一种用于评估含有赤泥的海水海沙再生混凝土断裂性能的预测方法

《Journal of Building Engineering》：A predictive approach for evaluating fracture performance of seawater sea sand recycled concrete incorporating red mud

本研究开发了一种红泥海水海砂再生混凝土（RSRC），通过部分废弃物替代天然材料，采用边界效应模型（BEM）预测其尺寸独立的抗拉强度（ft）和断裂韧性（KIC），实验验证模型准确性，纳米二氧化硅改性后材料性能提升22.1%。

　　

张书杰|杨书童|兰天|陈正远|孙玉香|林迪谦

中国海洋大学工程学院土木工程系，青岛266100

摘要

为了解决天然骨料短缺和传统混凝土生产能耗高的问题，本研究开发了一种利用红泥（RSRC）的海水海砂再生混凝土，该混凝土部分采用了废弃物材料。再生骨料（RA）完全替代了天然粗骨料，海水海砂完全取代了淡水河砂，红泥（RM）替代了50%的水泥。鉴于沿海工程对抗裂性的要求，评估这种可持续混凝土的断裂性能至关重要。传统的断裂力学方法往往忽略了混凝土的固有异质性和不连续性，导致断裂参数依赖于尺寸，限制了其通用性。为了克服这些缺点，本研究采用基于边界效应模型（BEM）的分析方法来确定尺寸独立的抗拉强度（f_t）和断裂韧性（K_IC）。模型中引入了离散数量和介观结构特征参数来描述混凝土的不连续性和异质性，有效消除了尺寸效应。实验验证证实了模型的准确性，预测的f_t和K_IC具有很强的统计一致性和稳健性——偏差均在95%置信区间内。此外，通过两阶段混合方法添加纳米SiO₂提高了基体的密实度和界面粘结性，使f_t和K_IC提高了22.1%。总体而言，所提出的模型为量化异质再生混凝土的断裂行为提供了一个可靠、简洁且尺寸独立的框架。其简单性、稳定性和预测准确性为沿海工程中可持续混凝土结构的设计和性能评估提供了宝贵的指导。

引言

混凝土是最广泛使用的建筑材料之一，主要由普通波特兰水泥（OPC）和天然骨料（NA）组成。然而，OPC的生产消耗了大量自然资源并排放大量温室气体[1]。此外，全球的天然骨料（如砾石和沙子）储量正在迅速减少，过度开采加剧了资源短缺，并导致了严重的环境退化[2]。因此，寻找水泥和天然骨料的可持续替代品迫在眉睫。

近年来，建筑行业和铝生产的快速发展导致了建筑废弃物（CA）和红泥（RM）的大量积累。近年来，使用再生粗骨料（RCA）替代天然粗骨料（NCA）制备再生骨料混凝土（RAC）已成为研究热点。RCA是通过重新破碎和筛分CA获得的。许多研究探讨了RCA的类型和含量对混凝土性能的影响，以评估其作为可持续替代材料的可行性[3]、[4]、[5]、[6]。红泥（RM）是一种碱性固体废弃物，主要通过拜耳工艺产生[7]、[8]。由于其高碱性和含有有毒重金属及放射性元素，大规模填埋或堆放RM会带来严重的环境风险[9]。因此，安全高效地再利用RM是减轻环境负担和促进工业废弃物增值的紧迫任务。研究表明，RM含有大量的非晶态铝硅酸盐物质，这促使许多学者提出将其作为水泥的替代品用于混凝土制备。刘等人[10]进行了微观结构分析，发现RM中的碳酸根离子加速了硅酸钙的水化，促进了钙硅酸氢盐（C-S-H）凝胶的形成。Venkatesh等人[11]报告称，过量的RM与水泥和其他矿物的反应效率低下，减少了初始参与水化过程的粉体材料的比例。

近年来，淡水和河砂资源变得稀缺，各国纷纷出台政策限制沙子和砾石的开采。因此，道路等项目的建设成本逐年上升，给这些地区的建设带来了巨大压力。因此，根据当地条件利用海水（SW）和海沙（SS）可以大幅降低材料和运输成本，同时显著缩短建设周期，减轻资源过度使用的压力。SS的主要成分与河砂相似。先前的研究[12]、[13]、[14]表明，通过适当的配比设计，海水海砂混凝土（SWSSC）可以达到与传统混凝土相当的工作性和长期抗压强度，表明SS可以有效地用作混凝土中的细骨料。马等人[15]系统研究了SS和SW对超高延性水泥基复合材料微观结构和力学性能的影响，展示了建筑废弃物和海洋资源的高价值利用。

目前，许多研究人员对RM、RCA和SS的相关性能进行了全面的理论研究和实际应用，取得了一系列优异成果。然而，每种混凝土中替代的传统混凝土材料的数量和类型有限，阻碍了固体废弃物的大规模利用。迄今为止，尚未有研究同时利用RM、RA、SW和SS来制备混凝土，这为进一步研究提供了广阔的空间。本研究用RCA替代了100%的NCA，用SW和SS替代了100%的淡水河砂，用RM替代了50%的水泥，开发了一种用于沿海工程的红泥海水海砂再生混凝土（RSRC）。然而，在海洋和沿海环境中，一旦混凝土结构出现裂缝，Cl^-等侵蚀性离子会迅速渗透裂缝路径，加速材料降解，导致钢筋腐蚀，缩短使用寿命。对于RSRC而言，其固有的异质性、多孔微观结构和多个界面过渡区进一步增加了裂缝的起始和扩展敏感性。因此，仅依靠抗压强度或 splitting 抗拉强度等传统指标不足以反映其实际服役行为。因此，系统研究其断裂性能对于准确评估RSRC的抗裂性、耐久性和工程适用性至关重要。但RSRC的抗裂性系统评估仍缺乏。赵等人[16]主要关注裂缝起始和扩展的观察，而非定量断裂分析。黄等人[17]提出的概率建模方法仅针对SS-ECC进行了验证，其适用性仍有待研究。因此，研究RSRC的断裂机制对于成功预测组件的使用寿命和确保项目安全至关重要。

需要注意的是，评估断裂性能的关键在于预测模型的精度。抗拉强度（f_t）和断裂韧性（K_IC）是表征裂缝起始和扩展的重要参数，在理解RSRC的断裂行为中起着关键作用。大多数以往[18]、[19]、[20]、[21]、[22]关于f_t和K_IC的研究基于线性弹性断裂力学（LEFM）理论，并假设介质连续，这依赖于材料均匀性和连续性的理想化条件。实际上，混凝土是一种由固体、液体和气体相共存的异质材料。由于骨料的随机分布以及生产过程中存在的孔隙和微裂纹，传统的均匀性假设无法解释RSRC的固有异质性和不连续性。因此，传统方法预测的f_t和K_IC不可避免地受到尺寸效应的影响，限制了它们将小规模测试结果应用于实际结构的准确性[23]。然而，在实验室中制备足够大的试样具有挑战性；因此，必须建立一种与尺寸无关的断裂参数模型。Ba?ant等人[24]提出了尺寸效应定律（SEL）来解释断裂过程中的尺寸效应。但它基于物理尺寸，需要几何相似性和复杂的曲线拟合程序。基于虚拟裂缝模型[25]，胡等人[26]提出了边界效应模型（BEM）[27]、[28]、[29]、[30]、[31]，将尺寸效应归因于试样前后边界对裂缝尖端附近断裂过程区（FPZ）的影响。该模型考虑了材料的异质性和不连续性，并已应用于多种异质材料中，以确定与试样尺寸无关的断裂参数[32]、[33]、[34]。

总之，对于RSRC而言，有三个关键问题需要解决。首先，尽管RSRC对未来工程应用至关重要，但其断裂行为尚未得到系统研究。其次，RSRC的固有异质性需要仔细考虑；然而，大多数现有的断裂模型都基于材料均匀性的假设。第三，RSRC的断裂参数的尺寸效应尚未解决。因此，严格表征f_t和K_IC对于准确评估RSRC的断裂性能至关重要。本研究的目的是基于BEM开发一个分析模型，以确定RSRC的尺寸独立的f_t和K_IC。通过三点弯曲试验，研究了RSRC的断裂机制，并对其抗裂性进行了定量评估。此外，为了增强RCA并进一步提高RSRC的整体性能，提出了多种改性方法，包括机械去除、酸预处理、气体固化、微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术增强、聚合物浸渍、无机粘结浆包裹和纳米二氧化硅（NS）改性[35]。在本研究中，选择NS作为改性剂制备了NS改性的RSRC（NSRSRC）。随后，使用所提出的分析模型确定了NSRSRC的尺寸独立的f_t和K_IC，从而阐明了NS改性对其断裂行为的影响。

原材料

本研究使用由魏桥铝业有限公司（中国山东省滨州市邹平）提供的拜耳红泥制备混凝土。通过X射线荧光（XRF）分析确定了RM的化学成分，详见表1。原始拜耳RM具有颗粒状纹理和红橙色外观，这是由于其高铁离子含量所致。颗粒形态和微观结构特征分别如图1和图2所示。P·O 42.5

基于BEM的f_t和K_IC的封闭形式解

本研究基于BEM [26]、[31]的理论基础，通过考虑三点弯曲梁临界状态下的力平衡条件，建立了f_t和K_IC的封闭形式解。BEM考虑了初始裂缝长度（a₀）的影响，并定义了裂缝尖端的名义应力（σ_n）。根据BEM，尺寸效应是裂缝尖端与试样边界相互作用的结果

a₀/h对预测的f_t和K_IC的影响

为了验证所提出的RSRC断裂模型中预测的f_t和K_IC的尺寸独立性，图13展示了不同初始缺口长度与深度比a₀/h对应的断裂参数变化。散点代表每个试样组的平均值，误差条表示每个组内的最小值和最大值范围。如图13所示，对于给定的材料类型，f_t和K_IC都在一个狭窄的范围内波动

结论

本研究探讨了RSRC的断裂性能，并开发了一个基于BEM的封闭形式模型，仅使用F_max来估计尺寸独立的f_t和K_IC，使其适用于准脆性材料。此外，添加了NS作为改性剂，研究了其对RSRC抗裂性的影响，为RSRC的断裂性能评估提供了理论基础和工程应用价值。具体结论如下。

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基本

CRediT作者贡献声明

兰天：数据整理。陈正远：数据整理。孙玉香：数据整理。张书杰：写作——初稿撰写、正式分析、数据整理。杨书童：写作——审阅与编辑、监督、方法学、资金获取、正式分析、概念化。林迪谦：数据整理

利益冲突声明

■作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号52178259）的资助。