丁成有

（岫巖滿族自治縣水利事務服務中心，遼寧岫巖滿族自治縣114300）

在現代工程建設領域，混凝土是不可或缺的重要建筑材料，會對工程的整體質量造成十分顯著的影響[1]。在傳統(tǒng)理念下，只要提高混凝土的強度和密實性，就可以提高其耐久性，因此在水利工程建設中往往追求高強度的混凝土。但是，近年來的研究顯示，在浸泡、沖刷等嚴酷的水利工程使用環(huán)境下，片面提高強度值，未必能顯著提升混凝土結構的耐久性，同時還會大幅抬升工程成本[2]。顯然，在水利工程領域，混凝土的滲透性會對其耐久性產生十分顯著的影響，寒區(qū)水利工程建設領域尤其如此[3]。混凝土本身由多種材料組合而成，其中不可避免地存在大量的孔隙和孔洞，從微觀層面來看，材料本身的屬性又是上述孔隙或孔洞的數量和特征的重要影響因素[4]。但是，當前關于混凝土滲透性的研究主要從宏觀層面展開，將混凝土本身視為單一、均質的材料，沒有從微觀層面考慮材料本身的屬性對滲透性的影響[5]。此外，在混凝土研究領域，主要采用物理實驗的方式進行，缺乏從理論視角的進一步審視[6]。因此，研究中利用基于細觀力學和數值模擬方法，從細觀視角研究骨料特征參數對混凝土滲流影響，以期為水工混凝土工程建設領域的混凝土滲透性預測和評價提供必要的支持和借鑒。

1 混凝土二維隨機骨料數值模型

1.1 模型的構建

混凝土的細觀結構特征具有復雜性和多變性，其幾何模型的構建可以利用伸縮因子函數法實現[7]。經過對該函數的對比和分析，采用宋來忠于2015年提出的基本伸縮因子函數構建隨機骨料模型[8]。鑒于MATLAB是一種具有功能強大、使用靈活、擴展性強的計算機匯編語言，因此，研究中采用MATLAB進行隨機骨料的生成與投放，以便真實反映混凝土骨料的細觀結構。其中骨料含量40%，最大粒徑和最小粒徑分別為40mm和5mm，邊長為150mm的正方形二維二級配隨機圓形骨料模型如圖1所示。對構建的模型進行三角形網格單元劃分，并對骨料邊界區(qū)域進行網格加密，最終獲得25790個網格計算單元，其中骨料周圍的局部有限元網格劃分示意圖如圖2所示。

1.2 計算參數和邊界條件

圖1 骨料模型示意圖

圖2 骨料周圍有限元網格示意圖

研究中將模型的左右邊界設定為第一類邊界條件，左邊界設置為進口邊界條件，右邊界設置為出口邊界條件，進口邊界的邊界壓力設定為10000Pa，出口邊界壓力設定為0Pa；模型的上下邊界設置為不透水邊界條件。模型計算主要應用混凝土的滲透系數，根據相關研究成果，模型中各種材料的計算參數如表1所示。

表1 模型材料計算參數

1.3 計算方案

骨料的細觀和微觀特征主要有形狀、含量、級配和粒徑等，研究中通過固定一部分骨料特征參數，設計其中一個參數的不同水平值，然后利用數值模擬的方式獲得該參數對混凝土滲透性的影響。結合相關研究成果，設置10%，20%，30%，40%，50%，60%等6種不同的骨料含量，5～10mm，10～20mm，20～30mm，30～40mm等4種不同的單級配骨料粒徑，設置圓形、橢圓形以及不規(guī)則卵型等3種骨料形狀進行模擬實驗研究。為了進一步了解級配對混凝土滲透性的影響，研究中選擇5～40mm的粗骨料進行多級配研究，其計算方案如表2所示。

表2 多級配實驗設計方案%

2 計算結果與分析

2.1 骨料形狀和粒徑的影響

研究中利用已構建的有限元模型，確定30%骨料含量不變，對不同骨料形狀和粒徑方案下的混凝土滲透性進行模擬計算，結果如表3所示。由計算結果可以看出，不同形狀骨料混凝土的滲透性存在一定的差異，其中滲透率最大的是圓形骨料，滲透率最小的為不規(guī)則卵型骨料。究其原因，圓形骨料的形狀最為規(guī)則，因此滲透水流在繞行過程中受到的阻力最小，混凝土的滲透性也最強。另一方面，雖然骨料形狀會對混凝土的滲透性產生一定的影響，但是不同骨料形狀混凝土的滲透率計算結果比較接近，差異并不明顯，說明骨料形狀對混凝土滲透性的影響較為有限，并不是影響混凝土滲透性的主要因素。基于此，為了進一步提高計算本身的便捷性，后續(xù)模擬計算主要針對圓形骨料展開。

從不同骨料粒徑的計算結果對比來看，當骨料粒徑較小時，滲透率隨著粒徑的增加而減小，當骨料的粒徑較大時，滲透率隨著粒徑的增大而增大，當骨料粒徑為20～30mm時的混凝土滲透率值最小。究其原因，如果骨料的粒徑過小，勢必造成骨料數量的增加，最終導致界面過渡區(qū)面積的增大，從而影響到滲透率的增加。但是，當骨料粒徑過大時，會顯著影響到滲透水流路徑的曲折性，因此也會造成滲透性的增大。由此可見，骨料粒徑過小或過大，都不利于提高混凝土本身的滲透性，如果條件允許，建議選擇20～30mm的骨料粒徑。

2.2 骨料含量的影響

為了研究骨料含量對混凝土滲透性的影響，選擇圓形骨料形狀和10～20mm的骨料粒徑，對6種不同的骨料含量下的混凝土滲透率進行數值模擬計算，計算結果如表4所示。由表4可知，混凝土的滲透率隨著骨料含量的增加而減小。同時，當骨料含量小于40%時，滲透率下降比較迅速，之后下降的速率逐步趨緩。究其原因，當混凝土中骨料的含量增加時，滲透水流由于受到骨料的阻擋作用，其曲折度和路徑都有十分明顯的增加和延長，因此會造成滲透率的明顯降低，但是骨料含量進一步增大時，會在混凝土內部產生十分明顯的界面過渡區(qū)效應，從而抵消上述作用，造成滲透率下降速率的減緩。

表3 骨料形狀和粒徑正交模擬實驗結果

表4 不同骨料含量計算結果

2.3 骨料級配的影響

為了進一步研究骨料級配對混凝土滲透性的影響，選擇骨料形狀為圓形，按照表2設計的方案，利用已構建的有限元計算模型對不同級配骨料條件下的混凝土滲透率進行計算，結果如圖3所示。由圖3可知，當骨料含量小于30%時，不同級配方案的滲透率計算結果相差不大，說明骨料級配對混凝土滲透性的影響不明顯。當骨料含量大于30%時，不同骨料級配混凝土的滲透率表現出比較明顯的差異。其中，連續(xù)級配骨料混凝土的滲透系數計算結果最小，抗?jié)B性能最佳，而間斷級配2骨料混凝土的滲透系數計算結果最大，抗?jié)B性能最差。究其原因，采用連續(xù)級配骨料時，混凝土中的大骨料和小骨料可以良好鑲嵌，從而顯著提升混凝土的密實度，混凝土內部的孔隙分布密集而且復雜，不利于水流的滲流。間斷級配2中的骨料主要是小粒徑骨料，混凝土內部會形成較多的界面，因此滲透率相對較大。由此可見，骨料級配也是混凝土滲透性的重要因素，在實際工程設計中，應該結合實際情況，選擇最有利的骨料級配。

圖3 不同級配混凝土滲透率計算結果

3 結語

在水工混凝土應用領域，不僅需要考慮混凝土強度對耐久性的影響，還應該考慮混凝土的滲透性對耐久性的影響。此次研究利用數值模擬的方法，探索了骨料特征參數對混凝土滲透性的影響，并獲得如下主要結論：

1）骨料形狀對混凝土的滲透性存在一定的影響，但是影響程度較為有限。從計算結果來看，不規(guī)則骨料形狀有利于提高混凝土的抗?jié)B性。

2）骨料粒徑過小或過大，都不利于提高混凝土本身的滲透性，如果條件允許，建議選擇20～30mm的骨料粒徑。

3）混凝土的滲透率隨著骨料含量的增加而減小。同時，當骨料含量小于40%時，滲透率下降比較迅速，之后下降的速率逐步趨緩。

4）骨料連續(xù)級配有助于提高混凝土的抗?jié)B性，建議在工程設計中選擇。