将转炉钢渣作为建筑骨料的研究正在慢慢取得进展。Pavitar等人在实验室对普通混凝土（NC）和高强混凝土（HSC）进行了掺入转炉钢渣作为粗骨料的试验研究，即用25%、50%、75%、100%的钢渣替代天然粗骨料。此外，在HSC混合料中加入偏高岭土作为额外胶凝材料。研究的重点是混凝土耐久性方面的干燥收缩率、吸水率和吸附性。结果表明，钢渣置换量达到75%时，混凝土的吸水率和吸附系数较低。这一结果归因于与天然聚集体相比，形成了更密集的界面过渡区（ITZ），这抑制了水的渗透。转炉钢渣具有较高的比重和耐磨性，可转化为与天然骨料质量相当的高质量骨料。当细骨料用高达60%的钢渣代替时，混凝土的强度通常达到最大。但超过此值后，由于钢渣本身的孔隙率和游离石灰的存在，强度会逐渐降低，从而导致体积膨胀。Guo等人在普通和高强混凝土中使用未处理的转炉钢渣作为细骨料，结果表明，与普通混凝土相比，通过加入最佳量的钢渣，所得混凝土可能表现出更好的抗压性能。 Martins等人研究发现，使用转炉钢渣和电炉钢渣替代传统骨料，使钢渣混凝土比天然骨料混凝土具有更强的抗碳化性能和更高的机械强度。Ahmedzade等人观察到，加入钢渣替代天然粗骨料可以改善沥青基混合料的力学性能。Asi等人研究发现，用钢渣骨料替代石灰石粗骨料，替代率高达75%，可改善沥青混凝土混合料的力学性能。Brand等人研究了掺入粗钢渣骨料的混凝土的力学和耐久性特性。根据他们的研究结果，使用含有低水平游离CaO和MgO的钢渣骨料，与用原始骨料制成的混凝土相比，可以获得令人满意的强度、耐久性和优异的断裂性能。 转炉钢渣含有高比例的游离CaO，游离CaO与空气中的水分和二氧化碳反应生成氢氧化钙，形成额外的碳酸钙。这种钢渣本质上是膨胀的，如果在使用前不进行适当的风化，会导致其崩解。因此，在目前的工作中，考虑到骨料的稳定性，转炉钢渣基骨料在空气中风化约9-12个月，使游离CaO减少到2%以下。此外，值得一提的是，钢渣骨料的使用增加了混凝土中的空气含量。 随着人们对使用转炉钢渣作为混凝土粗骨料替代品的兴趣日益浓厚，考虑到长期性能，正在研究耐久性方面的问题。然而，以往的研究主要集中在宏观尺度上的力学表征和耐久性试验，对微观尺度的研究较少。此外，ITZ处的孔隙率还取决于水泥的类型及其与转炉钢渣集料的相互作用，这对混凝土耐久性特性有显著影响。此外，关于100%转炉钢渣粗骨料混凝土耐久性特性的研究有限。考虑到上述研究空白，本研究的主要目的是在宏观和微观尺度上研究100%转炉钢渣粗骨料混凝土的耐久性特性。研究的范围包括： ①研究了不同水泥类型对转炉钢渣粗骨料（LDCA）混凝土和易性的影响； ②研究了转炉钢渣粗骨料混凝土的收缩性能； ③评估了转炉钢渣混凝土的渗透性和电阻率作为水泥类型的函数； ④通过微观研究了解转炉钢渣粗骨料与水泥类型之间的相互作用。
1.1 材料 1.1.1 骨料 本研究采用转炉钢渣粗骨料和天然骨料配制混凝土。采购了10mm和20mm的转炉（LD）钢渣粗骨料，将骨料暴露在空气中，经受9-12个月的风化。钢渣骨料棱角分明，纹理粗糙，表面多孔，颜色为白灰色。 采用Bruker D8超前衍射仪和X射线荧光分析仪对转炉钢渣进行了X射线衍射（XRD）分析。X-pert High Score软件鉴定出的转炉钢渣骨料主要物相包括氢氧钙石、石英、方解石和硅酸二钙。用XRF测定了转炉钢渣的元素组成，见表1。氧化钙、氧化铁和二氧化硅是转炉钢渣的主要成分。 混凝土生产中除采用转炉钢渣粗骨料外，还采用天然骨料。转炉钢渣与天然骨料的物理性能见表2。可以看出，转炉钢渣骨料在破碎值、冲击值、洛杉矶耐磨性等方面均优于天然骨料。转炉钢渣骨料的耐磨性比天然粗骨料低39%。此外，转炉钢渣骨料具有较好的立方体形状特征，其片状度指数值较低。转炉钢渣较高的吸水率可归因于表面气孔的存在，这是渣骨料的特征。 1.1.2 水泥 在本研究中，使用三种不同类型的水泥，包括：符合IS 12269（2013）的53级普通波特兰水泥（OPC）、符合IS 1489 Part1（2015）的波特兰Pozzolana水泥（PPC）和符合IS 455（2015）的波特兰矿渣水泥（PSC）。使用三种不同水泥的主要目的是评估它们对混凝土耐久性的影响，因为每种水泥的化学成分不同，预计与转炉钢渣的反应也不同。OPC为纯水泥，不含任何补充胶凝材料，它通常导致较高的水合热，这往往会导致混凝土收缩裂缝。PPC由OPC与火山灰材料（如粉煤灰）混合而成，可改善和易性，减少热量产生，并具有良好的抗硫酸盐侵蚀性。PSC是由OPC与高炉矿渣混合制成的，它提供了增强的性能，如改善和易性、降低水化热、提高抗化学侵蚀能力。每种类型的水泥都有其独特的成分，从而产生不同的性能和强度，以满足不同的施工需求和要求。一般来说，PPC和PSC的早期强度较低，而长期强度一般与OPC混凝土相当。水泥的物理性质如表3所示。 1.2 混凝土配合比设计 本研究混凝土配合比设计的依据是IRC 44（2017），该级配的标称最大骨料粒径（NMAS）为19mm。 水胶比取0.35，固定含水量为140kg/m3。IRC-44：2017建议水泥含量应在360-450kg/m3之间。在试混后确定高效减水剂的最佳百分比是0.5%（按重量计的粘合剂），这是获得25±10mm坍落度的确定值。考虑到滑模铺装机在路面施工中的应用，制备了低坍落度混凝土或粗糙混凝土。表4显示了生产1m3混凝土时不同组成材料的比例。应该注意的是，所有的混合料都考虑了2%的空气含量。 1.3 试样制备 使用不同类型的混凝土制备了用于本研究各种试验所需的试样。使用30%的混合料来评估混凝土的和易性，其余的用于浇铸试样来评估机械和耐久性性能。所有试样从模具中取出后在水中固化。根据不同的试验要求，养护时间分别为7天、28天和56天。
2.1 和易性 通过坍落度试验来评价混凝土的和易性。通过调整高效减水剂的含量，达到IRC：44-2017所要求的坍落度25±10mm。 2.2 透水性试验 混凝土的透水性使用BS EN 12390 Part8（2019）中规定的方法进行评估。DIN 1048第5部分指南将水渗透深度分为低（<30mm）、中（30-60mm）和高（＞60mm）。这包括以5bar的压力将一个150mm的混凝土立方体暴露在水中72h。测试完成后，将混凝土立方体分成两半，记录水渗透的深度。 2.3 快速氯化物渗透试验 快速氯离子渗透试验（RCPT）采用直径为100mm、高度为50mm的圆形试样。试样首先在50℃下干燥7天，然后在干燥器中冷却并在周向表面涂上一层环氧树脂层。测试程序和试样制备按照ASTM C1202（2012）指南进行。 2.4 收缩试验 对转炉钢渣粗骨料混凝土进行了收缩试验，并与对照混凝土进行了对比。试验按照ASTM C-157进行。采用70.2mm×70.2mm×280mm的浇筑试样，研究其收缩特性。试样浇筑完成后，在模具中保存一天，然后脱模。初始收缩读数是在浇筑混凝土养护28天之前测得的，被视为参考读数。此外，在第3天、第7天、第14天、第28天、第56天、第90天、第112天读取收缩率读数，直到获得恒定读数，取出的固化试样用来测量间隔28天的收缩率。对三个试样重复此过程以获得平均值。将脱模后的初始收缩读数转换为微应变。混凝土的干缩试验是耐久性研究的重要环节，因为体积膨胀是使用转炉钢渣粗骨料存在的关键问题。
4.1 和易性 对照混凝土和LDCA混凝土的坍落度结果显示，当掺加0.5%的高效减水剂时，各混合料的坍落度均在25±10mm的要求范围内。 4.2 抗压强度 OPC、PPC和PSC混合料的7天、28天、56天和90天抗压强度结果显示，对于PPC和PSC，数值具有可比性，而对于OPC，抗压强度被确定为三种不同水泥类型中最高的。随着固化时间的延长，抗压强度稳步发展。养护28天的抗压强度在48-54MPa之间，养护56天的抗压强度在59-65MPa之间，养护90天的抗压强度也有明显的增加。在给定的养护时间内，与由天然骨料制成的对照混合料相比，含有转炉钢渣骨料的混凝土具有更高的抗压强度。强度增强的原因可归结为转炉钢渣骨料表面粗糙多孔。该表面能够在ITZ与粘合剂形成更牢固的结合。此外，转炉钢渣骨料表面气孔吸水，内部固化，增强了砂浆与骨料的粘结性。内部固化还有助于粘合剂的不间断水化过程，从而获得更高的强度。此外，与天然骨料相比，转炉钢渣骨料具有更高的硬度和密度，进一步提高了整体强度。
本研究以转炉钢渣作为天然粗骨料的100%替代品，研究了不同水泥类型混凝土的耐久性和微观结构性能的影响。本研究的结果仅限于混凝土中使用的特定类型的转炉钢渣和水泥类型。根据广泛的实验室研究，得出以下结论： 1）与研究中使用的所有水泥类型的对照混合料相比，LDCA混合料具有相对较高的抗压强度。与OPC LDCA相比，PPC LDCA和PSC LDCA混合料在7天的抗压强度较低，而所有水泥类型的90天强度相似。 2）通过透水性、吸水率、电阻率测试，LDCA混合料在耐久性方面优于对照混合料，由此可预期其具有更长的使用寿命。 3）所有水泥类型的LDCA混合料的干燥收缩率均小于对照混合料，其中OPC基对照混合料的收缩趋势最高。LDCA混合料干燥收缩率较低，有利于重力坝等大型建筑活动，并进一步补充了转炉钢渣骨料的较高比重。 4）SEM和EDS分析表明，PPC和PSC基LDCA的SiO2含量高于OPC基LDCA。除了致密的微观结构外，SiO2的疏水性也有助于提高材料的耐久性。有趣的是，在OPC基LDCA混合物中，CaCO3的亲水性更高，这导致了更高的吸水性和渗透率。 5）适当风化的转炉钢渣骨料将是不断枯竭的天然粗骨料的理想替代品。未来的研究可以集中在比较不同钢渣骨料的耐久性特征，并开发一个替代天然骨料的最佳利用框架。 《世界金属导报》 2024年第11期 B08、B09
