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主要作者及研究机构

本研究的主要作者包括薛刚、邬松和董伟，他们分别来自内蒙古科技大学土木工程学院、内蒙古自治区土木工程安全与耐久性重点实验室以及内蒙古自治区建筑结构防灾减灾工程技术研究中心。该研究发表于《山东大学学报（工学版）》2025年第55卷第2期。

学术背景

研究领域为土木工程材料科学，特别是新型混凝土材料与结构。随着我国粗钢产量的增加，钢渣的产量也随之上升，但钢渣的有效利用率较低。在“双碳”背景下，对钢渣进行碳酸化处理不仅能够利用CO₂，还能提高钢渣的强度和稳定性。因此，本研究旨在探讨碳化钢渣细骨料对混凝土性能的影响规律，特别是其力学性能和体积安定性，为钢渣混凝土的应用提供科学依据。

研究流程

研究包括以下几个主要步骤：

1. 原材料及配合比设计：选用普通硅酸盐水泥、粉煤灰、减水剂、自来水和钢渣细骨料。钢渣细骨料取自包钢集团，经过筛分和碳化处理。混凝土设计强度等级为C40，采用10%、20%、30%三种碳化钢渣体积分数等体积代砂制备混凝土。

2. 钢渣碳化试验：将钢渣颗粒放入碳化箱中，在常压环境下通入体积分数为99%的CO₂气体，环境湿度为55%，温度为25℃，碳化时间为4小时。

3. 体积安定性试验：制备不同碳化钢渣体积分数下的砂浆棒试件，进行压蒸试验，测量试件膨胀率。

4. 力学性能试验：采用100mm×100mm×100mm的试件进行立方体抗压及劈裂抗拉强度试验，采用150mm×150mm×300mm棱柱体进行轴心抗压强度试验。

5. 应力-应变分析：通过单轴受压试验，研究碳化钢渣混凝土的应力-应变关系曲线。

6. 本构关系模型拟合：运用过镇海模型、Keun-Hyeok Yang模型以及Sargin模型进行本构关系拟合，分析模型参数与力学性能间的关系。

主要结果

1. 体积安定性：随着钢渣体积分数由10%递增到30%，砂浆棒膨胀率呈现小幅度增长，但均满足规范要求。钢渣体积分数低于30%的砂浆棒安定性良好，而50%的砂浆棒压蒸后表面出现大面积脱落。

2. 抗压强度：随着碳化钢渣细骨料体积分数由10%逐渐提高到30%，立方体抗压强度逐渐增大。当钢渣体积分数为30%时，其抗压强度最大，为52.7 MPa。与普通混凝土相比，碳化钢渣混凝土的抗压强度分别提高了1.27%、9.55%及11.89%。

3. 劈裂抗拉强度：随着碳化钢渣细骨料体积分数由10%增至30%，立方体劈裂抗拉强度逐步提升。当碳化钢渣体积分数达到30%时，其劈裂抗拉强度达到最大，为2.91 MPa。

4. 应力-应变关系：在0.5fc之前，试件产生弹性变形，应力-应变关系近似为直线。随着碳化钢渣细骨料体积分数的增加，弹性模量也随之增大。在0.5fc ~ fc区间，曲线斜率降低，应变增长速率较应力增长速率更高。峰值应力后，随着碳化钢渣细骨料体积分数的增加，应力逐渐减小，曲线进入下降段。

5. 本构关系模型：运用Sargin模型分段拟合，通过改变参数β取值，上升段与下降段均与试验曲线具有较高拟合程度。同时，得出了具有较高关联程度的参数-强度关系公式。

结论

本研究通过实验和理论分析，得出了碳化钢渣细骨料对混凝土力学性能和体积安定性的影响规律。结果表明，碳化钢渣细骨料能够显著提高混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度，且随着钢渣体积分数的增加，混凝土的弹性模量也随之增大。此外，本研究还建立了适用于碳化钢渣混凝土的本构关系模型，为钢渣混凝土的应用和推广提供了理论支持。

研究亮点

1. 重要发现：碳化钢渣细骨料能够显著提高混凝土的力学性能，特别是在抗压强度和劈裂抗拉强度方面。
2. 方法新颖性：本研究采用了碳化处理钢渣细骨料，并建立了适用于碳化钢渣混凝土的本构关系模型。
3. 研究对象的特殊性：研究聚焦于碳化钢渣细骨料对混凝土性能的影响，填补了该领域的研究空白。

其他有价值的内容

本研究还探讨了碳化钢渣混凝土的应力-应变关系，分析了其弹性模量和峰值应变的变化规律，为混凝土结构的设计和优化提供了重要参考。