钢渣细骨料混凝土单轴受压应力-应变关系试验研究

我国是钢铁大国，钢产量居世界第一，2020年，我国粗钢产量为 10.53亿吨，同比增长5.2%，占世界粗钢总产量的比例超过50%。钢铁工业快速发展的同时，钢铁炉渣的产生量大幅增加。每炼1吨钢大约产生125~140kg钢渣，我国钢渣年产生量已超过约1亿吨，年堆存量不断攀升. 我国钢渣的主要利用途径有：钢渣粉、钢渣水泥、硅酸盐水泥配料、钢渣砖及道路材料，钢渣的综合利用率为50%~60%，与日本、美国等发达国家的钢渣利用率相比还有较大差距。长期堆存的钢渣风化后产生大量粉尘，污染空气，集中堆放过程中，大量成分进入土壤会使土质改变、破坏土壤结构，污染土壤，不利于可持续发展。研究钢渣的资源化利用既利于环保，同时能够带来显著的经济效益。

目前，我国社会建设步伐突飞猛进，混凝土需求量不断增加，混凝土中的天然骨料总量是有限的，石子、砂等天然资源的匮乏问题已日益凸显。我国的钢渣大多为转炉钢渣，其矿物组分主要包括硅酸二钙、硅酸三钙、铁铝酸钙、RO相以及少量的游离氧化钙等。钢渣的化学组成与硅酸盐水泥相似且具有一定的胶凝活性，可代替部分水泥作为掺合料应用于混凝土中，但钢渣粉磨工艺能耗较高，市场接受程度偏低，没有得到广泛应用和推广。钢渣相对于传统天然骨料具有高密度、抗压强度、易磨指数低等优点，近年来，将钢渣进行粒化作为粗骨料或细骨料制备钢渣混凝土得到工程界和学术界的广泛关注。朱训国等研究表明，在相同水胶比下配制C30强度等级的钢渣细骨料混凝土，各龄期强度随钢渣掺量的增加先增加后减小；在制备C30以下低强度混凝土时，完全可以考虑采用钢渣大掺量代替细骨料。韩艳丽等研究表明，钢渣粗骨料或钢渣细骨料掺入混凝土后均可提高基本力学性能，钢渣细骨料的最优掺量为50%，且钢渣细骨料对混凝土强度提高效果比钢渣粗骨料大。Qasrawi等研究了钢渣用作细骨料对混凝土的影响，当钢渣代替量为30%~50%时，各龄期的抗拉强度可达到基准样的1.4倍~2.4倍，其中50%掺量时抗拉强度提高效果最好。当钢渣掺量为15%~30%时，各龄期抗压强度提高效果最好。目前对钢渣混凝土基本强度方面的研究较多，有关钢渣细骨料混凝土应力-应变关系方面的研究报道还不够充分，于峰等建立了补偿收缩钢渣粗骨料混凝土应力-应变关系模型，该模型计算结果与试验结果吻合较好。李斌研究表明，水淬钢渣细骨料掺量为60%时钢渣混凝土强度最高、性能最好，对无量纲化应力-应变全曲线进行拟合，拟合结果与实测结果吻合良好。

本文采用包钢集团的钢渣部分替代细骨料制备钢渣混凝土。对钢渣进行物理化学性能试验，研究钢渣细骨料在混凝土中的适用性；对钢渣混凝土进行单轴受压试验，研究钢渣细骨料掺量对混凝土抗压强度及本构关系的影响规律，建立其单轴受压应力-应变关系，为钢渣用于混凝土工程提供试验及理论依据。

1   试验概况

1.1    试验原材料

根据国家标准《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）使用普通硅酸盐水泥P?O42.5和包头本地的天然砂及石子，其物理性能符合《建设用砂》（GB 14684—2011）及《建设用卵石、碎石》（GB/T14685—2011）规范要求。采用包钢集团公司的钢渣细骨料，其粒径大多在5mm以内，级配符合《建设用砂》（GB 14684—2011）要求，其级配曲线如图1所示。钢渣细骨料表面粗糙多孔洞，其物理形貌如图2所示。利用X射线荧光光谱仪对钢渣进行光谱半定量全分析得出钢渣的主要化学成分如表1所示，其游离氧化钙含量为1.2%，符合规范要求。研究表明，包钢钢渣的放射性比活度小于建筑材料用工业废渣放射性物质限值标准，将钢渣再加工后用于建筑材料，不会出现放射性污染问题. 本文试验用砂、钢渣、石子的物理性能指标见表2。

 

 

1.2    钢渣稳定性

本文依据《钢渣稳定性试验方法》（GB/T24175—2009）对钢渣骨料进行压蒸粉化率试验，测定钢渣的稳定性。

压蒸粉化率试验原理为：在2.0 MPa的饱和蒸汽条件下压蒸钢渣，使其中所含游离氧化钙、游离氧化镁消解粉化，通过粉化率判断钢渣的稳定性。具体方法为：1） 将称量好的自然粒级为4.75~2.36 mm的钢渣放在压蒸釜中，压蒸釜置于压蒸屉内，将盛放压蒸屉的电热鼓风箱温度调整到216 ℃，在2.0 MPa的饱和蒸汽压力下蒸3 h，冷却后取出所有钢渣并烘干，质量为m₀；2） 在振筛机上用1.18 mm筛振20 min后，称量筛余钢渣质量m₁。渣样粉化率f按式（1）计算。

            f=m₁/m₀×100%      (1)

选取两份钢渣试样测定压蒸粉化率，结果分别为1.760%和1.770%，均值为1.765%。截至目前，还没有国家规范对钢渣压蒸粉化率的限定，黑色冶金行业标准《普通预拌砂浆用钢渣砂》（YB/T 4201—2009）及《水泥混凝土路面用钢渣砂应用技术规程》（YB/T 4329—2012）中规定，钢渣压蒸粉化率应≤5.9%，本文所用钢渣满足这两个行业规范要求。

1.3    配合比设计

钢渣混凝土配合比依据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）进行设计，基准水胶比为0.45，钢渣细骨料分别以10%、30%、50%、70%、100%的替代率等质量替代天然砂制备钢渣混凝土。研究表明，钢渣的掺入对混凝土工作性能产生不利影响，故掺入57 kg/m³粉煤灰并调整减水剂用量来改善钢渣混凝土的工作性能，使钢渣骨料混凝土与普通混凝土具有相近的坍落度。钢渣混凝土配合比如表3所示，表中：NC为普通混凝土；SSC为钢渣混凝土，SSC后的数字为钢渣细骨料替代百分率。

 

1.4    试验方法

按照表3中的配合比制备6组立方体试件及棱柱体试件。试验依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）。棱柱体受压试验在微机控制电液伺服压力机上进行，用两个1000 kN的液压千斤顶作为附加刚性元件，增加试验装置的整体刚度，以防混凝土突然破坏，该试验装置能够测得混凝土受压应力-应变曲线下降段。在试件两侧放置两个位移计以测量竖向位移，另外两侧分别在竖向和横向的中心线处粘贴混凝土应变片用于以测量应力-应变曲线上升段混凝土的应变。在应力达到约75%极限应力之前，试验加载速度为0.010 mm/s；在应力达到75%极限应力之后，试验加载速度调整为0.003 mm/s。试验中采用DTS-530型高速静态数据采集仪自动采集，棱柱体试件受压应力-应变曲线试验测试装置如图3所示。

 

2   试验结果与分析

2.1破坏形态 

2.1.1立方体试件

钢渣骨料混凝土立方体试件与普通混凝土立方体试件破坏形态相似。在加载初期，混凝土没有明显的裂缝. 随着应力的增大，试块产生压缩变形，在试块左右两侧边缘出现竖向裂缝；试块向外鼓曲，伴随着轻微的噼啪声，试件表面的混凝土颗粒掉落，最终破坏形态为两个对顶的角锥。由于环箍作用，在试件上、下表面附近破坏程度较轻，试件中部受摩擦约束效应较小，所以破坏程度最大.钢渣骨料含量较高时，混凝土破坏突然且发出较响的崩裂声，呈明显的脆性，立方体试件破坏形态如图4所示。

 

2.1.2棱柱体试件

不同替代率的钢渣骨料混凝土的破坏过程相近，但脆性特征不同，破坏形态见图5。主要有以下3个阶段：

1） 弹性阶段：荷载较小时钢渣混凝土产生弹性变形，混凝土内部微裂缝的扩展与已有微裂缝的压缩平衡，处于相对稳定期，因此试件宏观变形较小。

2） 弹塑性阶段：随着荷载的增加，在混凝土试件长轴方向的边缘出现微小的竖向裂缝，随着荷载增加，该竖向裂缝逐渐延伸，同时有轻微的劈裂声，试件表面有零星的混凝土掉落。荷载继续增大，混凝土内部微裂纹联通并扩展，试件表面裂缝也随之发展. 为防止试件爆裂，此后加载由荷载控制改为位移控制. 此阶段内部原有裂缝逐渐贯通，新裂缝大量产生，试件表面裂纹宽度逐渐增大，混凝土内部水泥砂浆与骨料逐渐失去黏结作用，竖向压缩应变增长较快，试件侧向膨胀，试件的竖向裂缝逐渐增多，随后混凝土达到峰值应力。

3） 破坏阶段：应力超过峰值应力后，混凝土骨料与水泥浆体之间的胶结力、摩擦力等粘结作用被破坏，试件逐渐破裂，并沿对角方向出现一条主裂缝，混凝土的剥落现象明显。

 

2.2   应力-应变全曲线

图6为应力-应变关系曲线测试结果。由图6可以看出：

1） 钢渣细骨料混凝土与普通混凝土应力-应变曲线均先上升后下降。在加载初期（0.5f_C（SSC）），应力-应变曲线接近直线，但是不同钢渣细骨料掺量的混凝土上升段的斜率有所不同，掺钢渣细骨料的混凝土上升段斜率明显高于普通混凝土，说明钢渣骨料的掺入提高了混凝土的刚度；  应力-应变曲线斜率变小，应变增长速度逐渐大于应力增长速度，掺钢渣细骨料混凝土的峰值应力与普通混凝土相比明显增大，说明钢渣骨料的掺入可以使混凝土单轴抗压强度增大。2） 峰值应力后，应力-应变曲线进入下降段，钢渣骨料混凝土的下降段较普通混凝土下降段稍缓，说明钢渣细骨料的掺入一定程度上增大了混凝土破坏时的极限应变。3） 根据表4 可知，与钢渣细骨料替代率为70%的钢渣混凝土相比，钢渣细骨料替代率为100%的钢渣混凝土抗压强度仅降低 8.2%，从强度及经济性两方面看，钢渣细骨料替代率可取100%。

 

3   结束语

1） 本文取用的包钢集团钢渣骨料的物理性能指标、钢渣中的游离氧化钙含量、压蒸粉化率均满足相关规范要求，适合作为混凝土细骨料。

2） 利用不同地区的钢渣制备出的混凝土力学性能不尽相同，研究钢渣混凝土的强度及变形特征与替代率和基准混凝土的函数关系，进而将其体现在钢渣混凝土应力应变关系中，能够提高本构模型的适用性和可信度。

3） 钢渣细骨料混凝土与普通混凝土的应力-应变关系曲线均具有上升段及下降段，但钢渣细骨料混凝土的上升段及下降段相对于普通混凝土均更为陡峭，且棱柱体抗压强度明显提高。