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基于鹽霧環境下灰預測模型的尾礦再生混凝土侵蝕機理與服役壽命研究
《Case Studies in Construction Materials》：Study on the erosion mechanism and service life prediction of tailings recycled concrete based on a grey forecasting model in a salt spray environment
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本研究旨在探究鹽霧環境下尾礦再生混凝土的耐久性能，并提出了一種基于全階時間冪項的灰色預測模型（FOTP-GM(1,1)），結合“強度-質量-彈性模量”多指標競爭失效模型，高效預測了其服役壽命。研究發現，當鐵尾礦摻量為30%時，其預測壽命相較于天然骨料混凝土和再生骨料混凝土分別提升了13.76%和37.29%，為海洋及內陸鹽湖地區利用鐵尾礦制備綠色混凝土的耐久性設計提供了一種輕量化預測工具。
在地球表面71%被海洋覆蓋的廣袤海岸線和內陸鹽湖地區，混凝土結構長期暴露于含氯鹽霧環境中，面臨著嚴峻的耐久性挑戰。與此同時，全球建筑業正致力于低碳轉型，以固體廢棄物資源化利用為核心的尾礦再生混凝土（Tailings Recycled Concrete）展現出巨大潛力。然而，鹽霧中的氯離子會滲透進入混凝土內部，導致其劣化并誘發內部鋼筋腐蝕，嚴重制約了這類綠色建材的長期服役性能。因此，精確預測尾礦再生混凝土在鹽霧環境下的耐久性退化過程與服役壽命，成為了當前可持續建筑材料研究領域的一個關鍵性難題。近期，發表在《Case Studies in Construction Materials》上的一項研究，通過加速鹽霧侵蝕試驗和創新的預測模型，為我們揭示了鐵尾礦摻量如何影響混凝土的耐久性，并提供了一種高效的壽命預測方法。
研究人員為完成此項研究，主要采用了以下幾種關鍵技術方法：首先，通過加速鹽霧侵蝕試驗，對不同鐵尾礦摻量（0%、10%、20%、30%、40%、50%、70%、100%）的再生混凝土試件進行周期性侵蝕，并測量其抗壓強度耐腐蝕系數(Kf)、相對質量評價參數(ξ1)和相對動彈性模量評價參數(ξ2)等耐久性評價參數。其次，針對傳統GM(1,1)灰色預測模型在預測非線性退化序列時的局限性，提出了一種改進的全階時間冪項灰色預測模型（FOTP-GM(1,1)），通過重構背景值來提升模型適應性。最后，基于試驗數據，構建了“強度-質量-彈性模量”多指標競爭失效模型，并以最先達到失效閾值的參數定義其服役壽命，從而系統分析了鐵尾礦摻量對混凝土主導失效路徑和預期使用壽命的影響。
1. 試驗材料與方法
研究使用秦嶺牌普通硅酸鹽水泥（P.O 42.5），骨料包括天然碎石（NCA）、再生粗骨料（RCA）以及來自陜西商洛的鐵尾礦（一種高硅尾礦）。根據先前研究，選定再生骨料替代率為30%，并在此基礎上變化鐵尾礦的替代比例（0%至100%）。所有試件經標準養護后，在60℃烘干24小時，隨后置于5% NaCl溶液中進行連續噴霧的加速鹽霧侵蝕試驗。試驗過程中，依據國家標準測量并計算了三個關鍵耐久性參數：Kf、ξ1和ξ2，并參考喬紅霞教授團隊的研究，設定當這三個參數分別降至75%、95%和60%時，即認為混凝土達到了耐久性失效狀態。
2. 試驗結果分析
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2.1. 耐久性評價參數 Kf, ξ1, ξ2
鹽霧侵蝕對這三個參數的影響均呈現“先增后降”的兩階段特征，轉折點出現在14至28天之間。對于高摻量（70%、100%）的鐵尾礦混凝土，峰值出現在28天；而低摻量混凝土的峰值大多出現在14天。例如，在20%和30%摻量下，Kf、ξ1和ξ2相對于初始值均有不同程度的提升。
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2.2. 衰減系數
從峰值點之后，所有耐久性參數近似呈線性下降。定義從峰值到126天侵蝕后最大下降點的斜率為衰減系數。分析發現，當鐵尾礦摻量在10%至40%之間時，其衰減系數相對較小。100%鐵尾礦摻量的試件衰減系數最高，其抗壓強度和動彈性模量的衰減系數分別是天然骨料混凝土的2.94和2.95倍。這表明過高的尾礦摻量會破壞配合比，增加孔隙率，加速性能退化。
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2.3. 侵蝕機理
結合研究團隊早期對微觀結構和孔隙特征的分析，侵蝕機理可以歸納為：短期內，鹽霧中的氯離子在濃度梯度作用下通過混凝土表面毛細孔向內擴散，反復的蒸發吸濕導致NaCl結晶析出，體積膨脹，暫時填充孔隙，提高了密實度，使早期強度和動彈性模量有所上升。長期來看，孔隙內結晶壓力增大導致微觀結構疏松，一方面結晶壓力產生的局部應力使微裂紋擴展，造成表面“粉化”或“剝落”，導致強度下降和質量損失；另一方面，氯離子與水泥水化產物中的C3A反應生成Friedel鹽，消耗水化產物，同樣降低了密實度和動彈性模量。因此，鹽霧損傷是化學侵蝕（弗里德爾鹽形成）和物理劣化（結晶壓力、孔隙損傷）共同作用的結果。
3. 基于FOTP-GM(1,1)的尾礦再生混凝土耐久壽命預測
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3.1. FOTP-GM(1,1)模型
針對傳統GM(1,1)模型在擬合非線性序列時的缺陷，本研究引入了包含時間冪項的全階灰色預測模型（FOTP-GM(1,1)）。該模型的核心思想是通過累加生成序列，引入時間冪項增強模型擬合度，并采用最小二乘法估計參數。模型結構和參數可根據模擬序列特征動態變化，通過調整階數（h）來尋找最優擬合結構。
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3.2. 預測結果與誤差分析
以30%鐵尾礦摻量的數據為例，通過病態分析確定時間冪項的最大階數為4。對比不同階數模型的擬合效果發現，隨著階數增加，模型對原始序列的擬合度持續改善，殘差減小。當階數為3時，殘差標準差降至0.0870，判定系數達到99.92%，預測值與原始值的相對誤差小于2%。綜合考慮計算精度和效率，最終選用三階多項式模型進行預測。
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3.3. FOTP-GM(1,1)服役壽命預測
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3.3.1. 模型驗證
選取前六個數據點作為原始序列，用第七個數據點驗證模型。計算結果表明，所有工況下模型的判定系數均大于98%，預測值與實測值相對誤差在2%以內，驗證了模型的有效性和適用性。與文獻中纖維混凝土的鹽霧侵蝕數據對比，該模型同樣表現出良好的預測性能。
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3.3.2. 服役壽命預測
基于構建的“強度-質量-彈性模量”多指標競爭失效模型，預測了不同鐵尾礦摻量下混凝土的服役壽命。結果顯示：當鐵尾礦摻量較低（≤30%）時，抗壓強度評價系數Kf主導失效；當摻量較高（>30%）時，相對質量評價參數ξ1主導失效。若僅選擇ξ2作為評價指標，預測的服役壽命普遍偏長，會增加工程結構的侵蝕風險。總體而言，再生骨料混凝土（RAC）的服役壽命最低，而摻入適量（20%-40%）鐵尾礦后，其壽命顯著提高，甚至優于天然骨料混凝土（NAC）。其中，30%為最優摻量，其預測壽命比NAC和RAC分別提高了13.76%和37.29%。
研究結論與討論
本研究通過加速鹽霧侵蝕試驗，系統探究了不同鐵尾礦摻量對再生混凝土耐久性能參數演變規律的影響，并揭示了其侵蝕機理。更為重要的是，針對傳統灰色預測模型在非線性序列預測中的不足，創新性地提出了全階時間冪項灰色預測模型（FOTP-GM(1,1)）。該模型通過重構背景值，有效克服了傳統模型的局限性，預測值與原始值的相對誤差控制在2%以內，顯著提升了預測精度。
基于此模型，研究構建了“強度-質量-彈性模量”多指標競爭失效模型，確立了以最先達到閾值的參數定義服役壽命的準則。這一方法克服了單一指標預測風險大、易誤判的缺點。分析表明，鐵尾礦摻量通過改變混凝土的密實度和孔隙結構，直接影響其主導失效路徑：低摻量（≤30%）時，強度（Kf）是最敏感的參數；高摻量（>30%）時，質量損失（ξ1）成為控制因素。
最終研究發現，30%的鐵尾礦摻量為最優配比，此時混凝土在鹽霧環境下的預測服役壽命達到峰值，相較于天然骨料混凝土和再生骨料混凝土分別提升了13.76%和37.29%。這一結果為鐵尾礦在沿海及內陸鹽湖地區混凝土工程中的資源化、高值化利用提供了關鍵的理論依據和數據支持。同時，本研究提出的FOTP-GM(1,1)預測模型與多指標失效準則，為類似環境下混凝土材料的耐久性設計與壽命預測提供了一套高精度、高效率的輕量化分析工具，對推動建筑行業的綠色低碳發展具有重要的科學價值和工程指導意義。
