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(kuò)散影響較大，而水工混凝土中氯離子的擴(kuò)散是隨機(jī)變化的過程，采樣隨機(jī)學(xué)方法對沿海地區(qū)水工混凝土中氯離子擴(kuò)散效應(yīng)進(jìn)行模擬是較為有效的途徑。國內(nèi)有不少學(xué)者對沿海地區(qū)混凝土中氯離子擴(kuò)散效應(yīng)進(jìn)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(kuò)散效應(yīng)中得到應(yīng)用[6- 9]。但該模型在遼寧沿海地區(qū)應(yīng)用還不多見，當(dāng)前在沿海地區(qū)水工混凝土施工設(shè)計時，需要對混凝土中氯離子的擴(kuò)散進(jìn)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(jié)合SFEM模型，以遼寧沿海某區(qū)域?yàn)楣こ虒?shí)例，對該區(qū)域水工混凝土中氯離子擴(kuò)散效應(yīng)進(jìn)行模擬，并結(jié)合原型觀測試驗(yàn)方式對模型進(jìn)行驗(yàn)證。

2 SFEM模型原理

SFEM模型基于隨機(jī)學(xué)的方法來模擬混凝土中氯離子的擴(kuò)散效應(yīng)，SFEM模型計算原理較為簡單，模型擴(kuò)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(kuò)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(jié)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(kuò)散隨機(jī)方程為：

(3)

其中氯離子擴(kuò)散影響系數(shù)的表達(dá)式為：

f(ω)=f(k，s)

(4)

式中，k—裂縫寬度；s—裂縫深度。

3 工程實(shí)例探究

3.1 試驗(yàn)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(shí)例，對該水工混凝土進(jìn)行了采樣和原型觀測試驗(yàn)，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(jìn)行了10組擴(kuò)散試驗(yàn)，對各試驗(yàn)中氯離子進(jìn)行了測定，擴(kuò)散試驗(yàn)設(shè)計參數(shù)結(jié)果見表2。

表1 試驗(yàn)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(kuò)散試驗(yàn)主要設(shè)計參數(shù) 單位：mm

3.2 SFEM模型驗(yàn)證

驗(yàn)證進(jìn)行了10組氯離子的觀測試驗(yàn)，并對各試驗(yàn)組件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了測定，結(jié)合試驗(yàn)測定結(jié)果對模型進(jìn)行驗(yàn)證，模型驗(yàn)證結(jié)果見表3，如圖1所示。

表3 SFEM模型在氯離子擴(kuò)散效應(yīng)模擬的驗(yàn)證結(jié)果

圖1 SFEM模型驗(yàn)證結(jié)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(kuò)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(guān)度上，SFEM模型都通過了驗(yàn)證，計算值和試驗(yàn)測定的擴(kuò)散系數(shù)吻合度較高，相關(guān)系數(shù)在0.7以上，屬于高度正相關(guān)。

3.3 不同影響要素下的氯離子擴(kuò)散效應(yīng)模擬試驗(yàn)

在SFEM模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，結(jié)合SFEM模型分析不同水灰比對水工混凝土氯離子擴(kuò)散的影響，并對擴(kuò)散特征進(jìn)行了分析，分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同影響因素下的混凝土氯離子擴(kuò)散效應(yīng)模擬試驗(yàn)結(jié)果

水工混凝土中的水灰比是氯離子擴(kuò)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(kuò)散系數(shù)越大。在同一個水工混凝土養(yǎng)護(hù)期，水灰比越大的水工混凝土，氯離子擴(kuò)散系數(shù)相應(yīng)越大。從擴(kuò)散特征過程可以看出，隨著裂縫深度增加，其擴(kuò)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(kuò)散效應(yīng)影響較為明顯。

3.4 裂縫表征對氯離子擴(kuò)散分布影響試驗(yàn)分析

結(jié)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(kuò)散效應(yīng)的影響，如圖3、4所示。

圖3 裂縫寬度對氯離子不同擴(kuò)散方向影響試驗(yàn)結(jié)果

圖4 裂縫深度對氯離子不同擴(kuò)散方向影響試驗(yàn)結(jié)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(dá)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(dá)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?？梢娨欢▽挾鹊牧芽p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(kuò)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(kuò)散效應(yīng)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(dāng)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(dāng)深度>90mm時，氯離子擴(kuò)散范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，并使得氯離子沿水平方向氯離子擴(kuò)散效應(yīng)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(guān)性擬合分析

結(jié)合試驗(yàn)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(guān)性方程，如圖5所示。

圖5 裂縫表征與氯離子擴(kuò)散系數(shù)相關(guān)性擬合分析結(jié)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(kuò)散系數(shù)都呈現(xiàn)正指數(shù)相關(guān)關(guān)系，裂縫深度及裂縫寬度與混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)均在0.7以上，相關(guān)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(kuò)散存在較為明顯的傳輸影響。在工程設(shè)計中應(yīng)重點(diǎn)考慮水工混凝土在長期運(yùn)行后產(chǎn)生的裂縫寬度和深度。運(yùn)行后期應(yīng)加大水工混凝土運(yùn)行保養(yǎng)和維護(hù)。

4 結(jié)論

(1)水灰比對混凝土擴(kuò)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(shè)計配比要重點(diǎn)關(guān)注該項(xiàng)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(kuò)散增強(qiáng)效應(yīng)顯著。

(3)裂縫深度超過90mm，混凝土中氯離子擴(kuò)散減弱效應(yīng)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?；炷林新入x子擴(kuò)散系數(shù)呈現(xiàn)較為明顯的正指數(shù)相關(guān)。

[1] 林陳安攀. 考慮鋼筋阻滯效應(yīng)的混凝土構(gòu)件氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)及耐久性研究[D]. 天津大學(xué), 2014.

[2] 吳立朋. 表層混凝土氯離子擴(kuò)散性能及其測試方法研究[D]. 清華大學(xué), 2012.

[3] 曲利. 拉西瓦水電站工程保持混凝土含氣量提高混凝土耐久性的試驗(yàn)研究[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 201018(05): 47- 49.

[4] 黃華縣. 海砂混凝土耐久性試驗(yàn)研究[D]. 暨南大學(xué), 2007.

[5] 陳雯龍. 水工混凝土耐久性影響因素分析及防治措施[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計, 2011(05): 35- 38.

[6] 吳燁, 朱雅仙, 劉建忠. 混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)時變性規(guī)律與計算模型適用性分析[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報, 2012(03): 50- 55.

[7] 吳立朋. 表層混凝土氯離子擴(kuò)散性能及其測試方法研究[D]. 清華大學(xué), 2012.

[8] 延永東. 氯離子在損傷及開裂混凝土內(nèi)的輸運(yùn)機(jī)理及作用效應(yīng)[D]. 浙江大學(xué), 2011.

[9] 王前, 張鑫, 傅日榮. 計算混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)用方法[J]. 山東建筑大學(xué)學(xué)報, 2006(04): 288- 290.