沿海地区水工混凝土中氯离子扩散效应模拟试验研究

汪海龙

(大石桥市水利工程移民局，辽宁 营口 115100)

1 概述

沿海地区的水工混凝土由于受海水环境影响，其稳定性受到氯离子扩散影响较大，而水工混凝土中氯离子的扩散是随机变化的过程，采样随机学方法对沿海地区水工混凝土中氯离子扩散效应进行模拟是较为有效的途径。国内有不少学者对沿海地区混凝土中氯离子扩散效应进行研究[1- 5]，SFEM模型由于计算原理简单，模型参数较少，近些年来，在混凝土氯离子扩散效应中得到应用[6- 9]。但该模型在辽宁沿海地区应用还不多见，当前在沿海地区水工混凝土施工设计时，需要对混凝土中氯离子的扩散进行估计，确定合理的水灰系数，保证水工混凝土的耐久性。为此本文结合SFEM模型，以辽宁沿海某区域为工程实例，对该区域水工混凝土中氯离子扩散效应进行模拟，并结合原型观测试验方式对模型进行验证。

2 SFEM模型原理

SFEM模型基于随机学的方法来模拟混凝土中氯离子的扩散效应，SFEM模型计算原理较为简单，模型扩散系数计算方程为：

D(ω)=D0f(ω)

(1)

式中，D(ω)—水工混凝土中氯离子的扩散系数；f(ω)—氯离子影响系数；D0—参照系数，其中D0的计算方程为：

D0=10-12.6+2.4W/C

(2)

式中，W—环境影响参数；C—综合影响参数。

SFEM模型结合多因素拟合方法，得到沿海地区水工混凝土氯离子的扩散随机方程为：

(3)

其中氯离子扩散影响系数的表达式为：

f(ω)=f(k，s)

(4)

式中，k—裂缝宽度；s—裂缝深度。

3 工程实例探究

3.1 试验配比参数

本文以辽宁沿海某区域水工混凝土为工程实例，对该水工混凝土进行了采样和原型观测试验，其原材料为硅酸盐水泥，配以中砂和碎石作为骨料，主要配比参数见表1。此外进行了10组扩散试验，对各试验中氯离子进行了测定，扩散试验设计参数结果见表2。

表1 试验水工混凝土主要配比参数 单位：kg/m3

表2 水工混凝土氯离子扩散试验主要设计参数 单位：mm

3.2 SFEM模型验证

验证进行了10组氯离子的观测试验，并对各试验组件的氯离子扩散系数进行了测定，结合试验测定结果对模型进行验证，模型验证结果见表3，如图1所示。

表3 SFEM模型在氯离子扩散效应模拟的验证结果

图1 SFEM模型验证结果

从表3中可以看出，SFEM模型在区域水工混凝土中氯离子扩散系数模拟具有较好的适用性，计算误差在-2.21%～-9.36%之间，计算误差小于10%，计算精度较高。从图1可以看出，在过程拟合度和相关度上，SFEM模型都通过了验证，计算值和试验测定的扩散系数吻合度较高，相关系数在0.7以上，属于高度正相关。

3.3 不同影响要素下的氯离子扩散效应模拟试验

在SFEM模型验证的基础上，结合SFEM模型分析不同水灰比对水工混凝土氯离子扩散的影响，并对扩散特征进行了分析，分析结果如图2所示。

图2 不同影响因素下的混凝土氯离子扩散效应模拟试验结果

水工混凝土中的水灰比是氯离子扩散系数变化的主要影响要素，从图2中可以看出，水灰比越大，扩散系数越大。在同一个水工混凝土养护期，水灰比越大的水工混凝土，氯离子扩散系数相应越大。从扩散特征过程可以看出，随着裂缝深度增加，其扩散宽度逐步加大，这表明水工混凝土的裂缝深度对混凝土中氯离子的扩散效应影响较为明显。

3.4 裂缝表征对氯离子扩散分布影响试验分析

结合SFEM模型分析裂缝宽度和深度对纵向和水平方向氯离子扩散效应的影响，如图3、4所示。

图3 裂缝宽度对氯离子不同扩散方向影响试验结果

图4 裂缝深度对氯离子不同扩散方向影响试验结果

从图3可以看出，混凝土的裂缝明显提高了辽宁沿海水工混凝土中的氯离子含量。裂缝宽度达到0.1mm时，不同深度下水工混凝土中氯离子的含量明显提高。在裂缝深度达到90mm时，其水平方向氯离子含量明显高于其他区域的氯离子含量。可见一定宽度的裂缝对辽宁沿海地区水工混凝土水平和纵向方向上的氯离子扩散传输有直接影响。从图4可以看出，裂缝深度对氯离子纵向扩散效应影响较小。裂缝深度越小，不同深度下辽宁沿海地区水工混凝土中氯离子含量越小，当混凝土裂缝深度在90mm时，其不同纵向深度范围的氯离子含量都呈现一定程度的减小;当深度>90mm时，氯离子扩散范围进一步扩大，并使得氯离子沿水平方向氯离子扩散效应减弱，氯离子的含量被有所削减。

3.5 裂缝表征与氯离子相关性拟合分析

结合试验成果，建立了裂缝深度以及裂缝宽度与混凝土中氯离子含量的相关性方程，如图5所示。

图5 裂缝表征与氯离子扩散系数相关性拟合分析结果

从图5可以看出裂缝深度和裂缝宽度与混凝土中氯离子的扩散系数都呈现正指数相关关系，裂缝深度及裂缝宽度与混凝土中氯离子扩散系数之间的相关系数均在0.7以上，相关度较高，从该指数方程也可以表明水工混凝土裂缝的存在对氯离子的扩散存在较为明显的传输影响。在工程设计中应重点考虑水工混凝土在长期运行后产生的裂缝宽度和深度。运行后期应加大水工混凝土运行保养和维护。

4 结论

(1)水灰比对混凝土扩散系数影响较为明显，辽宁沿海地区水工混凝土工程设计配比要重点关注该项参数。

(2)裂缝度宽度超过0.1mm，混凝土中氯离子含量增加明显，对辽宁沿海地区水工混凝土中氯离子扩散增强效应显著。

(3)裂缝深度超过90mm，混凝土中氯离子扩散减弱效应明显，水平方向氯离子含量有所降低，裂缝深度及宽度与辽宁沿海混凝土中氯离子扩散系数呈现较为明显的正指数相关。

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[7] 吴立朋. 表层混凝土氯离子扩散性能及其测试方法研究[D]. 清华大学, 2012.

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