEHUDDINM[[11]]等通過與沖洗過的石灰石骨料作對(duì)比，研究了鋼渣粗骨料混凝土的力學(xué)性能，并且通過實(shí)驗(yàn)指出：鋼渣骨料的力學(xué)性能優(yōu)于沖洗過的石灰石骨料的力學(xué)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(qiáng)度高于石灰石骨料混凝土，但是二者的抗折強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度沒有什么顯著地區(qū)別。

IVANKAN[[12]]等通過對(duì)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(qiáng)度、抗折強(qiáng)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(gè)絕佳的替代物。

2.2過渡區(qū)

在對(duì)鋼渣粗骨料混凝土強(qiáng)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(qiáng)度會(huì)隨之增強(qiáng)。而混凝土構(gòu)件的抗折強(qiáng)度一般都和試件底部受拉能力有關(guān)，界面的粘結(jié)力越大，混凝土構(gòu)件的抗折強(qiáng)度越高。也就是說，用鋼渣做粗骨料會(huì)強(qiáng)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(jìn)一步證實(shí)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(duì)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(jié)構(gòu)和形態(tài)。結(jié)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40，略小于普通碎石－水泥石界面過渡區(qū)（50），其界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)較為致密，因而可形成較強(qiáng)的界面黏結(jié)力，配制的鋼渣粗骨料混凝土整體強(qiáng)度較高。由對(duì)過渡區(qū)的研究，也再次驗(yàn)證了鋼渣粗骨料混凝土的力學(xué)性能。

2.3耐久性

評(píng)價(jià)混凝土的耐久性好壞的指標(biāo)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(yīng)等。目前各國的學(xué)者們對(duì)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。

MASLEHUDDINM[11]等從抗?jié)B性與預(yù)應(yīng)力腐蝕兩個(gè)方面研究了鋼渣粗骨料混凝土的耐久性。他們通過對(duì)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(shí)度高，并用抗水滲透實(shí)驗(yàn)證實(shí)了鋼渣粗骨料混凝土的抗?jié)B性能更好；對(duì)于預(yù)應(yīng)力腐蝕的研究，他們也通過實(shí)驗(yàn)探究出鋼渣粗骨料混凝土的抗預(yù)應(yīng)力腐蝕性能更好。

IVANKAN[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(duì)比指出鋼渣是替代混凝土中天然粗骨料的一個(gè)絕佳的替代物。

2.4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(huì)造成混凝土的體積不穩(wěn)定。具體來說，會(huì)引起混凝土的膨脹。現(xiàn)在對(duì)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(qiáng)度和耐久性，并指出鋼渣粗骨料混凝土在強(qiáng)度和耐久性方面的優(yōu)勢(shì)，但鋼渣粗骨料混凝土的體積穩(wěn)定性不良是一個(gè)顯著的劣勢(shì)，它阻礙了鋼渣粗骨料混凝土在工程上的運(yùn)用。

為此，GEORGEW[[14]]專門對(duì)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(cè)試技術(shù)可以用于測(cè)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(yīng)的模型并通過公式計(jì)算出每單位體積或每個(gè)鋼渣顆粒的膨脹力大小。他可以用這些數(shù)值來定量估計(jì)鋼渣的穩(wěn)定性。他的研究主要可以用來篩選哪些鋼渣顆粒可以用做混凝土的粗骨料中，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(yīng)用到混凝土粗骨料的替代物中。

3　鋼渣細(xì)骨料混凝土的研究現(xiàn)狀

對(duì)鋼渣細(xì)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(duì)鋼渣細(xì)骨料混凝土的研究，尤其是對(duì)耐久性的研究還略顯不足。但要探究鋼渣細(xì)骨料混凝土的應(yīng)用前景，首先依然要從強(qiáng)度、耐久性和體積穩(wěn)定性三個(gè)方面進(jìn)行研究。

3.1強(qiáng)度

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

戴薈酈[10]等對(duì)鋼渣細(xì)骨料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響也做了深入的研究。實(shí)驗(yàn)采用鋼渣砂100%的替代普通砂作為細(xì)集料，結(jié)果表明當(dāng)用鋼渣砂等體積替代混凝土的天然細(xì)集料時(shí)，會(huì)增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。

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

3.2耐久性

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

MASLEHUDDINM[11]等通過對(duì)比鋼渣水泥砂漿與標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)ASTMC33中的規(guī)定值。

3.3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(yīng)用到工程實(shí)踐中的一大因素，而鋼渣細(xì)骨料與鋼渣粗骨料同時(shí)都具有可水化的氧化物，也就是說鋼渣做細(xì)骨料同樣會(huì)引起混凝土的體積穩(wěn)定性不良。那我們?cè)撊绾谓鉀Q這些問題呢，對(duì)此有一些學(xué)者對(duì)此展開了研究。

CHUNLINL[8]等指出了一個(gè)可以改善鋼渣骨料混凝土體積穩(wěn)定性的一種措施。他們指出運(yùn)用在混凝土粗細(xì)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(xì)鋼渣骨料中摻入一定量的鐵屑即可以控制膨脹程度，并且摻入鐵屑顆粒后，混凝土的力學(xué)性能不會(huì)受到大的影響，而且可以同時(shí)減小混凝土的體積變形。

YUNXIAL[2]等也指出了改善鋼渣細(xì)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(duì)象。他們通過比較蒸汽養(yǎng)護(hù)或壓蒸的手段找到了可以改善鋼渣細(xì)骨料的體積穩(wěn)定性的方法。雖然蒸汽養(yǎng)護(hù)會(huì)降低砂漿的強(qiáng)度，引起微裂紋，但壓蒸的手段卻不會(huì)降低砂漿的強(qiáng)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(hù)或壓蒸的手段都能夠改善鋼渣細(xì)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(hù)更為有效。

JINMANK[[16]]等采取了從源頭上解決鋼渣細(xì)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(jié)晶后會(huì)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)。如果我們通過急冷的手段對(duì)鋼渣進(jìn)行處理，就不會(huì)產(chǎn)生游離的CaO與其他的結(jié)晶氧化物，而這就從根本上解決了鋼渣細(xì)骨料體積穩(wěn)定性不良的問題。

4　趨勢(shì)與展望

跟發(fā)達(dá)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(yùn)用在混凝土中做骨料可以同時(shí)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。可以說鋼渣骨料混凝土發(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(yùn)用在工程實(shí)踐中，在今后的一段時(shí)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(duì)鋼渣細(xì)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(yàn)予以探究鋼渣細(xì)骨料混凝土耐久性的優(yōu)劣。

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

其三，對(duì)鋼渣粗骨料混凝土體積穩(wěn)定性的研究比較缺乏，需要進(jìn)一步的研究；對(duì)鋼渣細(xì)骨料混凝土體積穩(wěn)定性的研究比較充分，提出了很多實(shí)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(biāo)準(zhǔn)，比如對(duì)鋼渣原料進(jìn)行急冷處理等，以方便工程使用。

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