基于氯离子扩散效应的海洋环境下水工混凝土耐久性研究

2022-05-25刘阔

黑龙江水利科技 2022年4期

刘阔

(辽宁省清河水库管理局有限责任公司，沈阳 110000)

海洋环境下水工混凝土耐久性与氯离子扩散效应直接相关，而氯离子是一个随机扩散的变化过程[1]。目前，模拟氯离子扩散效应最为有效的是随机学采样方法。对于海洋环境下的氯离子扩散效应，国内诸多学者从多个角度开展了深入研究，因具有计算参数少、原理简单、精准度高等优点，SFEM模型被广泛用于混凝土氯离子扩散效应研究[2-8]。然而，在东北沿海地区特别是海洋环境下应用该模型的还鲜有报道。另外，水工混凝土设计施工时必须考虑氯离子的扩散效应，通过水灰比的合理设计确保水工混凝土耐久性[9]。文章以辽滨沿海经济区海堤工程为例，采用SFEM模型和原型观测试验分析了氯离子扩散效应，并进一步验证了模型的可行性与计算精度。

1 氯离子扩散效应系数

1.1 基本原理

SFEM模型的计算参数少、原理简单且精准度高，主要利用随机学原理模拟氯离子扩散效应，可利用方程(1)计算氯离子扩散系数D(ω)：

D(ω)=D0f(ω)

(1)

式中：D0、f(ω)为参照系数和氯离子影响系数，可以利用公式D0=10-12.6+2.4W/C和f(ω)=f(k,s)计算确定，其中W、C为环境影响参数和综合影响参数，k、s为裂缝宽度与深度[10]。

采用多因素拟合法和SFEM模型可以建立海洋环境下水工混凝土氯离子扩散随机方程，具体如下：

(2)

1.2 水工混凝土配比

以辽滨沿海经济区海堤工程为例，采用SFEM模型和原型观测试验分析该水工混凝土的氯离子扩散效应，主要原材料有人工碎石、天然河砂、减水剂和硅酸盐水泥等，试验配比见表1。同时，文章设计10组扩散试验以测定不同条件下的氯离子扩散系数，如表2所示。

表1 水工混凝土试验配比

续表1 水工混凝土试验配比

表2 氯离子扩散试验参数设计

1.3 计算检验

通过氯离子原型观测试验测定10组水工混凝土试件的氯离子扩散系数，结合试验结果验证SFEM模型的模拟精度，见表3和图1。

表3 氯离子扩散效应模拟结果

(a)拟合度 (b)相关性

由表3可知，对于模拟海洋环境下水工混凝土氯离子扩散系数SFEM模型表现出较强的实用性，与测定值相比模拟误差处于-9.27%-8.84%之间，绝对误差均不超过10%，即SFEM模型具有较高的模拟精度。经拟合计算和相关性分析，SFEM模型模拟的扩散系数与试验测定值高度吻合，相关系数0.826，两者之间存在显著正相关性。

2 实例应用

2.1 不同影响因素下的试验分析

在验证模型精度的情况下，利用SFEM模型分析水工混凝土氯离子扩散与不同水灰比之间的关系，并进一步揭示氯离子扩散特征，如图2所示。

因此，影响氯离子扩散系数的主要因素是水工混凝土的水灰比。图2表明，水灰比越大则氯离子扩散系数越大，相同养护龄期条件下，水灰比较大的水工混凝土其氯离子扩散系数也越大[11-12]。依据扩散特征可知，氯离子扩散看度随裂缝程度的增加而增大，即氯离子扩散效应受水工混凝土裂缝深度的影响较为明显。

2.2 不同裂缝特征下的试验分析

采用SFEM模型分析氯离子纵向和横向扩散效应受不同裂缝宽度、深度的影响，如图3、图4所示。

(a)扩散系数-水灰比 (b)扩散特征

图3表明，由于裂缝的存在使得海洋环境下水工混凝土的氯离子含量明显提高，即使裂缝宽度只有0.1mm也明显提高了纵向混凝土中氯离子含量；不同裂缝宽度情况下，氯离子纵向分布深度均明显低于横向，因此裂缝宽度直接影响着氯离子纵向和横向的扩散传输[13]。

(a)纵向分布 (b)横向分布

图4表明，氯离子横向扩散效应受裂缝深度的影响较低。总体而言，裂缝宽度越小则混凝土中各深度范围内的氯离子含量越低，裂缝深度不大于90mm情况下，纵向不同深度上的氯离子含量有所减小；裂缝宽度超过90mm条件下，裂缝的存在进一步扩大了氯离子扩散范围，但水平方向上的氯离子扩散效应减弱，即降低了水平方向的氯离子含量[14]。

2.3 相关性分析

根据试验结果生成混凝土氯离子含量与裂缝宽度、深度的相关性方程，如图4。图4表明，混凝土中氯离子扩散系数与裂缝宽度、深度均表现出正指数相关性，相关系数均大于0.80，达到显著相关水平，该方程也表明氯离子扩散传输受水工混凝土裂缝的影响较为明显。因此，工程设计时必须考虑经长期使用水工混凝土可能出现裂缝的影响，并加强后期的运行维护和管理[15-18]。