張嬌艷，貢 力，賈治元，李義強(qiáng)，康春濤

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730070)

0 引 言

我國西北地區(qū)位置特殊，常年干旱缺水，晝夜溫差大，加上不合理灌溉導(dǎo)致地下水位上升，土壤鹽漬化程度加劇。近年來修建的一系列長距離輸水工程如引大入秦、引洮工程等，其輸水隧洞、明渠、分水閘、節(jié)制閘等都是以水工混凝土為主要材料的水工建筑物。在鹽漬干寒的環(huán)境下，水工建筑物的正常服役易出現(xiàn)如凍脹、沉陷、襯砌脫落等問題。因此，研究鹽漬區(qū)水工混凝土耐久性的影響因素對水工建筑物的安全使用具有重要意義。

綜上所述，眾多學(xué)者研究水工混凝土耐久性的影響因素時，多以制備混凝土的原材料、施工過程中的工序?yàn)橹鳎^少開展實(shí)驗(yàn)研究西北鹽漬干寒地區(qū)水工建筑物在服役過程中影響混凝土耐久性的因素。本文在眾多學(xué)者研究基礎(chǔ)上，結(jié)合室內(nèi)加速試驗(yàn)，運(yùn)用改進(jìn)物元可拓模型，以實(shí)際工程為背景，綜合分析服役過程中西北干寒鹽漬地區(qū)水工混凝土耐久性影響因素的大小、排序，以期為西北地區(qū)長距離輸水工程的安全運(yùn)營提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料及配合比

根據(jù)引大入秦施工組織設(shè)計(jì)，結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，加速試驗(yàn)選取符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)[12]品質(zhì)的甘肅省祁連山水泥集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料為蘭州市安寧區(qū)普通河砂，粗骨料采用蘭州華隴商混凝土公司提供的二級配碎石，拌合水采用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的飲用水，無水硫酸鈉、氯化鈉選擇符合相關(guān)規(guī)范。

在設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案前，對引大入秦工程現(xiàn)場鄧家嘴渡槽以及莊浪河渡槽附近的水和土取樣分析，并結(jié)合工程附近天堂水文站的水文氣象資料，根據(jù)日平均最低溫度設(shè)置干濕-凍融循環(huán)，依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL/T 352—2020)[13]并結(jié)合現(xiàn)場水樣分析設(shè)置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的復(fù)鹽溶液(m(Na2SO4) ∶m(NaCl)=7 ∶3)，并設(shè)置清水對照組，引氣劑選取從天然野生植物果實(shí)中提取制成的SY-5型粉狀引氣劑，其主要成分為三萜皂苷，參照引大入秦工程施工組織設(shè)計(jì)，確定水灰比(W/C)為0.45。混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比設(shè)計(jì)Table 1 Mix proportion of concrete

1.2 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

依據(jù)《普通混凝土長期性能及耐久性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50082—2009)[14]，現(xiàn)場澆筑試塊，制備100 mm×100 mm×400 mm的長方體試塊和100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，前者用來測量混凝土動彈性模量和質(zhì)量損失，后者用來測量混凝土的抗壓強(qiáng)度。根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定規(guī)范》(SL 775—2018)[15]，主要測定質(zhì)量、抗壓強(qiáng)度、動彈性模量三類數(shù)據(jù)，試驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 干濕-凍融(-鹽侵)循環(huán)流程圖Fig.1 Flow chart of dry-wet-freeze-thaw (-salt invasion) cycle

測得數(shù)據(jù)后，按照規(guī)范[15]將三類數(shù)據(jù)處理得到質(zhì)量損失率、抗壓強(qiáng)度損失率以及相對動彈性模量，參照規(guī)范[15]，若8次大循環(huán)試驗(yàn)完成前，若出現(xiàn)試塊的質(zhì)量損失率超過5%或抗壓強(qiáng)度損失率超過25%或相對動彈性模量下降至60%三者之一現(xiàn)象時，即評定試塊破壞，提前停止試驗(yàn)[14]。耐久性指標(biāo)數(shù)據(jù)如圖2(清水)、圖3(復(fù)鹽溶液)所示,其中a線表示添加40%的礦粉，b線表示添加30%的粉煤灰，c線表示添加0.016%的引氣劑，d線表示添加0.9 kg/m3的聚丙烯。

如圖2所示，摻合料、外加劑在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)時，隨著大循環(huán)次數(shù)的增加，礦粉、粉煤灰、引氣劑、聚丙烯都會不同程度地影響混凝土的耐久性，但質(zhì)量損失率、抗壓強(qiáng)度損失率、相對動彈性模量并不會同比例上升或下降，b線在圖2的(a)、(b)兩圖中上升最快，在圖2的(c)圖中下降最快，說明在清水中對于混凝土的耐久性影響最大的是粉煤灰，同理可得聚丙烯僅次于粉煤灰。影響因素大小排序?yàn)榉勖夯?聚丙烯>礦粉>引氣劑。如圖3所示，與在清水中類似，在復(fù)鹽溶液中，礦粉、粉煤灰、引氣劑、聚丙烯會不同程度地影響混凝土的耐久性，不同的是，在3個指標(biāo)中，d線聚丙烯上升或下降最快，對其影響最大，也證明了聚丙烯對復(fù)鹽較敏感，影響因素大小排序?yàn)榫郾?粉煤灰>礦粉>引氣劑。

圖2 清水中試樣耐久性指標(biāo)變化Fig.2 Changes of durability index of samples in clean water

圖3 復(fù)鹽溶液中試樣耐久性指標(biāo)變化Fig.3 Changes of durability index of samples in composite salt solution

2 改進(jìn)物元可拓模型

2.1 模型簡介

基本物元可拓模型在運(yùn)算過程中有兩點(diǎn)不足：一是根據(jù)最大隸屬度計(jì)算關(guān)聯(lián)度，待評價對象的模糊性難以反映，且容易損失信息；二是計(jì)算過程中，若某物元的某指標(biāo)值超出節(jié)域范圍時，將無法計(jì)算關(guān)聯(lián)函數(shù)，無法確定結(jié)果。

針對以上不足，采用改進(jìn)物元可拓模型有以下優(yōu)點(diǎn)：一是用貼近度替換最大隸屬度，得到更準(zhǔn)確的結(jié)果；二是對于指標(biāo)值超出節(jié)域時，規(guī)格化處理模型的指標(biāo)和經(jīng)典域，可以克服原有模型缺點(diǎn)。

2.2 模型構(gòu)建

改進(jìn)物元可拓方法的基本步驟是：確定待評定對象的指標(biāo)等級及其劃分范圍，即經(jīng)典域和節(jié)域；對待評價物元、經(jīng)典域、節(jié)域進(jìn)行規(guī)格化處理；確定指標(biāo)的權(quán)重；構(gòu)建貼近度，計(jì)算貼近度值；等級評定。

改進(jìn)物元可拓模型基本步驟如下：

步驟1：確定待評定物元及其經(jīng)典域、節(jié)域。

耐久性影響因素物元可用有序三元組來表示，R=(事物，特征，量值)=(P,C,V)。其中R代表物元，P代表耐久性影響因素，C代表特征，V代表C的量值。令：

(1)

式中：R0為待評定物元；c1,c2,…,cn為P的幾個不同特征；v1，v2，…，vn分別為P0關(guān)于指標(biāo)的實(shí)測值。

令：

(2)

式中：Rj為第j個評價等級;c1，c2，…，cn為P的n個不同特征；v1j，v2j，…，vnj為Pj對應(yīng)于c1，c2，…，cn的取值范圍，即經(jīng)典域；vij的取值范圍邊界為aij和bij。

令：

(3)

式中:P為待評價對象等級的全體；vp1，vp2，…，vpn分別是P對應(yīng)c1，c2，…，cn的取值范圍，即節(jié)域。

步驟2：規(guī)格化處理。

當(dāng)評價指標(biāo)的實(shí)測值超過節(jié)域界限時，需對實(shí)測值規(guī)格化處理。以實(shí)測值為例，極大型指標(biāo)規(guī)格化公式為：

(4)

極小型指標(biāo)規(guī)格化公式為：

(5)

式中：v′i為實(shí)測值規(guī)格化后的值。

步驟3：確定權(quán)重。

采用變權(quán)理論來確定評價指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算評價指標(biāo)權(quán)重的公式為：

(6)

式中：β為變權(quán)因子;為體現(xiàn)各評價指標(biāo)的均衡性，文中β取-1;dimax=max{|vi-aip|,|bip-vi|}；dimin=min{|vi-aip|,|bip-vi|}。

步驟4：構(gòu)建貼近度并計(jì)算。

(7)

式中：N為貼近度；D為距離；wi為權(quán)重。因此待評定物元對應(yīng)于各等級的貼近度為：

(8)

步驟5：等級評定。

由Nj′(R0)=max{Nj(R0)}可得，待評定物元屬于j′等級。令

(9)

可得：

(10)

式中:j*為待評定物元R0的等級變量特征值。通過j*可以判斷待評定物元R0偏向相鄰等級的程度。

3 模型計(jì)算及結(jié)果分析

3.1 研究區(qū)概況

以引大入秦工程作為研究背景，該工程位于西北干寒鹽漬區(qū)，該工程由于輸水距離長，建筑物種類、數(shù)量繁多，地質(zhì)條件復(fù)雜，長時間運(yùn)行后，部分以混凝土材料為主的水工建筑物如引水隧洞、明渠、水閘等已經(jīng)出現(xiàn)沉陷、凍脹、止水老化、襯砌脫落等問題[16]。

3.2 指標(biāo)等級劃分

各指標(biāo)的級別標(biāo)準(zhǔn)參考相關(guān)文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)[3,17]，對水工混凝土耐久性按照缺陷程度劃分為五級，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級，如表2、表3所示。

表2 水工混凝土耐久性等級Table 2 Durability class of hydraulic concrete

表3 耐久性等級標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Class standard of durability

3.3 指標(biāo)實(shí)測值規(guī)格化處理

一級指標(biāo)的選取來源于室內(nèi)加速試驗(yàn)實(shí)測值：質(zhì)量損失率、抗壓強(qiáng)度損失率、相對動彈性模量。二級指標(biāo)的選取如表1所示，例如粉煤灰摻量15%、30%，需在干濕-凍融和干濕-凍融-鹽侵兩種工況下試驗(yàn)，且每種工況下實(shí)測3個數(shù)據(jù)，共12個二級指標(biāo)，其余類似；12個二級指標(biāo)單位不統(tǒng)一，需對指標(biāo)實(shí)測值和等級標(biāo)準(zhǔn)按式(4)、式(5)進(jìn)行規(guī)格化處理。在二級指標(biāo)中，質(zhì)量損失率、抗壓強(qiáng)度損失率屬于極大型指標(biāo)，相對動彈性模量是極小型指標(biāo)。在計(jì)算8次大循環(huán)實(shí)測值及規(guī)格化值時，根據(jù)規(guī)范要求沒有實(shí)測數(shù)據(jù)時，則耐久性指標(biāo)取臨界值，即質(zhì)量損失率取5%，抗壓強(qiáng)度損失率取25%，相對動彈性模量取60%。4次大循環(huán)實(shí)測值原值及規(guī)格化值見表4。

表4 4次大循環(huán)實(shí)測值及規(guī)格化值Table 4 Measured values and normalized values of the fourth times

3.4 待評價物元、經(jīng)典域、節(jié)域的建立

根據(jù)步驟(1)和步驟(2)中的公式，首先由規(guī)格化后的指標(biāo)值建立待評價物元R0再由規(guī)格化后的指標(biāo)等級標(biāo)準(zhǔn)建立經(jīng)典域Rj(j=1,2,3,4,5)，最終由指標(biāo)的取值范圍建立節(jié)域RP，結(jié)果如下：

3.5 變權(quán)法確定權(quán)重

根據(jù)公式(6)，β為變權(quán)因子，反映指標(biāo)的均衡性，文中取β=-1，體現(xiàn)各評價指標(biāo)的均衡性。根據(jù)待評價物元和節(jié)域，由式(6)計(jì)算得到指標(biāo)權(quán)重，4次大循環(huán)礦粉等級距離Dj(vi)和指標(biāo)權(quán)重見表5，其余的算法類似，因篇幅原因未列出。

表5 4次大循環(huán)礦粉等級距離和指標(biāo)權(quán)重Table 5 Grade distances and index weights of the fourth times about slag powder

3.6 結(jié)果分析

貼近度函數(shù)值N(R0)用式(8)計(jì)算，等級變量特征值用式(9)、式(10)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表6、表7所示。

表6 4次大循環(huán)等級貼近度和等級變量特征值Table 6 Grading closeness degree and eigenvalues of grade variables of the fourth times

由表6可知，經(jīng)歷4次大循環(huán)后，等級變量特征值位于2～3.5之間，根據(jù)表2判斷，混凝土有劣化，同時伴有剝落，但發(fā)展較慢。由表7可知，經(jīng)歷8次大循環(huán)后，等級變量特征值位于3.5～4之間，類似地，混凝土劣化較重，稍有外力或震動，即會有掉塊[18]。對表6中4次大循環(huán)后得到的等級變量特征值根據(jù)數(shù)值大小依次排序，得到在干濕-凍融以及干濕-凍融-鹽侵環(huán)境綜合作用下，影響水工混凝土耐久性的因素重要程度為：聚丙烯(3.450 9)>粉煤灰(2.509 0)>礦粉(2.447 2)>引氣劑(2.232 5)；對表7中8次大循環(huán)后的等級變量特征值進(jìn)行排序，其重要程度依次為：聚丙烯(3.936 9)>粉煤灰(3.916 8)>礦粉(3.843 3)>引氣劑(3.535 2)；4次與8次大循環(huán)等級變量特征值排序一致，相互驗(yàn)證其結(jié)論的正確性。

表7 8次大循環(huán)等級貼近度和等級變量特征值Table 7 Grading closeness degree and eigenvalues of grade variables of the eighth times

4 結(jié) 論

(1)通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在清水中，粉煤灰對于混凝土耐久性影響較聚丙烯、礦粉、引氣劑較為顯著，而在復(fù)鹽溶液中，聚丙烯對混凝土耐久性影響最大。

(2)4次大循環(huán)后，依據(jù)等級變量特征值可得，混凝土試塊稍有劣化，并伴有剝落，但發(fā)展較慢，模型判斷結(jié)果與實(shí)際情況相符；歷經(jīng)8次大循環(huán)，混凝土試塊劣化較重，稍有外力或是震動，便會有剝落；并且模型中8次大循環(huán)的等級變量特征值整體大于4次大循環(huán)的等級變量特征值，符合試驗(yàn)實(shí)際情況。

(3)運(yùn)用改進(jìn)物元可拓模型，考慮西北干寒鹽漬地區(qū)的特點(diǎn)，結(jié)合室內(nèi)加速試驗(yàn)，建立了12個典型的二級指標(biāo)，采用變權(quán)法和貼近度克服了信息易損和指標(biāo)值超出節(jié)域的問題。綜合評價后，得到4次大循環(huán)后影響水工混凝土耐久性因素的重要程度為：聚丙烯(3.450 9)>粉煤灰(2.509 0)>礦粉(2.447 2)>引氣劑(2.232 5)。