1 引言
1.1 研究课题的背景及工程意义
虽然我国是一个工业大国，但与美德这样的老牌工业大国相比，我国的工业制造业仍处，资源于较低水平，资源利用方式和比例也相对比较落后[1]。据资料统计，截止到2018 年为止，我国每年都生产出超过 150 亿吨的工业废物，但对其的综合利用率却只有36.7%，而且大部分仍停留于筑路、填土、农业和生产建材等低利用水平，由于长期缺少科学管理意识及配套处置工艺，大部分工业废物没有经过处理，直接堆放或排入自然环境，对植被造成了严重的破坏也对生态环境造成了巨大的污染。因此，加强和提高对工业废物的处理意识，完善对资源利用的技术和生产途径，促进了我国固废的科学、绿色和资源的发展，已成为当前急需解决的一个问题。
随着我国整体工业水平的进步和材料产业技术的升级，传统的建筑材料壁垒已逐渐被打破和削融。在“稳中求进、改革创新”这一科学发展基调下，充分利用大宗工业固废生产新型、绿色建材，以解决建筑资源短缺、加速经济生态循环、改善自然环境生态，逐渐成为当前建材行业的发展新方向。
砂石资源是基础工程中不可缺少、用途最广的材料，全球每年都消耗砂石资源几百亿吨。但近几年来，由于生态环境的严格监管、资源短缺和受利益的驱使，导致砂石价格上涨数倍，供应紧张，“用砂难”成为影响工程建设的一个重要因素。
我国是一个钢铁产业大国，钢铁的产量达到全球 50%，而钢铁生产每年都会有数亿吨的废弃渣。高炉矿渣是冶炼生铁时排出的一种废渣，根据其冷却方法的不同，可分为高炉铸铁渣和重矿。水淬高炉的矿渣因其孔隙大、颗粒小等特征，也被称为矿渣砂，而高炉的重矿渣则是由熔熔状的矿物缓慢凝结而成，颗粒较大、质地硬，经过破碎和筛分加工，可作混凝土粗骨料用[2]。
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1.2 研究课题的发展和现状
1.2.1 高炉重矿渣作混凝土建材的国内外研究现状
自二战以来，高炉和重矿渣等多种工业固体物废已被工业充分利用，将高炉重矿渣加工作为混凝土建筑骨料是一种有效的途径，具有能大量工业使用、工程建造成本低、绿色环保等多种优点[3]。
近十多年来，高炉矿渣综合利用技术取得了多项突破性重大进展。其中，原苏联的自然科学研究成果尤其显著。据英国统计的数据报告显示，仅以高炉矿渣作水泥的专利为例，13 项专利中就有 11 项为原苏联专利。而且在原苏联时期，每年把 5500万吨高炉矿渣中的一大半用来加工生产水泥。
国内对高炉矿渣在混凝土建材中的研究与利用同样有较长的历史，在某些地区有大量的使用经验，且使用范围广泛，涵盖了道路工程、铁路工程和垫层工程等传统建筑工程场景。1964 年我国冶金部基建司组织人员对全国五个主要钢铁产区进行了一次高炉重矿渣应用情况的详细考察。考察发现，高炉重矿渣在建筑工程领域的应用是完全可行且可靠的，且具有良好的经济效益。近年来随着科学技术发展的突飞猛进，大量新型材料应用在传统的建筑材料领域中，且取得了良好的市场行业反响。但是对于高炉重矿渣的研究与利用并没有停下脚步，也取得许多较好的成果，主要研究成果如下：
2004 年，重庆大学肖斐[4]采用物理和化学手段激发了含钛矿渣活性，制备出早期较强的碱钛渣矿渣混凝土，采用宏观、微视等方法结合试验，通过抗压、耐折、氯离子渗透、硫酸腐蚀和海水腐蚀等多种试验手段，对碱钛渣矿渣混凝土的基本力学特性和耐久性能进行了研究。研究表明：碱钛渣矿渣混凝土的基础力学特性稳定，抗腐蚀能力强，可在建筑行业大力推广。
2005 年，华南理工大学赵旭光等人[5]利用分级组合的方法，制备了不同颗粒径、均匀系数的矿渣粉体，研究了高炉渣粉末粒度分布对混凝土矿渣性能的影响。实验表明：胶砂流动度和硬化体强度受矿渣粉末的影响较大。
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2 全矿渣混凝土力学性能试验研究
2.1 包钢高炉重矿渣的基础性能
2.1.1 包钢高炉重矿渣的化学成分和矿物组成
由于铁矿石来源的不同，高炉重矿渣的化学组成、含量也发生了变化。通过比较表 2.1 我国主要的钢铁公司高炉重矿渣的化学组成[46]，其中的二氧化硅（SiO2）、氧化钙（CaO）、三氧化二铝（Al2O3）、氧化镁（MgO）四种化合物占到了总量的 95 %以上，各钢厂的高炉重矿渣组成不同，其中含有包钢高炉重矿渣 CaO 和 SO3 的含量均低于 YB/T4178-2008《混凝土用高炉重矿渣碎石》的控制值，满足了使用需要。
表2. 1 我国四大主要钢铁厂高炉重矿渣的化学成分组成及所占比例
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2.2 全矿渣混凝土配合比的设计
混凝土配合比是混凝土力学性能的决定因素，合理设计配合比需要根据工程实际需求、结构设计形式和施工现场条件等因素来决定各组成材料之间的数量关系。一般需要满足以下几个基本的要求：
（1） 应满足结构设计的强度要求，保证结构或构件具备足够的承载力；
（2） 应满足施工要求所需的混凝土和易性要求；
（3） 应满足适应使用环境的耐久性条件；
（4） 应满足经济实用性，追求效益最大化；
（5） 应满足可持续发展的生态适应性。
本节基于 JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》，对全高炉重矿渣混凝土中各组成材料进行严格的配合比设计计算，并通过试配，调整，最终确定混凝土最优配合比。
表2. 11 混凝土试配配合比
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3 内置大块体矿渣的钢管全矿渣混凝土短柱轴压性能试验研究 ..........................24
3.1 概述..................................24
3.2 试验准备...............................24
4 内置矿渣大块体钢管全矿渣混凝土短柱轴压承载力计算分析 ..........................44
4.1 现有国内外计算规程验算及其适用性分析 ......................44
4.2 现有国内外计算规程验算结果与试验结果的比较.......................49
3 内置大块体矿渣的钢管全矿渣混凝土短柱轴压性能试验研究
3.1 概述
内置大块体矿渣的钢管全矿渣混凝土短柱是由薄壁圆钢管与全高炉重矿渣混凝土配合矿渣大块体组合而成的一种新型构件形式。薄壁圆钢管在构件中不仅可以充当混凝土柱的模板，还可以有效的发挥钢管的优势，弥补全矿渣混凝土自身离散性大所产生的部分缺陷。而灌注的核心全矿渣混凝土其紧箍效应好，又能增强薄壁钢管构件的局部屈曲强度，提高整体承载能力与经济效益。同时灌注的矿渣大块体，提高了废弃矿渣的综合利用率，节约资源。目前国内外学者研究方向主要集中在高炉重矿渣在混凝土中的应用，而关于钢管全渣混凝土以及配合矿渣大块体的研究尚属空白，为促进高炉重矿渣能够得到更加充分科学的利用，拓宽其在工业建筑领域的使用范围，研究工作仍需进一步扩展。
本章通过改变全高炉重矿渣混凝土短柱截面的含钢率，核心全矿渣混凝土强度和矿渣块体的取代率三项试验参数，设计了 12 根内置大块体钢管全矿渣混凝土短柱，对其进行轴压试验，针对在轴向加载下试件破坏的过程，对试件变形特征、试件破坏模式进行细致观察，研究各种试验变量对试件轴压力学性能的影响，分析试件极限承载力受矿渣大块体的取代率影响的变化规律，为后期工程的研究和应用提供基础依据。
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结论
本文将试验与理论研究相结合，对全矿渣混凝土的基本物理力学性能进行试验，对新型组合短柱进行轴压性能研究。利用正交试验法，分析了三种参数对新型组合短柱承载力的影响并推导出了新型组合短柱构件的极限承载力计算公式，并对其进行了适用性和可靠性的验证。得到的结论主要有以下几点：
（1）在胶凝材料和砂率相同的情况下，全矿渣混凝土与普通混凝土相比，7d 和28d 的抗压强度都高于普通混凝土，平均提高了 13%，故全矿渣混凝土的抗压强度满足试验设计短柱的混凝土强度。
（2）在相同混凝土强度等级条件下，大块体矿渣取代率越高全矿渣混凝土的弹性模量越低，泊松比受矿渣块体取代率变化的影响不大。
（3）新型组合短柱试件都发生了剪切破坏，总览试件的荷载-轴向位移曲线，曲线发展趋势大致一致，整体表现为前期陡峭，中期出现明显拐点并出现下降趋势，后期逐渐趋于平缓，全部试件均具有较高的轴压承载力和抵抗变形的能力。
（4）核心全矿渣混凝土强度等级、截面含钢率和矿渣大块体取代率的变化都会对新型组合短柱试件的延性产生影响。但在其他参数相同的情况下，核心全矿渣混凝土的强度等级越高，钢管截面含钢率越低，大块体矿渣的取代率越高，延性系数就越小，延性降低；反之，构件的延性就提高。
（5）根据正交试验和极差分析法的分析结果，当矿渣大块体取代率在 0～50%之间变化时，核心全矿渣混凝土的强度对试件极限承载力的影响最大，截面含钢率次之，矿渣块体取代率的影响能力最小。
参考文献（略）