【文档1：20260223170541_29b003e18c2a4e79bebd085609f70db1.txt】 基于盐雾环境下灰预测模型的尾矿再生混凝土侵蚀机理与服役寿命研究

《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

本研究旨在探究盐雾环境下尾矿再生混凝土的耐久性能，并提出了一种基于全阶时间幂项的灰色预测模型（FOTP-GM(1,1)），结合“强度-质量-弹性模量”多指标竞争失效模型，高效预测了其服役寿命。研究发现，当铁尾矿掺量为30%时，其预测寿命相较于天然骨料混凝土和再生骨料混凝土分别提升了13.76%和37.29%，为海洋及内陆盐湖地区利用铁尾矿制备绿色混凝土的耐久性设计提供了一种轻量化预测工具。

　　

在地球表面71%被海洋覆盖的广袤海岸线和内陆盐湖地区，混凝土结构长期暴露于含氯盐雾环境中，面临着严峻的耐久性挑战。与此同时，全球建筑业正致力于低碳转型，以固体废弃物资源化利用为核心的尾矿再生混凝土（Tailings Recycled Concrete）展现出巨大潜力。然而，盐雾中的氯离子会渗透进入混凝土内部，导致其劣化并诱发内部钢筋腐蚀，严重制约了这类绿色建材的长期服役性能。因此，精确预测尾矿再生混凝土在盐雾环境下的耐久性退化过程与服役寿命，成为了当前可持续建筑材料研究领域的一个关键性难题。近期，发表在《Case Studies in Construction Materials》上的一项研究，通过加速盐雾侵蚀试验和创新的预测模型，为我们揭示了铁尾矿掺量如何影响混凝土的耐久性，并提供了一种高效的寿命预测方法。

研究人员为完成此项研究，主要采用了以下几种关键技术方法：首先，通过加速盐雾侵蚀试验，对不同铁尾矿掺量（0%、10%、20%、30%、40%、50%、70%、100%）的再生混凝土试件进行周期性侵蚀，并测量其抗压强度耐腐蚀系数(K_f)、相对质量评价参数(ξ₁)和相对动弹性模量评价参数(ξ₂)等耐久性评价参数。其次，针对传统GM(1,1)灰色预测模型在预测非线性退化序列时的局限性，提出了一种改进的全阶时间幂项灰色预测模型（FOTP-GM(1,1)），通过重构背景值来提升模型适应性。最后，基于试验数据，构建了“强度-质量-弹性模量”多指标竞争失效模型，并以最先达到失效阈值的参数定义其服役寿命，从而系统分析了铁尾矿掺量对混凝土主导失效路径和预期使用寿命的影响。

1. 试验材料与方法

研究使用秦岭牌普通硅酸盐水泥（P.O 42.5），骨料包括天然碎石（NCA）、再生粗骨料（RCA）以及来自陕西商洛的铁尾矿（一种高硅尾矿）。根据先前研究，选定再生骨料替代率为30%，并在此基础上变化铁尾矿的替代比例（0%至100%）。所有试件经标准养护后，在60℃烘干24小时，随后置于5% NaCl溶液中进行连续喷雾的加速盐雾侵蚀试验。试验过程中，依据国家标准测量并计算了三个关键耐久性参数：K_f、ξ₁和ξ₂，并参考乔红霞教授团队的研究，设定当这三个参数分别降至75%、95%和60%时，即认为混凝土达到了耐久性失效状态。

2. 试验结果分析

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  2.1. 耐久性评价参数 K_f, ξ₁, ξ₂
  盐雾侵蚀对这三个参数的影响均呈现“先增后降”的两阶段特征，转折点出现在14至28天之间。对于高掺量（70%、100%）的铁尾矿混凝土，峰值出现在28天；而低掺量混凝土的峰值大多出现在14天。例如，在20%和30%掺量下，K_f、ξ₁和ξ₂相对于初始值均有不同程度的提升。
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  2.2. 衰减系数
  从峰值点之后，所有耐久性参数近似呈线性下降。定义从峰值到126天侵蚀后最大下降点的斜率为衰减系数。分析发现，当铁尾矿掺量在10%至40%之间时，其衰减系数相对较小。100%铁尾矿掺量的试件衰减系数最高，其抗压强度和动弹性模量的衰减系数分别是天然骨料混凝土的2.94和2.95倍。这表明过高的尾矿掺量会破坏配合比，增加孔隙率，加速性能退化。
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  2.3. 侵蚀机理
  结合研究团队早期对微观结构和孔隙特征的分析，侵蚀机理可以归纳为：短期内，盐雾中的氯离子在浓度梯度作用下通过混凝土表面毛细孔向内扩散，反复的蒸发吸湿导致NaCl结晶析出，体积膨胀，暂时填充孔隙，提高了密实度，使早期强度和动弹性模量有所上升。长期来看，孔隙内结晶压力增大导致微观结构疏松，一方面结晶压力产生的局部应力使微裂纹扩展，造成表面“粉化”或“剥落”，导致强度下降和质量损失；另一方面，氯离子与水泥水化产物中的C₃A反应生成Friedel盐，消耗水化产物，同样降低了密实度和动弹性模量。因此，盐雾损伤是化学侵蚀（弗里德尔盐形成）和物理劣化（结晶压力、孔隙损伤）共同作用的结果。

3. 基于FOTP-GM(1,1)的尾矿再生混凝土耐久寿命预测

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  3.1. FOTP-GM(1,1)模型
  针对传统GM(1,1)模型在拟合非线性序列时的缺陷，本研究引入了包含时间幂项的全阶灰色预测模型（FOTP-GM(1,1)）。该模型的核心思想是通过累加生成序列，引入时间幂项增强模型拟合度，并采用最小二乘法估计参数。模型结构和参数可根据模拟序列特征动态变化，通过调整阶数（h）来寻找最优拟合结构。
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  3.2. 预测结果与误差分析
  以30%铁尾矿掺量的数据为例，通过病态分析确定时间幂项的最大阶数为4。对比不同阶数模型的拟合效果发现，随着阶数增加，模型对原始序列的拟合度持续改善，残差减小。当阶数为3时，残差标准差降至0.0870，判定系数达到99.92%，预测值与原始值的相对误差小于2%。综合考虑计算精度和效率，最终选用三阶多项式模型进行预测。
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  3.3. FOTP-GM(1,1)服役寿命预测
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    3.3.1. 模型验证
    选取前六个数据点作为原始序列，用第七个数据点验证模型。计算结果表明，所有工况下模型的判定系数均大于98%，预测值与实测值相对误差在2%以内，验证了模型的有效性和适用性。与文献中纤维混凝土的盐雾侵蚀数据对比，该模型同样表现出良好的预测性能。
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    3.3.2. 服役寿命预测
    基于构建的“强度-质量-弹性模量”多指标竞争失效模型，预测了不同铁尾矿掺量下混凝土的服役寿命。结果显示：当铁尾矿掺量较低（≤30%）时，抗压强度评价系数K_f主导失效；当掺量较高（>30%）时，相对质量评价参数ξ₁主导失效。若仅选择ξ₂作为评价指标，预测的服役寿命普遍偏长，会增加工程结构的侵蚀风险。总体而言，再生骨料混凝土（RAC）的服役寿命最低，而掺入适量（20%-40%）铁尾矿后，其寿命显著提高，甚至优于天然骨料混凝土（NAC）。其中，30%为最优掺量，其预测寿命比NAC和RAC分别提高了13.76%和37.29%。

研究结论与讨论

本研究通过加速盐雾侵蚀试验，系统探究了不同铁尾矿掺量对再生混凝土耐久性能参数演变规律的影响，并揭示了其侵蚀机理。更为重要的是，针对传统灰色预测模型在非线性序列预测中的不足，创新性地提出了全阶时间幂项灰色预测模型（FOTP-GM(1,1)）。该模型通过重构背景值，有效克服了传统模型的局限性，预测值与原始值的相对误差控制在2%以内，显著提升了预测精度。

基于此模型，研究构建了“强度-质量-弹性模量”多指标竞争失效模型，确立了以最先达到阈值的参数定义服役寿命的准则。这一方法克服了单一指标预测风险大、易误判的缺点。分析表明，铁尾矿掺量通过改变混凝土的密实度和孔隙结构，直接影响其主导失效路径：低掺量（≤30%）时，强度（K_f）是最敏感的参数；高掺量（>30%）时，质量损失（ξ₁）成为控制因素。

最终研究发现，30%的铁尾矿掺量为最优配比，此时混凝土在盐雾环境下的预测服役寿命达到峰值，相较于天然骨料混凝土和再生骨料混凝土分别提升了13.76%和37.29%。这一结果为铁尾矿在沿海及内陆盐湖地区混凝土工程中的资源化、高值化利用提供了关键的理论依据和数据支持。同时，本研究提出的FOTP-GM(1,1)预测模型与多指标失效准则，为类似环境下混凝土材料的耐久性设计与寿命预测提供了一套高精度、高效率的轻量化分析工具，对推动建筑行业的绿色低碳发展具有重要的科学价值和工程指导意义。