隧道矿渣混凝土中骨料形状对湿氯耦合传输影响的LLM驱动模拟研究

本研究针对隧道矿渣混凝土在干湿循环条件下抗氯离子侵蚀性能不足的问题，通过大型语言模型(LLM)生成MATLAB代码构建圆形/椭圆形/多边形骨料模型，开发了细观尺度湿氯耦合传输有限元模型。研究发现多边形骨料能显著提升传输路径曲折度，20%石粉掺量使27.5mm深度氯离子含量降低82.3%，为极端环境基础设施耐久性设计提供新范式。

　　

在高原极端气候区，隧道矿渣作为混凝土骨料的全替代方案既能实现碳中和目标，又能解决偏远地区建材短缺难题。然而这种环保混凝土面临严峻挑战——干湿循环作用下氯离子加速渗透会导致钢筋锈蚀，严重威胁结构安全。传统模型难以捕捉矿渣骨料特有的多棱角形态对传输路径的影响，且人工编写随机骨料模型代码耗时费力。

江苏省杰出青年科学基金等项目支持下，研究人员创新性地采用大型语言模型(DeepSeek-R1)自动生成MATLAB代码，构建了圆形、椭圆形和多边形三种骨料的细观模型。通过有限元分析揭示了骨料形状与湿氯传输的关联机制，发现多边形骨料能使氯离子预测准确度提升23.7%，20%石粉掺量可显著增强氯离子结合能力。相关成果发表于《Powder Technology》。

关键技术包括：(1)LLM驱动的100mm立方体代表体积单元(RVE)建模，含60%骨料体积分数和5μm界面过渡区(ITZ)；(2)干湿循环实验验证(50次循环)；(3)非饱和状态下湿干时间比与初始饱和度参数的有限元反演。

【骨料形状对传输特性的影响】
多边形骨料使氯离子扩散系数降低19.8%，其棱角特征显著增加传输路径曲折度。在2.5mm深度处，多边形模型预测误差仅±0.37kg/m³，较圆形模型精度提升2.4倍。

【石粉掺量效应】
20%石粉(SP20%)使27.5mm深度氯离子含量从7.15kg/m³降至1.26kg/m³，表面结合能增加导致深层渗透率下降82.3%。

【非饱和状态预测模型】
建立的湿干比-饱和度耦合方程显示：当湿干时间比从1:2增至1:1时，25mm处氯离子积累量增加41.7%；初始饱和度60%工况下，传输速率比饱和状态降低53.2%。

该研究开创了LLM在土木工程细观建模中的应用范式，证实骨料形态设计可成为提升混凝土耐久性的新策略。通过量化石粉掺量与骨料形状的协同效应，为极端环境工程提供了精准的寿命预测工具。特别是多边形骨料模型对非饱和状态的适应性，解决了传统饱和模型在干湿循环条件下的失效问题，对推动绿色混凝土在青藏高原等特殊地区的应用具有重要实践价值。