1绪论
1.1钢渣混凝土研究背景及研究意义
钢渣是钢铁厂生产的工业固体废物，产出量巨大，大约为粗钢产量的 15%~ 20%。我国的钢铁产量居世界第一，仅 2019 年前 11 个月份全国粗钢产量就已经达到 9 亿吨以上[1]，钢渣产量超过 1 亿吨。一些发达国家如日本、美国等的钢渣利用率几乎达到100%，欧洲国家钢渣高效利用率已经达到 65%，而目前我国钢渣利用率仅 22%，与发达国家相比还有较大差距[2]。在我国，钢铁行业蓬勃发展为社会创造财富的同时，也造成了一些负面影响，其中工业固体废物的排放就是问题之一。大量的工业固体废物侵占大量土地的同时还污染环境，而且给钢铁企业带来不小的经济负担，不利于可持续发展，因此钢渣的资源化应用研究具有非常重要的意义。
日本已经可以将每年生产钢渣的 95%以上有效地用于道路材料、回炉烧结料及建筑工程[3]。美国将钢渣用作水泥混合材料，同时将钢渣骨料混凝土应用于道路及桥梁工程。欧洲同样把钢渣应用于水泥材料、公路材料及公共设施等领域。目前我国钢渣主要利用途径有：沥青混凝土集料、道路基础工程和工程回填料等方面，其中在水泥混凝土中的利用量低于其回收利用总量的 10%[3,5]。
近年来，我国社会经济发展速度居世界第一，建筑工程项目源源不断，同时传统建筑材料混凝土的需求量不断增加。然而地球上天然砂石的可用量是有限的，需要找到可替代材料来减缓石子、砂等自然资源的枯竭。研究表明[3,4]，钢渣中含有胶凝成分，如硅酸二钙，硅酸三钙等，而且具有耐磨，强度高等特点，在混凝土中应用前景广阔，并且符合国家可持续发展战略。
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1.2国内外研究现状
钢渣的研究工作起始于 20 世纪初期，钢渣的矿物组分包括硅酸二钙、硅酸三钙等胶凝材料且钢渣具有抗压强度高、耐磨性好等优点，所以钢渣是用于替代混凝土骨料的优良材料。钢渣中化学组分复杂，各个地区钢渣中化学成分不同，混凝土随钢渣掺量的改变，强度变化规律还没有达成共识，所以钢渣混凝土的研究工作依旧任重而道远。
1.2.1 钢渣骨料应用于混凝土可行性研究
在钢渣研究初期，其应用于混凝土中的可行性还不能够确定，因此许多学者对此展开了研究。
张浩[6]等研究表明，经高温、低温及水稳定性试验，钢渣细集料沥青混合料的性能满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）要求。钢渣细集料沥青混合料可生产制备沥青混凝土路面磨耗层，将其应用于公路面层可降低约 30%资金并实现钢渣的有效利用和节能减排，社会效益显著。
张忠哲[7,8]等研究表明，复掺钢渣细骨料混凝土优选配合比后能够提高混凝土的抗侵蚀能力，同时合理掺加矿物掺合料对混凝土的抗冻性有利。同时钢渣骨料混凝土抗压强度较高，耐水性更佳。
严孝彩[9]等研究了热焖钢渣对混凝土的影响，发现低掺量时热焖钢渣对混凝土工作性能影响较小，同时热焖钢渣可配制出抗渗透能力及抗碳化能力强的混凝土。
王爱红[10]研究发现用包钢钢渣作为混凝土的粗集料，可配置 C10~C45 矿渣混凝土、道路混凝土、抗渗混凝土。其力学性能、长期性和耐久性与普通混凝土相近，能满足建筑工程要求，有些性能甚至优于普通混凝土。
朱训国[11]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。
国外众多研究表明[12~14]，钢渣集料的物理性能比碎石骨料要好，可用于建筑骨料，且钢渣混凝土的抗压强度优于普通混凝凝土。在受控条件下粉碎钢渣来生产合适的级配和所需的最大粒径可以最大化混凝土中的使用量。分析得知，钢渣混凝土力学性能的提高来源于钢渣本身的高强度和水泥浆体与骨料之间的粘结。
由此可见，钢渣可以作为粗骨料、细骨料生产混凝土，并且钢渣混凝土的工作性、强度、耐久性、经济性等均相当于或优于普通混凝土。
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2试验概况
2.1试验材料及性能
水泥：使用冀东牌普通硅酸盐水泥 P·O42.5，其物理性能指标如表 2.1 所示，水泥的其他性能指标均符合《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）规范要求；
表 2.1 水泥物理性能指标
2.1.1 天然骨料及钢渣骨料砂子：从包头市采购的天然砂，对砂子过筛处理后进行细度模数试验，其细度模数试验的筛分结果见表 2.2，颗粒级配如图 2.1。其物理性能等指标如表 2.7 所示，符合《建设用砂》（GB14684-2011）规范要求。依据《建设用砂》（GB14684-2011）进行砂子级配分析。
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2.2钢渣混凝土制备
2.2.1 钢渣混凝土配合比设计
钢渣骨料混凝土配合比依据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2011）的规定进行设计，其基准水胶比为 0.45，选用钢渣细骨料或钢渣粗骨料分别以 10%、30%、50%、70%、100%的替代率等质量替代天然砂或石子来制备钢渣混凝土，研究表明[51,52]，钢渣的掺入会对混凝土工作性能有不利影响，因此按照 15%内掺的方式掺入粉煤灰及调整减水剂的用量以此改善钢渣骨料混凝土的工作性能。钢渣细骨料混凝土配合比如表 2.9 所示，钢渣粗骨料混凝土配合比如表 2.10 所示。
表 2.9 钢渣细骨料混凝土配合比设计
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3 钢渣骨料混凝土基本强度试验研究............................18
3.1 立方体抗压强度试验...................18
3.1.1 试验现象................................18
3.1.2 试验结果及分析....................19
4 钢渣骨料混凝土单轴受压变形性能试验研究......................28
4.1 钢渣骨料混凝土单轴受压破坏过程及形态分析......................28
4.2 钢渣骨料混凝土单轴受压应力-应变曲线特征.................30
5 钢渣骨料混凝土本构模型............................43
5.1 模型介绍及对钢渣骨料混凝土的拟合...........................43
5.1.1 Carreira and Chu 模型..................... 43
5.1.2 过镇海模型...............................44
5钢渣骨料混凝土本构模型
5.1模型介绍及对钢渣骨料混凝土的拟合
5.1.1 Carreira and Chu 模型
利用该公式对无量纲钢渣骨料混凝土单轴受压全曲线进行拟合，同时分别对曲线上升段及下降段进行拟合，比较拟合结果便于发现更适合钢渣混凝土的模型曲线。拟合参数及拟合确定系数如表 5.1 所示。
表 5.1 拟合参数及确定系数
6结论及展望
结论
钢渣是工业固体废物，产量巨大，但由于各个地区钢渣成分的不同及对钢渣混凝土力学性能的研究不够完善，因此钢渣在工程中的应用受到了限制。本文以包头钢铁厂生产的钢渣为研究对象，研究了钢渣骨料的物理化学性能指标、稳定性及在不同粒径、不同掺量下对钢渣混凝土立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度等力学性能和变形性能的影响。结论如下：
1、钢渣骨料符合规范中的级配、稳定性等指标，因此包钢集团的钢渣适合作为混凝土骨料。
2、钢渣骨料以任何替代率掺入混凝土中均会增强混凝土立方体抗压强度及劈裂抗拉强度，其中钢渣细骨料的增强作用强于钢渣粗骨料；钢渣骨料对混凝土抗折强度的影响有一定的不稳定性；对比试验结果可知，钢渣细骨料的早期强度最优替代率为50%，钢渣粗骨料的早期强度最优替代率为 70%；钢渣细骨料的 28d 强度最优替代率为 70%，钢渣粗骨料的 28d 强度最优替代率为 50%。
3、钢渣骨料混凝土与普通混凝土的单轴受压破坏形态及破坏过程类似，破坏过程均包含：弹性阶段、塑性阶段及破坏阶段；钢渣骨料混凝土与普通混凝土的应力-应变曲线均由上升段及下降段组成，但钢渣骨料混凝土的上升段及下降段相对与普通混凝土均较为陡峭，从整体来看钢渣骨料混凝土各个替代率下的应力-应变曲线相对于普通混凝土要“高瘦”一些。
4、随钢渣细骨料的掺入，混凝土的峰值应变和极限应变呈现先升高后降低的趋势，同时对混凝土的延性有一定的增强作用；钢渣粗骨料的掺入会明显降低混凝土的峰值应变及极限应变，但对混凝土的延性有小幅度的提升作用。随钢渣细骨料替代率增大混凝土韧性指数先降低后有所回升；随钢渣粗骨料掺量的增加混凝土韧性呈现逐渐降低的趋势。钢渣混凝土泊松比偏小，钢渣骨料的机械咬合作用，增加密实度作用同样体现在混凝土泊松比性质上。
5、利用 Carreira and Chu 模型、T.H.Wee 模型、过镇海模型对试验数据进行拟合，分析比较不同模型对试验曲线的拟合效果，并提出建议模型，最终证明本文提出的建议模型可以较好地表达钢渣骨料混凝土的单轴受压力学行为。
参考文献（略）