引言

随着经济的发展，环境保护思想逐渐深入人心，对于将废物重新回收利用也逐渐引起人们的广泛关注。在工业生产的过程中，废料的产生是不可避免的。所以对于工业废料的产生和积累对于各地建设是一个极大的阻碍。在工业建设的过程中，钢铁是最为主要的原材料。钢铁生产是由矿石经过提炼得到的。而钢渣则是钢铁生产中最主要的副产物。其中在炼制过程中所占钢铁总量的15%以上。随着工业化发展，钢渣的产量也逐渐增加。在2016年，中国的钢铁产量占全球钢铁产量的50%，但是与其他国家相比（美国、德国、日本），我国的钢渣的利用率仅有22%。其中钢渣的堆积量已经超过了3亿吨。而欧洲的大多数国家对于钢渣的处理已经有了一定的进展。在未利用的前期钢渣只能进行掩埋和堆积。其中未进行预处理的钢渣中含有铅(Pb)、镉(Cd)、汞(Hg)、铬(Cr)、砷(As)等重金属等金属物质。占用土地资源并对环境造成严重的破坏。钢渣的胡乱堆放所造成的环境污染亟待解决，随着环境重要性的提高，如何将钢渣转变为环境友好型材料成为一个重大的问题。在钢渣产出的过程中，由于钢渣中含有重金属的缘故，若未对钢渣进行及时处理直接倾倒，会造成严重的污染。为了降低钢渣所待料的污染，降低风险。有学者认为可以将钢渣作为烧结助熔剂和炼铁助熔剂用于炼钢或作为建筑中的建筑材料进行回收利用。然而在建筑工程中，将钢渣处理并研磨后代替部分水泥作补充凝胶材料成为了一种较好的回收方法或以钢渣作为混凝土粗骨料，既可以减少环境污染，又能提高混凝土材料的工程性能，同时节约成本。本文以钢渣为基础，对钢渣在建筑工程中的应用进行综述，了解了钢渣混凝土的物理力学性能，并考察了钢渣在现代建筑项目中应用的可行性。

1 钢渣的物理化学性能

钢渣作为钢铁生产中的副产物，是经过在生铁加工的过程中加入矿石除杂而产生的。钢渣主要分为电炉钢渣、平炉钢渣和、转炉钢渣三种，根据加入矿石的不同而定。其中钢渣的化学成分随原料和工艺的不同而变化很大，但一般在CaO、SiO₂6%-34%、Al₂O₃3%-14%、FeO10%-40%等。经过化学成分分析，发现钢渣中含有Ca₃SiO₅、Ca₂SiO₄、MgO等成分，与水泥成分相似。证明钢渣作为凝胶材料的潜力。

钢渣的化学成分与矿物结构对其物理性质具有重大影响。其中钢渣中氧化钙、二氧化硅和各种金属的含量会影响钢渣的密度和硬度等。而其矿物结构会对耐磨性产生影响。钢渣在外观上呈渣状松散集合，钢渣的比重通常在3.3-3.6之间。钢渣的种类也会导致钢渣的屈服强度发生变化。有研究证实，钢渣具的物理和机械性能优异。其破碎值、冲击值和LA磨损值均低于花岗岩，略高于玄武岩。如图1、2所示，钢渣良好的结构，使钢渣具有作为混凝土骨料的潜质。

2 钢渣混凝土宏观力学性能研究

2.1 抗压强度性能分析

对混凝土抗压强度的检测，也是检测混凝土是否可以应用于日常建筑工程中的重要数据之一。通过对钢渣作为混凝土组成材料的研究，改变钢渣在混凝土的掺入量。经过抗压强度试验，发现一定掺量的钢渣可以使混凝土的强度得到提升。证明钢渣可以作为实际工程中的建筑材料。

钢渣在建筑材料中的状态主要分为钢渣石、钢渣砂和钢渣粉，分别对应了混凝土中的粗骨料、细骨料和凝胶材料。许多国内外学者将钢渣作为粗骨料掺入混凝土中发现，在一定的掺量范围内钢渣混凝土的抗压强度会有所提升。Thi-Thuy-Hang Nguyen发现将钢渣作为粗骨料，混凝土抗压强度在7天内迅速增加，之后逐渐变缓，抗压强度与钢渣含量成正比，实验结果如图3所示。

T. Abd El-Hakim将不同比例的钢渣粗骨料掺入高性能混凝土中，钢渣高性能混凝土的抗压强度要优于普通高性能混凝土。Suiwei Pan发现，当钢渣掺量为20%、水灰比为0.4时，自密实混凝土的28天的抗压强度会有所提高，当钢渣掺量超过60%时，28天的抗压强度开始降低。Sharba, Amjad A将钢渣与再生骨料混合，掺入混凝土中，使混凝土抗压强度得到了提升，直接证明钢渣可以作为建筑物材料。同时学者们通过对钢渣混凝土进行一系列数值模拟对钢渣混凝土的抗压强度进行分析。其中Zhu Bian等对钢不同渣掺量的混凝土进行数值模拟分析，发现混凝土的抗压强度受到钢渣的砂比、水灰比、钢渣的砂的替代粒径的影响，随着影响因素的增加导致抗压强度降低。这与实验结果相一致。

对于以上的变化，学者们分析发现抗压强度提高的原因是钢渣的加入导致混凝土的微观结构和界面过渡区发生改变。同时钢渣的粗糙度要高于传统的粗、细骨料，使骨料和水泥胶体之间的粘结度更高。钢渣中存在（C₂S和C₃S）的活性物质可以参与混凝土的水化过程从而提高混凝土的抗压强度。对于钢渣混凝土抗压强度下降的原因，主要原因是随着钢渣掺量的增大，钢渣中的f-CaO的水化产物氢氧化钙晶体的体积大，导致混凝土产生膨胀，混凝土容易产生裂隙，最终导致抗压强度的降低。

2.2 劈裂抗拉强度性能分析

劈裂抗拉强度的测试可以用来评估混凝土在受到劈裂作用时的性能，并评估混凝土材料的品质。这对于一些特定的结构设计和施工工艺是非常重要的。

Wang等研究人员将钢渣代替天然骨料应用于混凝土中，研究发现钢渣混凝土的劈裂抗拉强度和抗弯强度等性能均优于普通混凝土，实验结果如图4所示。

M. Maslehuddin等对于钢渣的力学性能进行评价，钢渣的加入，对混凝土的抗折强度的提升并不明显。经过分析其劈裂抗拉强度也随着钢渣含量的增大而增大。Ali, S将混凝土中细骨料用钢渣，玻璃粉替代部分水泥。经过测试发现混凝土的力学性能均有增强。Chen, ZJ 将钢渣骨料进行蒸压发现，蒸压钢渣混凝土的劈裂抗压强度要优于钢渣混凝土和普通混凝土，这是由于蒸压钢渣中的f-CaO含量、吸水率和破碎值发生改变所造成的。产生以上现象是由于钢渣骨料的表面粗糙度较高，使集料和砂浆之间的连接更加紧密。使混凝土的界面过渡区得到改善，提升钢渣混凝土的劈裂抗拉强度。

2.3断裂行为分析

混凝土的断裂是混凝土宏观力学性能中的一个重要的性质，它受到多种因素的影响。混凝土的断裂是由于混凝土裂缝发展到一定程度而产生的。对于钢渣混凝土的断裂行为，学者们也做出了很多的研究。

Zhiqiang Shu对钢渣橡胶沥青混合混凝土的高温变形和低温断裂研究，发现最佳的钢渣掺量并根据断裂力学理论建立了裂纹扩展速度参数方程。Zhu, B、Chen, C等研究钢渣粗骨料替代含量粗骨料进行低温断裂实验，实验结果如图5所示，发现钢渣的加入能抑制钢渣的剪切行为。

对钢渣混凝土断裂性能，Xu, WL通过研究混凝土的骨料尺寸和缺口深度，发现其断裂行为具有明显的边界效应。同时，大尺寸骨料可以提高钢渣透水混凝土的断裂强度和断裂能量，这与大尺寸骨料表面较厚的浆料层引起的较强的骨料间机械互锁和粘结有关。Ke-Xian Zhuo将钢渣粉代替水泥做补充凝胶材料，发现钢渣粉的加入可以增加骨料和集料之间的粘结性。使得混凝土断裂能与断裂韧性得到提升。结果如图6所示：普通混凝土的断裂能均小于钢渣混凝土。其中SPC5的断裂能和断裂韧性最高。随着钢渣掺量的增大，断裂能先增大后降低。

钢渣混凝土断裂性能的提高，一方面是由于钢渣的加入在增强粘结性能的同时又可以填充孔隙，从而提高混凝土的断裂强度。另一方面与混凝土的断裂吸能能力有关。在裂缝发展过程中，混凝土需要吸收大量的能量来破坏内部的水浆粘结力和集料剪应力。钢渣粉活性矿物的水化反应可提高混凝土基体的断裂强度，有效减缓裂缝的产生和扩展，提高混凝土的耗能能力。钢渣粉掺量增加，导致混凝土断裂强度发生变化，主要原因钢渣并不能代替水泥作为主要的水泥材料。且钢渣粉掺量过大，混凝土的界面过渡区并不能进行改善，从而导致内部空隙的产生。混凝土的破坏形式由粗骨料的剪切破坏转变为混凝土粘结层的破坏，导致断裂能降低。

2.4 耐久性性能分析

由于混凝土性能的实验不能只存在于常温的情况下。混凝土在冻融状态、热循环等情况下，混凝土性能是否会发生改变或者发生何种改变也需要观察，以确定混凝土是否可应用于北方寒冷天气或者南方的炎热天气等不同环境恶劣情况。许多学者做出了很多研究发现在一定的情况下钢渣混凝土的耐久性要强于普通混凝土。

Warudkar, A发现钢渣与混凝土的混合提高了混凝土的力学和耐久性。Wen, Y 等将钢渣作为骨料加入混凝土中，在急冻条件下发现，随着钢渣的增加，混凝土的质量损失减少且弹性模量相对于普通混凝土有所增加。M. Maslehuddin对钢渣作为粗骨料的高温耐久进行试验，发现钢渣骨料混凝在热循环条件下力学性能要强度同种情况下的普通混凝土。Munaf Alkhedr对钢渣进行热处理发现，热处理的钢渣的耐热性能更加优越。Papachristoforou, M对电弧炉钢渣为粗骨料，进行混凝土耐高温试验，通过对混凝土导热率进行测量，发现钢渣粗骨料混凝土的耐热性要高于普通混凝土，且高温环境下钢渣混凝土容易形成微裂纹，强度损失增加但是剥落风险仍然较低。Goli, A钢渣代替天然的粗骨料和细骨料仅进行三种类型的磨损实验，发现钢渣的加入使抗压强度与耐磨性同时提升，这是由于钢渣的硬度相对较高。Sulian Lan发现改性钢渣骨料能显著提高混凝土的耐久性。随着实验时间的延长，混凝土的质量与动弹性模量先增大后减小。侵蚀后的钢渣混凝土的抗压强度高于普通钢渣混凝土。Miah, Md Jihad发现随着钢渣掺量的增加钢渣混凝土的孔隙率逐渐降低。

经过温度变化，混凝土裂缝主要存在于集料和砂浆之间。温度的变化导致混凝土骨料发生不同程度膨胀或者收缩。在温度降低或者升高后，水泥砂浆和集料之间会产生不同的拉应力和压应力。由于力的方向并不完全相反。所以导致裂缝的产生。

3 钢渣混凝土的水化性能研究

混凝土的水化反应是混凝土硬化和强度发展的关键过程，它决定混凝土后期的性能和品质。对于钢渣混凝土的水化反应，经过研究发现钢渣会对混凝土水化产生一些负面的影响。通过研究发现钢渣延缓了水泥的早期水化。主要是由于钢渣中的凝胶矿物相要远少于硅酸盐水泥。且由于钢渣是自然冷却的，而水泥是淬火的，导致钢渣中的胶凝矿物相结晶度比水泥中的高。并且钢渣中含有一些无水力活性的惰性相。导致钢渣的水化活性要低于硅酸盐水泥。

Mo、Wang, Y. 等发现钢渣存在相对较差的水力和火山灰性能，极大地限制了其在建筑材料中的应用。Zhuang, SY通过研究认为钢渣中的C12A7在钢渣混凝土水化中存在重要的作用，通过C12A7的含量增加，钢渣混凝土的水化明显延迟，间接证明钢渣的加入会延缓混凝土的水化。Sun, JW通过对粉煤灰、钢渣和磨碎高炉矿渣作为补充凝胶材料制作的水泥基，发现钢渣和高炉矿渣对水泥的早期水化的抑制作用最大。Shiyu Zhuang通过观察钢渣混凝土初凝时间，发现钢渣的加入会显著延缓混凝土的早期水化。认为钢渣的加入延缓了石膏的消耗，阻碍了钙矾石的形成。同时钢渣的加入显著的抑制了CH和C—S—H的析出导致延缓了混凝土的早期水化。Yuzhi Zhang 将钢渣粉作为水泥的补充凝胶材料发现，钢渣粉的加入抑制了混凝土的早期水化。

对于钢渣具有抑制混凝土早期水化的现象，学者们除了不同方案的研究，也提出了自己的见解和解决方案。Li, WZ提出通过碱法和湿法碳化处理相结合从而提高钢渣混凝土水化活性。Chen, L通过研究两种具有代表性的钢渣的水化行为发现，钢渣中所含的铝酸盐相有延缓水化的作用，导致钢渣中的硫酸盐不足。并证明增加硫酸盐供应可以缓解钢渣对早期水化的抑制作用。Zhang, SF 等对于钢渣抑制混凝土的早期水化进行研究，通过添加碱性活化剂改善了水泥－钢渣的水化，并得出NaOH、Na₂CO₃/NaOH和水玻璃具有加快钢渣混凝土水化的作用，且增强顺序为：水玻璃 > Na₂CO₃/NaOH > NaOH。

4结论和展望

通过文章总结发现，一定掺量钢渣的加入可以改善混凝土的微观结构和界面过渡区，同时钢渣骨料的较高的表面粗糙度可以增加集料与水泥浆体之间的连接性。导致混凝土的一些宏观力学性能（抗压强度、劈裂抗拉强度、耐久性）都有一定的提高。

但由于钢渣中的凝胶矿物相相对较少，且胶凝矿物相结晶度比水泥中的高。钢渣中含有一些无水力活性的惰性相也抑制了钢渣混凝土的水化。通过分析钢渣抑制早期水化的原因，采取了添加外加剂的方式（NaOH、Na₂CO₃/NaOH和水玻璃）解决了早期水化抑制的问题。

近几年的研究加深了对钢渣作为建筑材料的认识，以及在土木工程中的应用。然而仍有许多的问题需要进一步的研究。在不同的建筑领域中钢渣的掺入会受钢渣种类的不同、配合比、水灰比等多重因素的影响。所以对于最终的钢渣混凝土的性能仍需要研究。宏观的力学性能不再是唯一的参考，对于钢渣混凝土的其他性质类似于水化、碳化、耐寒性等方向仍需要进一步的研究。主要可在以下三个方面进行研究：

（1）针对钢渣混凝土在寒冷下混凝土破坏后的微观结构变化需要研究，为钢渣混凝土在严寒地区的使用提供新思路。

（2）对于钢渣混凝土的水化抑制机理进行更深入的研究并寻找更为高效的解决方法，以减少钢渣对混凝土早期水化的抑制效果。

（3）针对钢渣混凝土的裂缝扩展进行不同方式（数值模拟）的研究，为钢渣混凝土的断裂行为提供新的思路。

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