耐久性驱动的纺织增强砂浆寿命末期筛选：残余性能、退化定位与候选循环路径

《Recycling》：Durability-Informed End-of-Life Screening of Textile-Reinforced Mortar: Residual Performance, Degradation Localization, and Candidate Circular Pathways

　　

基于不确定性感知的多尺度评估方法被用于纺织增强砂浆（TRM）的寿命末期决策支持。研究基于三种观察到的残余状态：基体保持率（Rm）、局部拔出/界面相关保持率（Ri）以及TRM-基底/系统粘结保持率（Rb）。研究人员对耐碱玻璃纤维（AR-glass）和玄武岩纤维增强石灰基TRM体系进行了评估，分别在干燥参考条件、蒸馏水、盐水、碱性溶液和酸性溶液中暴露1000、3000和5000小时。残余状态被归一化至时间匹配的干燥参考条件，同时采用10000次样本级自助法重采样量化不确定性。通过跨尺度对比识别退化定位，并设定0.60、0.70和0.80的情景阈值，支撑五种基于性能的寿命末期路径。在24个非参考条件中，13个显示出统计学支持的局部化或分布式退化，而11个仍由不确定性主导。在阈值θ=0.70下，12个条件被归类为继续服役候选，2个为修复/重新粘结候选，7个为回收评估候选，无材料回收/降级利用候选，3个需进一步检测。在5000小时时，暴露于蒸馏水、碱性和酸性环境的玄武岩增强体系一致表现出回收评估模式，即系统级功能退化而较低尺度的观察状态相对保持。在测试的状态、阈值和决策规则下，无任何条件满足特定的C4材料回收/降级利用筛选标准，这意味着这些标准未被满足，而非材料不可回收。敏感性分析证实，替代的基体定义、基线选择和断裂处理未改变模态路径分配，而更严格的不确定性处理将若干案例转向进一步检测。这些结果表明，系统级功能退化未必与较低尺度材料状态的耗竭同时发生。因此，该方法被呈现为一个不确定性感知、基于性能的候选寿命末期路径筛选层：五个类别是透明的、基于规则的筛选假设，用于识别后续评估的候选方案，而不验证再利用、成分回收、可回收性或环境经济效益。

研究背景与问题

纺织增强砂浆（TRM）作为一种结合开放网格织物与无机基体的复合材料，广泛应用于混凝土和砌体结构的加固。其结构贡献依赖于一系列相互作用组件：基体开裂与荷载传递、织物-基体相互作用以及复合材料与基底的锚固。环境暴露可能改变上述任一环节，从而影响安装系统的耐久性。然而，现有耐久性研究很少将残余力学状态转化为寿命末期决策支持。对于循环经济决策而言，耐久性数据只有在能够区分保留效用与特定安装功能丧失时才具有价值。传统方法通常将最弱的测量响应作为优先指标，却忽略了该响应是局部的还是系统性的、精确的还是高度不确定的。此外，单一耐久性评分无法揭示退化是否集中并可针对性修复，还是广泛分布。因此，需要一种能够区分功能寿命末期（安装系统无法提供预期功能）与材料寿命末期（技术上可回收的成分价值耗竭）的证据驱动方法。本研究旨在填补这一空白，开发一种不确定性感知、多尺度的评估框架，将TRM的残余力学状态映射到保守的下一步决策。

研究内容与结论

研究人员基于三种观察到的残余状态——基体保持率（R_m）、局部拔出/界面相关保持率（R_i）以及TRM-基底/系统粘结保持率（R_b），建立了一个从环境暴露到循环寿命末期决策筛选的完整分析流程。研究对耐碱玻璃纤维（AR-glass）和玄武岩纤维增强石灰基TRM体系进行了评估，分别在干燥参考条件、蒸馏水、盐水、碱性溶液和酸性溶液中暴露1000、3000和5000小时。主要结论包括：系统粘结退化是最常见的唯一主导定位，出现在四个条件中；八个条件显示广泛分布的退化，而11个条件仍由不确定性主导。在中心阈值0.70下，性能基础路径分布为：C1继续服役候选12个，C2修复/重新粘结候选2个，C3回收评估候选7个，C4材料回收/降级利用候选0个，C5进一步检测3个。特别值得注意的是，玄武岩增强TRM在5000小时暴露于蒸馏水、碱性和酸性环境下，表现出高度稳健的C3回收评估模式，即系统级功能退化伴随相对保持的较低尺度观察性能。这表明系统级功能退化不必与所有观察到的较低尺度材料状态的同时耗竭重合。

关键技术方法

研究人员采用了以下关键技术方法：（1）时间匹配归一化，将每种环境和持续时间下的残余状态除以同期干燥参考条件，以分离环境作用与材料自然成熟效应；（2）10000次样本级自助法（bootstrap）重采样，使用NumPy PCG64种子20260821，用于量化残余状态的不确定性并获得95%百分位区间；（3）跨尺度退化对比分析，通过计算R_m-R_i、R_i-R_b和R_m-R_b三个对比量，并在联合自助法复制的95%置信区间排除零时认为差异显著，从而确定退化定位；（4）五类循环路径决策框架（C1-C5），基于透明规则集将每个条件分配至相应候选路径；（5）情景阈值敏感性分析，采用0.60、0.70和0.80三个阈值评估决策稳定性。所有实验数据来源于先前发表的同一石灰基材料系列的暴露研究，未进行新的试样测试。

研究结果

3.1 多尺度残余性能：图2展示了所有24个非参考条件的R_m、R_i和R_b值。AR-glass条件总体上保持了与中心C1筛选兼容的配置，尽管多个区间较宽。玄武岩则显示出系统级与较低尺度响应之间的更强分离，其R_i区间普遍较宽，阻止了确定性排序。

3.2 跨尺度退化对比：图3展示了跨尺度对比结果。负的R_m-R_i表示界面相关保持率低于基体保持率，负的R_i-R_b表示系统粘结保持率低于界面相关保持率。统计支持的对比主要集中在系统粘结主导的条件中，而许多玄武岩R_i-R_b区间因高界面散射而跨越零值。

3.3 退化定位：图4的定位图将四个条件分类为系统粘结主导，一个为界面主导，无基体主导，八个为广泛分布。13个条件（54.2%）获得支持的局部化或分布式分类，11个（45.8%）仍由不确定性主导。盐水暴露产生了三个系统粘结主导案例，蒸馏水产生了唯一的界面主导案例。

3.4 时间演化：图5显示轨迹因条件和尺度而异，并非均匀单调。AR-glass的中心情景分配保持C1。玄武岩在几种环境中越来越显示出较低尺度与系统粘结响应的分离，其中玄武岩-盐水提供了最清晰的支持向系统粘结主导退化的进展。

3.5 循环路径分配：在θ=0.70下，图6的决策矩阵分类结果为C1=12，C2=2，C3=7，C4=0，C5=3。两个C2案例为玄武岩-盐水在3000和5000小时。C3包括玄武岩在蒸馏水中所有三个时间点以及在碱性和酸性条件下3000和5000小时的案例。三个C5案例为玄武岩在盐水、碱性和酸性条件下1000小时的暴露。

3.6 稳健的玄武岩5000小时C3模式：图7聚焦玄武岩在5000小时蒸馏水、碱性和酸性条件下的表现。每个条件均结合了降低的R_b与相对保持的较低尺度观察性能，并在所有测试阈值下保持C3分类。这指示系统级功能退化伴随相对保持的观察较低尺度性能，因此证明进一步的回收评估合理。

3.7 稳健性与敏感性：替代的几何平均和最小基体定义未导致任何路径变化。原始GD70运行未引起主要时间匹配路径的变化，移除断裂降级也未改变任何模态分配。14个条件在三个阈值间保持稳定，但仅六个在所有阈值和方法变体中保留一条路径。更严格的0.90不确定性规则将18个非参考阈值-情景分配重定向至C5。十个预定种子的重复分析确认所有24个条件的模态路径相同，边界定位标签和稳健性标签略有种子依赖性。

讨论与结论

讨论部分强调，该框架通过将环境暴露、残余状态、退化定位和决策筛选相连接，扩展了传统耐久性评估。时间匹配归一化首先分离环境效应与同步干态成熟。跨尺度分析随后确定退化是否集中在特定尺度或分布在观察层级中。情景阈值支持基于性能的路径筛选。一个有用的反事实阐明了贡献：如果仅测量R_b，5000小时玄武岩值可能被描述为严重的安装系统功能丧失，移除似乎意味着整个复合材料的寿命末期。但考虑R_m和R_i后，解释发生变化：系统响应低，但测量层级并未显示所有观察较低尺度的同时耗竭。在承认缺失的R_t和R_c状态后，结论再次收窄：成分再利用仍未得到证实。最可辩护的含义既非处置也非再利用，而是回收评估。

研究结论翻译如下：

本研究证明，当残余性能在多个观察尺度上被考虑时，耐久性数据可以为老化TRM系统的寿命末期选项提供更具差异化的筛选。输出是一组供后续评估的候选路径，而非经过验证的循环决策模型。通过结合基体、局部界面相关和系统粘结保持率与不确定性感知的定位和路径筛选，该分析在不声称经实验验证的再利用或可回收性的情况下，区分了功能退化与更广泛的材料耗竭。主要结论包括：观察状态向量R_m、R_i、R_b提供了可行的表示；系统粘结退化是最常见的唯一主导定位；在θ=0.70下路径分布为C1=12、C2=2、C3=7、C4=0、C5=3；玄武岩增强TRM在5000小时暴露于蒸馏水、碱性和酸性环境下表现出高度稳健的C3回收评估模式；无条件满足C4筛选标准；替代定义和处理未改变模态路径分配，而更严格的不确定性处理经常重定向至C5；安装TRM加固系统的功能寿命末期不应自动等同于普遍成分或材料寿命末期。