混凝土是目前人类使用的最大宗建筑材料之一，生产混凝土所需的天然粗骨料量十分巨大，粗骨料的开采对自然环境的破坏十分严重。因而，开发和利用工业固体废弃物作为混凝土的粗骨料，对实现混凝土行业的可持续发展有积极的贡献。钢渣是炼钢过程中排放的废渣，其排放量约为钢产量的15%^[1]。钢渣的密度一般在3.3~3.6 g/cm³之间，强度高、易磨性差，是潜在的生产混凝土的骨料^[2]。

钢渣骨料不同于石灰石骨料，钢渣中含有大量的硅酸三钙、硅酸二钙、铁铝酸三钙等矿物，因而具有一定的水硬性^{[3, 4]}。但钢渣从熔融态冷却到常温经历了缓慢的过程，在这个过程中各矿物相的发育良好、晶格结构较完整^[5]，因而钢渣中的矿物相的活性比较低。当钢渣作为粗骨料在混凝土中使用时，钢渣参与化学反应的程度很低。

用钢渣粗骨料替代石灰石骨料，混凝土的力学性能(抗压强度、抗折强度、弹性模量)略有提高，混凝土的比重提高^{[6, 7]}。尚建丽等^[8]采用对比的方法研究了普通碎石混凝土和钢渣粗骨料混凝土界面过渡区的结构和形态，钢渣表面粗糙多孔，水泥浆体能够紧密包裹钢渣，钢渣-水泥石界面过渡区略小于普通碎石-水泥石界面过渡区，因而可形成较强的界面黏结力，钢渣粗骨料混凝土整体强度较高。

值得注意的是，钢渣中存在着安定性不良的组分，包括游离CaO和MgO矿物^{[9, 10, 11]}，这些矿物组分在炼钢过程中经历了“过烧”，因而这些组分在混凝土中的反应缓慢，可能在混凝土硬化几年甚至更长的时间后发生反应，生成Ca(OH)₂和 Mg(OH)₂，产生体积膨胀，在混凝土中产生膨胀应力，对混凝土的微结构产生破坏。

从理论上来讲，如果将钢渣中的膨胀组分科学利用，能够在一定程度上补偿混凝土的收缩，从这个角度而言，钢渣中的这些造成安定性不良的组分是有价值的^[12]。但在实际工程应用时，由于钢渣安定性不良的程度难以量化，钢渣作为粗骨料在混凝土中产生的膨胀应力难以有效地控制，因而更多情况下，钢渣中安定性不良的组分会对混凝土的微结构造成损伤，甚至使硬化混凝土完全破坏。因而，钢渣作为粗骨料在混凝土中应用时要关注其安定性不良的问题。但由于钢渣中安定性不良的组分反应缓慢，通过标准养护的方法很难快速检验钢渣骨料是否会对混凝土造成损伤。在高温条件下，钢渣的活性能够得到明显的激发，造成安定性不良的组分也能够快速发生反应^[13]，因而可以采用压蒸的试验方法对钢渣粗骨料在混凝土中的破坏作用进行快速检验。

本文将含有钢渣粗骨料的混凝土置于压蒸的试验环境中，使钢渣中的安定性不良组分快速反应，对压蒸后的混凝土进行分析，探讨在压蒸条件下钢渣粗骨料对混凝土的破坏作用。

试验采用的水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥，比表面积为350 m²/kg。细骨料为粒径小于 5 mm 的天然河砂，减水剂为聚羧酸高性能减水剂。钢渣粗骨料为转炉钢渣，实验前将钢渣筛分成2个单级配，粒径分别为5~10 mm和10~20 mm，然后将这2个级配的钢渣骨料按质量比1∶1混合。常规粗骨料为石灰石骨料，也按照质量比1∶ 1将5~10 mm和10~20 mm的单级配骨料混合而成。

试验设计了2组水胶质量比，分别为0.50和0.30，分别对应普通混凝土和高强混凝土。对于每组水胶比，设置了6种不同的配合比，钢渣骨料在粗骨料种的质量百分数分别为0%、20%、40%、60%、80%、100%。混凝土的编号及配合比如表1所示。

成型100 mm×100 mm×100 mm的混凝土试件，在温度(20±1)℃、相对湿度大于95%的标准养护条件中养护90 d后测定混凝土的抗压强度。将标准养护90 d的试件进行压蒸试验3 h，试验条件为216 ℃、2 MPa。观察压蒸试验后各试件的状态，测定压蒸后的抗压强度。将钢渣骨料进行压蒸3 h，观察压蒸后骨料的状态，测定其反应产物。

钢渣骨料压蒸3 h后的状态如图1所示，有些骨料发生了开裂，有很多骨料发生了粉碎。钢渣骨料的强度高，因而可知钢渣骨料在压蒸的过程中，内部产生了很大的膨胀应力，以致骨料开裂或粉碎。可以推测，在硬化混凝土中，钢渣粗骨料受周围水泥硬化浆体的约束，没有自由膨胀的空间，因而会对硬化浆体产生较大的膨胀应力。

图 1 钢渣粗骨料压蒸后的状态

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采用X射线荧光光谱仪(XRF)对钢渣的化学成分进行分析，结果如表2所示。其中MgO的质量百分数为4.76%，高于水泥中MgO的质量百分数(2.60%)，是造成钢渣安定性不良的一个因素。钢渣中游离CaO的质量百分数4.83%，远高于水泥中游离CaO的质量百分数(0.71%)。

将压蒸前、后的钢渣磨成粉体，采用X射线衍射仪对粉体进行测试，结果如图2所示。从图2中可以明显看出来，压蒸后的钢渣中有大量 Ca(OH)₂生成。对比压蒸前、后的钢渣XRD图谱可以看出，钢渣中的C₃S、C₂S等熟料的反应程度并不高，且钢渣中的熟料矿物以C₂S为主，且C₂S水化生成的Ca(OH)₂量较少，因而，压蒸后钢渣中生成的大量Ca(OH)₂中有相当一部分是游离CaO生成的。从图2中很难找到Mg(OH)₂的衍射峰，这说明压蒸后的钢渣中Mg(OH)₂的质量百分数很少，一方面是由于钢渣中的MgO质量百分数并不高；另一方面，有部分MgO固溶在RO相(FeO-MnO-CaO-MgO固溶体)中，在压蒸条件下也可能反应程度很低。因此，对于本文所采用的钢渣而言，游离CaO是造成安定性不良的主要因素。

图 2 压蒸后的钢渣的XRD图谱

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混凝土的90 d抗压强度如表3所示。当水胶质量比相同时，各组混凝土的抗压强度比较接近，说明一方面用钢渣替代常规粗骨料对混凝土抗压强度的影响很小，这是因为钢渣骨料的强度高，且本实验中采用钢渣骨料的级配与石灰石骨料相近；另一方面，90 d龄期时钢渣的安定性不良的问题还没有表现出来。这也再次表明，当钢渣作为粗骨料使用时，在标准养护条件下，影响钢渣安定性的组分反应非常缓慢。

将混凝土置于压蒸条件下3 h，试验结束后混凝土呈现4种状态：

Status 1 表面无可见裂缝，强度损失很小或略有增长；

Status 2 表面有少量裂缝并出现角部损坏(如图3a所示)，强度损失很大；

图 3 混凝土压蒸后的状态

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Status 3 整体严重开裂(如图3b所示)，强度丧失；

Status 4 整体粉碎(如图3c所示)，强度丧失。

表4列出了各组混凝土在压蒸后的状态，当水胶质量比为0.50时、钢渣骨料占粗骨料的20%时，混凝土压蒸后的表面无可见裂缝；钢渣骨料占粗骨料的40%时，混凝土压蒸后出现少量裂缝；钢渣骨料占粗骨料60%及以上时，混凝土整体粉碎。由此可见，当混凝土的强度较低时，钢渣粗骨料的安定性不良问题对混凝土的破坏作用非常明显。

表4显示，当水胶质量比为0.30、钢渣骨料占粗骨料的20%和40%时，混凝土压蒸后的表面无可见裂缝；随着钢渣骨料占粗骨料比例的增大，混凝土压蒸后的损伤情况越严重。相对而言，当混凝土的强度较高时，钢渣粗骨料的安定性不良问题对混凝土的破坏作用弱一些。这是因为混凝土的强度越高，混凝土抵抗内应力破坏的能力越强。

在混凝土的各组分中，粗骨料的质量百分数是最高的，因此，粗骨料的品质对混凝土的性能影响很大。从混凝土的90 d抗压强度结果来看，如果钢渣没有安定性不良的问题，那么钢渣可以替代全部常规粗骨料。混凝土的90 d抗压强度结果也表明钢渣中安定性不良的组分反应非常缓慢，但这并不表明这些影响安定性的组分不会发生反应，可能需要更长的时间。

在压蒸条件下，影响钢渣安定性的组分加速反应，在一定程度上可以说压蒸试验可以检测出钢渣粗骨料的安定性问题对混凝土造成破坏的潜在能量。很显然，钢渣粗骨料的质量百分数越大，对混凝土造成破坏的潜在能量越大，混凝土被破坏的风险越大。当混凝土的强度较低时，用钢渣替代40%常规粗骨料即会对混凝土造成可见的损伤，这说明钢渣作为粗骨料时，其安定性问题是非常值得注意的。尽管混凝土强度较高时，抵抗钢渣粗骨料产生内应力的能力较高，但当混凝土的抗压强度超过 100 MPa 时，用钢渣替代60%常规粗骨料即会对混凝土造成可见的损伤。因此，钢渣作为粗骨料使用时，其安定性不良的程度及替代常规粗骨料的比例均需严格控制。

通过将钢渣粗骨料和含钢渣粗骨料的混凝土进行了压蒸试验，揭示了钢渣粗骨料对混凝土造成破坏的现象和机理，得到如下主要结论：

1) 在压蒸条件下，造成钢渣安定性不良的游离CaO和MgO矿物能够加速反应，使钢渣发生膨胀破坏；当钢渣作为混凝土的粗骨料时，会因安定性不良问题在混凝土内部产生膨胀应力，可能对混凝土造成损伤。

2) 随着钢渣粗骨料占粗骨料比例的增大，钢渣安定性不良的问题对混凝土造成的损伤越大。

3) 混凝土的强度越高，抵抗钢渣粗骨料产生的膨胀应力的能力越强，但钢渣粗骨料的比例仍要严格控制，就本研究所采用的钢渣而言，钢渣粗骨料的质量百分数不能超过40%。