基于氯離子擴(kuò)散效應(yīng)的海洋環(huán)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(zé)任公司，沈陽 110000)

海洋環(huán)境下水工混凝土耐久性與氯離子擴(kuò)散效應(yīng)直接相關(guān)，而氯離子是一個(gè)隨機(jī)擴(kuò)散的變化過程[1]。目前，模擬氯離子擴(kuò)散效應(yīng)最為有效的是隨機(jī)學(xué)采樣方法。對于海洋環(huán)境下的氯離子擴(kuò)散效應(yīng)，國內(nèi)諸多學(xué)者從多個(gè)角度開展了深入研究，因具有計(jì)算參數(shù)少、原理簡單、精準(zhǔn)度高等優(yōu)點(diǎn)，SFEM模型被廣泛用于混凝土氯離子擴(kuò)散效應(yīng)研究[2-8]。然而，在東北沿海地區(qū)特別是海洋環(huán)境下應(yīng)用該模型的還鮮有報(bào)道。另外，水工混凝土設(shè)計(jì)施工時(shí)必須考慮氯離子的擴(kuò)散效應(yīng)，通過水灰比的合理設(shè)計(jì)確保水工混凝土耐久性[9]。文章以遼濱沿海經(jīng)濟(jì)區(qū)海堤工程為例，采用SFEM模型和原型觀測試驗(yàn)分析了氯離子擴(kuò)散效應(yīng)，并進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的可行性與計(jì)算精度。

1 氯離子擴(kuò)散效應(yīng)系數(shù)

1.1 基本原理

SFEM模型的計(jì)算參數(shù)少、原理簡單且精準(zhǔn)度高，主要利用隨機(jī)學(xué)原理模擬氯離子擴(kuò)散效應(yīng)，可利用方程(1)計(jì)算氯離子擴(kuò)散系數(shù)D(ω)：

D(ω)=D0f(ω)

(1)

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

采用多因素?cái)M合法和SFEM模型可以建立海洋環(huán)境下水工混凝土氯離子擴(kuò)散隨機(jī)方程，具體如下：

(2)

1.2 水工混凝土配比

以遼濱沿海經(jīng)濟(jì)區(qū)海堤工程為例，采用SFEM模型和原型觀測試驗(yàn)分析該水工混凝土的氯離子擴(kuò)散效應(yīng)，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(yàn)配比見表1。同時(shí)，文章設(shè)計(jì)10組擴(kuò)散試驗(yàn)以測定不同條件下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，如表2所示。

表1 水工混凝土試驗(yàn)配比

續(xù)表1 水工混凝土試驗(yàn)配比

表2 氯離子擴(kuò)散試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

1.3 計(jì)算檢驗(yàn)

通過氯離子原型觀測試驗(yàn)測定10組水工混凝土試件的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證SFEM模型的模擬精度，見表3和圖1。

表3 氯離子擴(kuò)散效應(yīng)模擬結(jié)果

(a)擬合度 (b)相關(guān)性

由表3可知，對于模擬海洋環(huán)境下水工混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)SFEM模型表現(xiàn)出較強(qiáng)的實(shí)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(jīng)擬合計(jì)算和相關(guān)性分析，SFEM模型模擬的擴(kuò)散系數(shù)與試驗(yàn)測定值高度吻合，相關(guān)系數(shù)0.826，兩者之間存在顯著正相關(guān)性。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 不同影響因素下的試驗(yàn)分析

在驗(yàn)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(kuò)散與不同水灰比之間的關(guān)系，并進(jìn)一步揭示氯離子擴(kuò)散特征，如圖2所示。

因此，影響氯離子擴(kuò)散系數(shù)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(kuò)散系數(shù)越大，相同養(yǎng)護(hù)齡期條件下，水灰比較大的水工混凝土其氯離子擴(kuò)散系數(shù)也越大[11-12]。依據(jù)擴(kuò)散特征可知，氯離子擴(kuò)散看度隨裂縫程度的增加而增大，即氯離子擴(kuò)散效應(yīng)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(yàn)分析

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

(a)擴(kuò)散系數(shù)-水灰比 (b)擴(kuò)散特征

圖3表明，由于裂縫的存在使得海洋環(huán)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(kuò)散傳輸[13]。

(a)縱向分布 (b)橫向分布

圖4表明，氯離子橫向擴(kuò)散效應(yīng)受裂縫深度的影響較低?？傮w而言，裂縫寬度越小則混凝土中各深度范圍內(nèi)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??；裂縫寬度超過90mm條件下，裂縫的存在進(jìn)一步擴(kuò)大了氯離子擴(kuò)散范圍，但水平方向上的氯離子擴(kuò)散效應(yīng)減弱，即降低了水平方向的氯離子含量[14]。

2.3 相關(guān)性分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果生成混凝土氯離子含量與裂縫寬度、深度的相關(guān)性方程，如圖4。圖4表明，混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)與裂縫寬度、深度均表現(xiàn)出正指數(shù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均大于0.80，達(dá)到顯著相關(guān)水平，該方程也表明氯離子擴(kuò)散傳輸受水工混凝土裂縫的影響較為明顯。因此，工程設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮經(jīng)長期使用水工混凝土可能出現(xiàn)裂縫的影響，并加強(qiáng)后期的運(yùn)行維護(hù)和管理[15-18]。

(a)擴(kuò)散系數(shù)-裂縫寬度 (b)擴(kuò)散系數(shù)-裂縫深度

3 結(jié) 論

1)海洋環(huán)境下的氯離子擴(kuò)散系數(shù)受水工混凝土裂縫的影響顯著，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)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(qiáng)氯離子擴(kuò)散效應(yīng)具有顯著作用。

2)裂縫深度超過90mm條件下，裂縫的存在進(jìn)一步擴(kuò)大了氯離子擴(kuò)散范圍，但水平方向上的氯離子擴(kuò)散效應(yīng)減弱；混凝土中氯離子擴(kuò)散系數(shù)與裂縫寬度、深度均表現(xiàn)出正指數(shù)相關(guān)性，并達(dá)到顯著相關(guān)水平。工程設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮經(jīng)長期使用水工混凝土可能出現(xiàn)裂縫的影響，并加強(qiáng)后期的運(yùn)行維護(hù)和管理。