沿海地區(qū)水工混凝土中氯離子擴散效應模擬試驗研究

汪海龍

(大石橋市水利工程移民局，遼寧 營口 115100)

1 概述

沿海地區(qū)的水工混凝土由于受海水環(huán)境影響，其穩(wěn)定性受到氯離子擴散影響較大，而水工混凝土中氯離子的擴散是隨機變化的過程，采樣隨機學方法對沿海地區(qū)水工混凝土中氯離子擴散效應進行模擬是較為有效的途徑。國內(nèi)有不少學者對沿海地區(qū)混凝土中氯離子擴散效應進行研究[1- 5]，SFEM模型由于計算原理簡單，模型參數(shù)較少，近些年來，在混凝土氯離子擴散效應中得到應用[6- 9]。但該模型在遼寧沿海地區(qū)應用還不多見，當前在沿海地區(qū)水工混凝土施工設計時，需要對混凝土中氯離子的擴散進行估計，確定合理的水灰系數(shù)，保證水工混凝土的耐久性。為此本文結合SFEM模型，以遼寧沿海某區(qū)域為工程實例，對該區(qū)域水工混凝土中氯離子擴散效應進行模擬，并結合原型觀測試驗方式對模型進行驗證。

2 SFEM模型原理

SFEM模型基于隨機學的方法來模擬混凝土中氯離子的擴散效應，SFEM模型計算原理較為簡單，模型擴散系數(shù)計算方程為：

D(ω)=D0f(ω)

(1)

式中，D(ω)—水工混凝土中氯離子的擴散系數(shù)；f(ω)—氯離子影響系數(shù)；D0—參照系數(shù)，其中D0的計算方程為：

D0=10-12.6+2.4W/C

(2)

式中，W—環(huán)境影響參數(shù)；C—綜合影響參數(shù)。

SFEM模型結合多因素擬合方法，得到沿海地區(qū)水工混凝土氯離子的擴散隨機方程為：

(3)

其中氯離子擴散影響系數(shù)的表達式為：

f(ω)=f(k，s)

(4)

式中，k—裂縫寬度；s—裂縫深度。

3 工程實例探究

3.1 試驗配比參數(shù)

本文以遼寧沿海某區(qū)域水工混凝土為工程實例，對該水工混凝土進行了采樣和原型觀測試驗，其原材料為硅酸鹽水泥，配以中砂和碎石作為骨料，主要配比參數(shù)見表1。此外進行了10組擴散試驗，對各試驗中氯離子進行了測定，擴散試驗設計參數(shù)結果見表2。

表1 試驗水工混凝土主要配比參數(shù) 單位：kg/m3

表2 水工混凝土氯離子擴散試驗主要設計參數(shù) 單位：mm

3.2 SFEM模型驗證

驗證進行了10組氯離子的觀測試驗，并對各試驗組件的氯離子擴散系數(shù)進行了測定，結合試驗測定結果對模型進行驗證，模型驗證結果見表3，如圖1所示。

表3 SFEM模型在氯離子擴散效應模擬的驗證結果

圖1 SFEM模型驗證結果

從表3中可以看出，SFEM模型在區(qū)域水工混凝土中氯離子擴散系數(shù)模擬具有較好的適用性，計算誤差在-2.21%～-9.36%之間，計算誤差小于10%，計算精度較高。從圖1可以看出，在過程擬合度和相關度上，SFEM模型都通過了驗證，計算值和試驗測定的擴散系數(shù)吻合度較高，相關系數(shù)在0.7以上，屬于高度正相關。

3.3 不同影響要素下的氯離子擴散效應模擬試驗

在SFEM模型驗證的基礎上，結合SFEM模型分析不同水灰比對水工混凝土氯離子擴散的影響，并對擴散特征進行了分析，分析結果如圖2所示。

圖2 不同影響因素下的混凝土氯離子擴散效應模擬試驗結果

水工混凝土中的水灰比是氯離子擴散系數(shù)變化的主要影響要素，從圖2中可以看出，水灰比越大，擴散系數(shù)越大。在同一個水工混凝土養(yǎng)護期，水灰比越大的水工混凝土，氯離子擴散系數(shù)相應越大。從擴散特征過程可以看出，隨著裂縫深度增加，其擴散寬度逐步加大，這表明水工混凝土的裂縫深度對混凝土中氯離子的擴散效應影響較為明顯。

3.4 裂縫表征對氯離子擴散分布影響試驗分析

結合SFEM模型分析裂縫寬度和深度對縱向和水平方向氯離子擴散效應的影響，如圖3、4所示。

圖3 裂縫寬度對氯離子不同擴散方向影響試驗結果

圖4 裂縫深度對氯離子不同擴散方向影響試驗結果

從圖3可以看出，混凝土的裂縫明顯提高了遼寧沿海水工混凝土中的氯離子含量。裂縫寬度達到0.1mm時，不同深度下水工混凝土中氯離子的含量明顯提高。在裂縫深度達到90mm時，其水平方向氯離子含量明顯高于其他區(qū)域的氯離子含量。可見一定寬度的裂縫對遼寧沿海地區(qū)水工混凝土水平和縱向方向上的氯離子擴散傳輸有直接影響。從圖4可以看出，裂縫深度對氯離子縱向擴散效應影響較小。裂縫深度越小，不同深度下遼寧沿海地區(qū)水工混凝土中氯離子含量越小，當混凝土裂縫深度在90mm時，其不同縱向深度范圍的氯離子含量都呈現(xiàn)一定程度的減小;當深度>90mm時，氯離子擴散范圍進一步擴大，并使得氯離子沿水平方向氯離子擴散效應減弱，氯離子的含量被有所削減。

3.5 裂縫表征與氯離子相關性擬合分析

結合試驗成果，建立了裂縫深度以及裂縫寬度與混凝土中氯離子含量的相關性方程，如圖5所示。

圖5 裂縫表征與氯離子擴散系數(shù)相關性擬合分析結果

從圖5可以看出裂縫深度和裂縫寬度與混凝土中氯離子的擴散系數(shù)都呈現(xiàn)正指數(shù)相關關系，裂縫深度及裂縫寬度與混凝土中氯離子擴散系數(shù)之間的相關系數(shù)均在0.7以上，相關度較高，從該指數(shù)方程也可以表明水工混凝土裂縫的存在對氯離子的擴散存在較為明顯的傳輸影響。在工程設計中應重點考慮水工混凝土在長期運行后產(chǎn)生的裂縫寬度和深度。運行后期應加大水工混凝土運行保養(yǎng)和維護。

4 結論

(1)水灰比對混凝土擴散系數(shù)影響較為明顯，遼寧沿海地區(qū)水工混凝土工程設計配比要重點關注該項參數(shù)。

(2)裂縫度寬度超過0.1mm，混凝土中氯離子含量增加明顯，對遼寧沿海地區(qū)水工混凝土中氯離子擴散增強效應顯著。

(3)裂縫深度超過90mm，混凝土中氯離子擴散減弱效應明顯，水平方向氯離子含量有所降低，裂縫深度及寬度與遼寧沿海混凝土中氯離子擴散系數(shù)呈現(xiàn)較為明顯的正指數(shù)相關。

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