基于氯離子擴散效應的海洋環境下水工混凝土耐久性研究

劉 闊

(遼寧省清河水庫管理局有限責任公司，沈陽 110000)

海洋環境下水工混凝土耐久性與氯離子擴散效應直接相關，而氯離子是一個隨機擴散的變化過程[1]。目前，模擬氯離子擴散效應最為有效的是隨機學采樣方法。對于海洋環境下的氯離子擴散效應，國內諸多學者從多個角度開展了深入研究，因具有計算參數少、原理簡單、精準度高等優點，SFEM模型被廣泛用于混凝土氯離子擴散效應研究[2-8]。然而，在東北沿海地區特別是海洋環境下應用該模型的還鮮有報道。另外，水工混凝土設計施工時必須考慮氯離子的擴散效應，通過水灰比的合理設計確保水工混凝土耐久性[9]。文章以遼濱沿海經濟區海堤工程為例，采用SFEM模型和原型觀測試驗分析了氯離子擴散效應，并進一步驗證了模型的可行性與計算精度。

1 氯離子擴散效應系數

1.1 基本原理

SFEM模型的計算參數少、原理簡單且精準度高，主要利用隨機學原理模擬氯離子擴散效應，可利用方程(1)計算氯離子擴散系數D(ω)：

D(ω)=D0f(ω)

(1)

式中：D0、f(ω)為參照系數和氯離子影響系數，可以利用公式D0=10-12.6+2.4W/C和f(ω)=f(k,s)計算確定，其中W、C為環境影響參數和綜合影響參數，k、s為裂縫寬度與深度[10]。

采用多因素擬合法和SFEM模型可以建立海洋環境下水工混凝土氯離子擴散隨機方程，具體如下：

(2)

1.2 水工混凝土配比

以遼濱沿海經濟區海堤工程為例，采用SFEM模型和原型觀測試驗分析該水工混凝土的氯離子擴散效應，主要原材料有人工碎石、天然河砂、減水劑和硅酸鹽水泥等，試驗配比見表1。同時，文章設計10組擴散試驗以測定不同條件下的氯離子擴散系數，如表2所示。

表1 水工混凝土試驗配比

續表1 水工混凝土試驗配比

表2 氯離子擴散試驗參數設計

1.3 計算檢驗

通過氯離子原型觀測試驗測定10組水工混凝土試件的氯離子擴散系數，結合試驗結果驗證SFEM模型的模擬精度，見表3和圖1。

表3 氯離子擴散效應模擬結果

(a)擬合度 (b)相關性

由表3可知，對于模擬海洋環境下水工混凝土氯離子擴散系數SFEM模型表現出較強的實用性，與測定值相比模擬誤差處于-9.27%-8.84%之間，絕對誤差均不超過10%，即SFEM模型具有較高的模擬精度。經擬合計算和相關性分析，SFEM模型模擬的擴散系數與試驗測定值高度吻合，相關系數0.826，兩者之間存在顯著正相關性。

2 實例應用

2.1 不同影響因素下的試驗分析

在驗證模型精度的情況下，利用SFEM模型分析水工混凝土氯離子擴散與不同水灰比之間的關系，并進一步揭示氯離子擴散特征，如圖2所示。

因此，影響氯離子擴散系數的主要因素是水工混凝土的水灰比。圖2表明，水灰比越大則氯離子擴散系數越大，相同養護齡期條件下，水灰比較大的水工混凝土其氯離子擴散系數也越大[11-12]。依據擴散特征可知，氯離子擴散看度隨裂縫程度的增加而增大，即氯離子擴散效應受水工混凝土裂縫深度的影響較為明顯。

2.2 不同裂縫特征下的試驗分析

采用SFEM模型分析氯離子縱向和橫向擴散效應受不同裂縫寬度、深度的影響，如圖3、圖4所示。

(a)擴散系數-水灰比 (b)擴散特征

圖3表明，由于裂縫的存在使得海洋環境下水工混凝土的氯離子含量明顯提高，即使裂縫寬度只有0.1mm也明顯提高了縱向混凝土中氯離子含量；不同裂縫寬度情況下，氯離子縱向分布深度均明顯低于橫向，因此裂縫寬度直接影響著氯離子縱向和橫向的擴散傳輸[13]。

(a)縱向分布 (b)橫向分布

圖4表明，氯離子橫向擴散效應受裂縫深度的影響較低。總體而言，裂縫寬度越小則混凝土中各深度范圍內的氯離子含量越低，裂縫深度不大于90mm情況下，縱向不同深度上的氯離子含量有所減小；裂縫寬度超過90mm條件下，裂縫的存在進一步擴大了氯離子擴散范圍，但水平方向上的氯離子擴散效應減弱，即降低了水平方向的氯離子含量[14]。

2.3 相關性分析

根據試驗結果生成混凝土氯離子含量與裂縫寬度、深度的相關性方程，如圖4。圖4表明，混凝土中氯離子擴散系數與裂縫寬度、深度均表現出正指數相關性，相關系數均大于0.80，達到顯著相關水平，該方程也表明氯離子擴散傳輸受水工混凝土裂縫的影響較為明顯。因此，工程設計時必須考慮經長期使用水工混凝土可能出現裂縫的影響，并加強后期的運行維護和管理[15-18]。

(a)擴散系數-裂縫寬度 (b)擴散系數-裂縫深度

3 結 論

1)海洋環境下的氯離子擴散系數受水工混凝土裂縫的影響顯著，應重點關注水灰比合理配制水工混凝土。此外，裂縫寬度只有0.1mm也能明顯提高了混凝土中氯離子含量，對增強氯離子擴散效應具有顯著作用。

2)裂縫深度超過90mm條件下，裂縫的存在進一步擴大了氯離子擴散范圍，但水平方向上的氯離子擴散效應減弱；混凝土中氯離子擴散系數與裂縫寬度、深度均表現出正指數相關性，并達到顯著相關水平。工程設計時必須考慮經長期使用水工混凝土可能出現裂縫的影響，并加強后期的運行維護和管理。