鋼渣粗骨料混凝土單軸受壓應力-應變關(guān)系試驗研究

薛 剛，趙玉杰，周海峰，孫立所

(內(nèi)蒙古科技大學土木工程學院，包頭 014010)

鋼渣是煉鋼時產(chǎn)出的工業(yè)固體廢棄物，一般約為鋼產(chǎn)量的15%～20%，產(chǎn)量巨大。2019 年1 月-11 月份全國粗鋼累計產(chǎn)量達9 億噸以上[1]，而目前我國鋼渣利用率僅22%，遠不及發(fā)達國家[2]。我國鋼鐵行業(yè)為社會創(chuàng)造經(jīng)濟利益的同時也產(chǎn)生了一些負面的影響，工業(yè)廢渣的有效處理是我國必須解決的重要問題之一。鋼渣不僅占用大面積土地，還造成了一定的環(huán)境污染。將鋼渣粗骨料用于道路工程，能降低碳排放指標[3]，有利于保護環(huán)境，鋼渣混凝土因此被稱為環(huán)保材料[4]。

煉鋼企業(yè)鐵礦石來源各不相同，產(chǎn)生的鋼渣化學成分復雜多變，差異化的鋼渣預處理工藝引發(fā)其形態(tài)也有所不同。將鋼渣應用于配制混凝土，需要結(jié)合鋼渣的地區(qū)特點，有針對性開展工作。研究表明：鋼渣集料的物理性能比碎石骨料好，可用于混凝土骨料；相比于普通混凝土，鋼渣混凝土的抗壓強度更高[5-7]，但彎折強度略有降低[8]。替代率為50%的鋼渣混凝土抗壓強度最高[9]，且長期強度更加優(yōu)異[10]。Qasrawi 等[11]以鋼渣替代部分細骨料，相比于普通混凝土，替代率在50%時，試件的抗拉強度增長幅度最大。鋼渣混凝土試件規(guī)格變化時，用于非標準試件強度的修正系數(shù)低于普通混凝土[12]。鋼渣高性能混凝土具有良好的力學性能，主要由于鋼渣骨料強度高，且骨料本身和水泥漿體粘結(jié)性能良好[6]。

鋼渣混凝土本構(gòu)關(guān)系可用于分析結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力性能，應予以高度關(guān)注。于峰等[13]制備了補償收縮鋼渣混凝土，建立了與試驗曲線高度擬合的本構(gòu)模型。李斌等[14]以水淬鋼渣替代細骨料制備混凝土，當替代率在60%時，抗壓強度最大，該文中模型與試驗曲線擬合結(jié)果令人滿意。目前多針對鋼渣替代細骨料制備的混凝土研究其本構(gòu)關(guān)系，且本構(gòu)模型中未同時充分體現(xiàn)鋼渣摻量及骨料特性兩個因素。文中選用包頭某鋼鐵公司的鋼渣，破碎成粗骨料制備鋼渣混凝土。首先檢驗鋼渣的穩(wěn)定性，明確本文選取的鋼渣粗骨料可用于制備混凝土；通過試驗，研究其單軸受壓性能，重點分析不同鋼渣替代率對混凝土受壓性能的影響，建立考慮鋼渣含量的混凝土本構(gòu)模型，為該地區(qū)鋼鐵企業(yè)固體廢棄物的合理利用做好基礎。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

為制備鋼渣粗骨料混凝土，水泥選用普通硅酸鹽水泥P.O42.5；粗/細骨選用級配良好的天然砂石，鋼渣選用包頭某鋼鐵公司經(jīng)過磁選除鐵及陳化處理后的鋼渣，加工成粗骨料，上述材料級配及其物理性能均滿足相關(guān)規(guī)范[15-17]要求，圖1 為加工后的鋼渣粗骨料；通過XRF 得到鋼渣的主要化學成分(見表1)，鋼渣所含f-CaO 含量為1.2%，滿足相關(guān)規(guī)定。骨料物理指標如表2 所示。

圖1 鋼渣粗骨料Fig. 1 Steel slag coarse aggregate

表1 鋼渣主要化學成分Table 1 Main chemical composition of steel slag

表2 骨料物理性能指標Table 2 Physical properties of aggregate

1.2 鋼渣穩(wěn)定性

根據(jù)《鋼渣穩(wěn)定性試驗方法》(GB/T 24175-2009)[18]，對所選鋼渣進行浸水膨脹率試驗及壓蒸粉化率試驗。壓蒸粉化率方法適用于測試混凝土中鋼渣的穩(wěn)定性，浸水膨脹率方法適用測試路基、瀝青路面用鋼渣的穩(wěn)定性。

浸水膨脹率試驗基本原理為：90 ℃水浴一段時間，使鋼渣中含有的f-CaO、f-MgO 消解，并產(chǎn)生體積膨脹，通過體積膨脹率評定鋼渣的穩(wěn)定性。具體方法為：按要求配制相應粒度分布的鋼渣，等分后分別裝入套筒內(nèi)，放入恒溫水浴槽，水浴槽中溫度達到90 ℃后，持續(xù)6 h。待冷卻后，利用預先安裝好的百分表測量鋼渣膨脹程度，連續(xù)測量10 d，按式(1)計算浸水膨脹率。試驗裝置如圖2 所示。

圖2 浸水膨脹率測定裝置Fig. 2 Water immersion expansion rate measuring device

本文選取2 份鋼渣樣品，其浸水膨脹率分別為0.82%和0.68%，均值為0.75%。《道路用鋼渣》(GB/T 25824-2010)[19]浸水膨脹率要求≤2.0%，本文所用鋼渣滿足規(guī)范要求。

選取2 份樣品，m0分別為427 g 和536.89 g，m1分別為7.5 g 和9.5 g，壓蒸粉化率分別為1.76%和1.77%，均值為1.765%。依據(jù)相關(guān)規(guī)范[20-21]規(guī)定，壓蒸粉化率應不超過5.90%，本文試驗選用的鋼渣，壓蒸粉化率符合相關(guān)規(guī)范規(guī)定。

圖3 壓蒸釜Fig. 3 The autoclave kettle

圖4 電熱鼓風箱Fig. 4 Electric blast bellows

1.3 配合比設計

依據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》(JGJ 55-2011)[22]，制備6 組不同鋼渣替代率下的立方體試件和棱柱體試件，各組混凝土試件的具體配合比如表3 所示，通過摻加一定量的粉煤灰，來緩解鋼渣對混凝土工作性能造成的削減[23-24]。表3中：NC 為普通混凝土；SSC 為鋼渣混凝土；數(shù)字表示鋼渣粗骨料替代率百分比。

1.4 試驗方法

表3 中立方體試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，棱柱體試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm。參考《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2019)[25]進行試驗。為得到單軸受壓應力-應變?nèi)€，將2 個1000 kN 的千斤頂支撐在兩個加載端，防止試件被突然壓潰，試件兩個側(cè)面的中心位置分別粘貼豎向及橫向應變片，并各布置一個位移計，來測量試驗曲線中上升段的應變及其產(chǎn)生的豎向位移。在75%極限應力前，加載速率為0.01 mm/s；75%極限應力后，加載速率降至0.003 mm/s。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為DTS-530 型高速靜態(tài)采集儀。混凝土單軸受壓試驗裝置見圖5。

圖5 鋼渣混凝土棱柱體軸心抗壓試驗裝置Fig. 5 Axial compressive test apparatus for steel slag concrete prisms

表3 鋼渣粗骨料混凝土配合比設計Table 3 Design of mixing ratio of steel slag coarse aggregate concrete

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 破壞形態(tài)

1) 立方體試件。加載初始階段應力較低，試件表面無明顯開裂。應力逐步提高，壓縮變形逐漸增大，豎向裂縫開始在立方體角部區(qū)出現(xiàn)；隨著荷載進一步增大，立方體緩慢向外不均勻膨脹，發(fā)出細微劈裂聲，繼續(xù)加載，可以看到表面崩落的混凝土，表面酥松的范圍逐漸增大，呈現(xiàn)出兩個不規(guī)則的對頂角錐。試件兩個持荷面受到兩個橫向約束作用，混凝土剝落范圍較小，而約束作用對中部區(qū)域影響小，混凝土剝落范圍大。高摻量的鋼渣混凝土立方體試件，突然被壓潰同時壓潰聲響更大，脆性破壞特征更明顯，其破壞形態(tài)見圖6。

圖6 混凝土立方體試件破壞現(xiàn)象Fig. 6 Failure phenomenon of concrete cube specimens

2) 棱柱體試件。表3 所示的各組棱柱體試件所呈現(xiàn)的壓潰過程雖類似，但其脆性破壞特征卻有著明顯區(qū)別，部分試件破壞形態(tài)如圖7。破壞過程可分為如下3 個階段：

圖7 普通混凝土及鋼渣骨料混凝土軸壓破壞形態(tài)Fig. 7 Failure modes of ordinary concrete and steel slag aggregate concrete under axial compression

① 彈性階段：在50%極限荷載前，試件應力與應變近似按比例增長。在該階段，一方面試件內(nèi)部的微裂縫開始擴展，另一方面，部分既有微裂縫受壓閉合，試件內(nèi)部擴展及閉合相抵，未產(chǎn)生明顯的變形。

② 彈塑性階段：當高于50%極限荷載時，豎向裂縫出現(xiàn)在試件的角部區(qū)域，繼續(xù)加載，裂縫向上下兩端擴展，混凝土顆粒少數(shù)崩落。進一步加載，試件內(nèi)部的微裂縫相應連通，同時表面原有的裂縫加劇延伸。防止混凝土突然壓潰，以位移控制加載。此后試件表面不斷出現(xiàn)新裂縫，削減了骨料-水泥間的粘結(jié)能力。試件壓應變快速增長，并發(fā)生橫向外鼓，裂縫進一步增加，而后應力達到峰值。

③ 破壞階段：應力達到峰值后，骨料-水泥間的粘結(jié)能力減弱甚至喪失，在棱柱體側(cè)面呈現(xiàn)一條貫穿混凝土試件的主裂縫，試件酥松甚至剝落。

2.2 棱柱體抗壓強度與立方體抗壓強度的換算關(guān)系

試驗中得到的6 組不同鋼渣摻量下的混凝土立方體抗壓強度與棱柱體抗壓強度結(jié)果(表4)表明：1) 與鋼渣粗骨料替代率為50%的鋼渣混凝土相比，鋼渣粗骨料替代率為70%和100%的鋼渣混凝土，其抗壓強度僅分別降低1.1%、5.5%，從強度及鋼渣利廢效率兩方面看，鋼渣粗骨料摻量可為100%；2) 鋼渣粗骨料混凝土棱柱體抗壓強度和立方體抗壓強度的比值為0.83～0.90，相較普通混凝土更高(普通混凝土該比值為0.76～0.82[26])。因為鋼渣強度高于普通石子強度，導致鋼渣粗骨料混凝土的強度和彈性模量均高于普通混凝土。強度和彈性模量提高后，在豎向荷載作用下，側(cè)向變形降低，加載板對試件的約束效應范圍減小，導致棱柱體抗壓破壞形態(tài)與立方體抗壓破壞形態(tài)接近，從而提高了比值。本文建立鋼渣混凝土軸心抗壓強度fc(ssc)與鋼渣混凝土立方體抗壓強度fcu(ssc)比值與替代率r的換算關(guān)系：

表4 軸心抗壓強度與立方體抗壓強度Table 4 The compressive strength of a prism and that of a cube

2.3 應力-應變?nèi)€

根據(jù)圖8 看出：1)不同鋼渣摻量下的混凝土本構(gòu)關(guān)系曲線均呈現(xiàn)上升段和下降段。在0.5fc(ssc)(fc(ssc)為峰值應力)前，上升段近似直線，但在不同替代率下，其斜率存在明顯差異，且均高于普通混凝土，這表明鋼渣可增大混凝土的變形模量；2)試件應力在0.5fc(ssc)～fc(ssc)時，曲線的斜率減小，相比于普通混凝土，鋼渣混凝土峰值應力更高，這表明鋼渣粗骨料提高了混凝土單軸抗壓強度；3)試件應力達到峰值應力后，曲線變?yōu)橄陆刀危瑩饺脘撛幕炷粒陆刀胃鼮槎盖?除摻量為50%以外)，試件破壞時，鋼渣粗骨料混凝土極限壓應變比普通混凝土的極限壓應變小，摻入鋼渣后的混凝土表現(xiàn)出更為顯著的脆性特征；4) 50%摻量的鋼渣粗骨料混凝土，其抗壓強度和破壞時的壓應變均比其他替代率(10%、30%、70%、100%)的大，且比普通混凝土的大。

圖8 鋼渣粗骨料不同替代率下混凝土單軸受壓應力-應變曲線Fig. 8 The stress-strain curve of concrete under uniaxial compression under different substitution rates of steel slag coarse aggregate

為掌握鋼渣骨料粒徑對應力-應變關(guān)系的影響，本文制備了與鋼渣粗骨料強度等級相當?shù)匿撛毠橇匣炷粒捎猛瑯釉囼灧椒ǖ玫搅似鋺?應變關(guān)系[27]。圖9 為鋼渣含量相同時，鋼渣粗骨料試件和鋼渣細骨料試件應力-應變關(guān)系試驗結(jié)果對比，圖9 中圖例字母F 表示鋼渣細骨料混凝土試件。

圖9 鋼渣粗骨料試件和鋼渣細骨料試件應力-應變關(guān)系試驗結(jié)果對比Fig. 9 Comparison of test results of stress-strain relationship between coarse steel slag aggregate specimen and fine steel slag aggregate specimen

鋼渣含量為10%時，鋼渣粗骨料混凝土、鋼渣細骨料混凝土延性特征基本相同；鋼渣含量為30%～100%時，鋼渣粗骨料混凝土脆性特征更明顯。全鋼渣粗骨料混凝土(100%)試件在加載中達到應力峰值后，突然被壓潰，應變片失效，未測得下降段。

3 鋼渣混凝土受壓本構(gòu)關(guān)系

3.1 模型確定

為準確地擬合混凝土受壓本構(gòu)關(guān)系試驗曲線，很多學者建立了不同的本構(gòu)關(guān)系模型，概括地講，其模型表達式主要分為統(tǒng)一式和分段式兩類。過鎮(zhèn)海[28]提出了普通混凝土的兩段式本構(gòu)關(guān)系模型，該模型還被用于擬合纖維混凝土應力-應變關(guān)系[29-30]。本文綜合分析不同本構(gòu)模型后，選用Carreira 和Chu 模型[31]、Wee 模型[32]、過鎮(zhèn)海兩段式本構(gòu)模型[28]，來進行對鋼渣混凝土應力-應變試驗曲線的擬合分析。

Carreira 和Chu[31]建立的本構(gòu)模型為單一方程表達上升段和下降段關(guān)系，該模型參數(shù)的計算相對簡便，具體如下：

利用上述三個模型對試驗所得的應力-應變曲線無量綱化非線性擬合，如圖10 所示：Carreira 和Chu 模型[31]上升段模型曲線應力偏低，下降段模型曲線應力偏高，均與試驗曲線擬合偏差較大；過鎮(zhèn)海模型[28]與試驗曲線上升段基本吻合，1.5≤a≤3，而下降段擬合偏差大；WEE 模型[32]在上升段擬合時出現(xiàn)應力超過1 的結(jié)果，該結(jié)果不符合無量綱化的本構(gòu)關(guān)系特征，而下降段擬合效果令人滿意。

圖10 模型曲線與試驗曲線對比Fig. 10 Comparison of model curve and test curve

依據(jù)圖10 所示，鋼渣粗骨料混凝土應力-應變?nèi)€可采用分段方程，上升段參考過鎮(zhèn)海模型[28]，下降段參考Wee 模型[32]，具體如下：

利用本文建議模型(式(7))對試驗數(shù)據(jù)進行非線性擬合，結(jié)果一并在圖10 中表達。

根據(jù)圖10 對比結(jié)果看出，本文所建立的模型對應力-應變試驗全曲線的擬合程度令人滿意。圖11為上述模型擬合結(jié)果的確定系數(shù)及取值區(qū)間，由圖11 可以看出，本文所建立模型(式(7))相較于其他模型更適于表達鋼渣粗骨料混凝土的本構(gòu)關(guān)系。

圖11 確定系數(shù)及取值區(qū)間Fig. 11 Determination of the coefficient and value interval

3.2 模型參數(shù)計算分析

將式(11)代入到式(8)中，得出用基準混凝土軸心抗壓強度及鋼渣替代率來表達參數(shù)a的關(guān)系方程。

圖12 為參數(shù)a對本構(gòu)關(guān)系曲線的影響，圖13為參數(shù)a與鋼渣骨料替代率的關(guān)系。從圖中可以看出，當提高鋼渣摻量，參數(shù)a會出現(xiàn)小幅波動，總體呈增大趨勢，說明鋼渣粗骨料對初始切線模量的增幅超過對峰值割線模量的增幅。

圖12 上升段參數(shù)a 對曲線的影響Fig. 12 The influence of ascending stage parameter a on the curve

圖13 上升段參數(shù)a 與替代率關(guān)系Fig. 13 The relation between a and the substitution rate in the rising stage

利用式(12)～式(15)可得到鋼渣粗骨料混凝土本構(gòu)關(guān)系曲線，由圖14 看出，本文建立的體現(xiàn)鋼渣摻量的本構(gòu)模型曲線與試驗曲線擬合結(jié)果令人滿意。

圖14 試驗曲線與模型曲線對比Fig. 14 Comparison of test curve and model curve

鋼渣混凝土軸心抗壓強度與立方體抗壓強度比值fc(ssc)/fcu(ssc)是反映其抗壓性能的重要指標，鋼渣摻量r也是區(qū)別鋼渣混凝土抗壓性能的重要因素，本文建議的鋼渣粗骨料混凝土本構(gòu)模型參數(shù)表達式能夠同時體現(xiàn)鋼渣骨料特征(fc(ssc)/fcu(ssc))和鋼渣摻量r，更加合理地反映鋼渣混凝土本身的力學特征。

4 結(jié)論

本文制備了不同鋼渣粗骨料摻量的鋼渣混凝土立方體及棱柱體試件，研究了其單軸受壓性能，重點分析了鋼渣粗骨料混凝土應力-應變關(guān)系曲線。依據(jù)試驗及理論分析結(jié)果，得出以下結(jié)論：

(1)試驗選取的包頭某鋼鐵公司的鋼渣，其f-CaO 含量、浸水膨脹率、壓蒸粉化率均符合現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，滿足混凝土骨料及路基填料要求。改善鋼渣的安定性問題是鋼渣可資源化利用的前提，本文選取本地區(qū)鋼渣樣本進行鋼渣安定性檢測，得到的初步結(jié)果尚有待進一步豐富。

(2)不同鋼渣摻量下的混凝土本構(gòu)關(guān)系曲線雖然類似，但曲線的陡峭程度有著明顯差異，且摻入鋼渣后混凝土峰值應力顯著提高。鋼渣含量較低時，鋼渣粗骨料混凝土、鋼渣細骨料混凝土脆性特征區(qū)別不明顯，鋼渣含量為30%～100%時，鋼渣粗骨料混凝土脆性特征更明顯。

(3)鋼渣粗骨料混凝土應力-應變關(guān)系曲線的上升段符合過鎮(zhèn)海本構(gòu)模型；下降段符合WEE 模型。本文提出了考慮鋼渣含量的混凝土單軸受壓本構(gòu)模型，并推演了參數(shù)公式，更加全面的描述了鋼渣粗骨料混凝土的單軸受壓力學行為。