混凝土干濕過程及循環(huán)制度的研究

龐超明，徐劍，王進(jìn)，王倫，，秦鴻根，孫偉

（1.東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 211189；2.東南大學(xué)江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 211189；3.江蘇省交通科學(xué)研究院有限公司長大橋梁健康檢測與診斷交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 211112）

干濕循環(huán)極大加速了侵蝕性離子在混凝土中的侵入和混凝土的損傷劣化過程.對(duì)干濕循環(huán)條件下混凝土性能的研究，主要采用自然暴露試驗(yàn)法和室內(nèi)快速試驗(yàn)法.室內(nèi)快速試驗(yàn)法的試驗(yàn)結(jié)果很大程度上依賴于循環(huán)制度、腐蝕環(huán)境條件等.迄今為止，尚未找到一種較為合理且統(tǒng)一的干濕循環(huán)制度，不同研究者使用的循環(huán)制度千差萬別，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果可比性差.部分研究者采用與實(shí)際工程環(huán)境相近的干濕循環(huán)制度，如Mangat等［1］采用室溫下6h 干6h濕的循環(huán)制度研究鋼纖維混凝土性能，Eshmaiel等［2］采用37～42℃下6h干6h濕的循環(huán)條件來模擬伊朗的海濱環(huán)境.薛文等［3］采用4h噴射海水8h干燥的噴淋制度來模擬日本東京灣沿岸環(huán)境.Hong等［4］采用浸泡6h，然后在相對(duì)濕度（RH）50%的密閉容器中干燥18h的循環(huán)制度來模擬氯鹽腐蝕環(huán)境.還有部分研究者采用自定的干濕循環(huán)制度，如15d干15d濕［5］、80℃干燥6h冷卻1h然后浸泡16h［6］、浸泡4d后50℃烘12h［7］、60℃干燥24h后冷卻3h再浸泡45h［8］，浸泡4d后50℃烘3d［9］和浸泡68h干燥4h［10］等.由此可見，干濕循環(huán)制度的制定存在差異和隨意性，均缺乏合理的理論基礎(chǔ)和依據(jù).

水分是侵蝕性物質(zhì)（如CO2、氯離子、硫酸根離子等）進(jìn)入材料內(nèi)部的傳輸媒介，直接關(guān)系到服役環(huán)境中各種侵蝕性離子的分布情況，是破壞發(fā)生的必要條件和許多失效機(jī)理與模型建立的基礎(chǔ)［11］.本文將混凝土的干濕循環(huán)分解為干燥過程和濕潤過程，研究了混凝土在干燥和濕潤過程中內(nèi)部相對(duì)濕度的變化規(guī)律、干燥過程的水量蒸發(fā)規(guī)律和濕潤過程的水分吸收規(guī)律，并對(duì)比研究了水分和離子的傳輸機(jī)理.

1 原材料及配合比

試驗(yàn)采用P·Ⅱ42.5R 水泥；Ⅰ級(jí)粉煤灰（FA）；比表面積478m2／kg的礦渣微粉（SL）；細(xì)度模數(shù)2.9的中砂；5～25mm 連續(xù)級(jí)配的石灰?guī)r碎石；聚羧酸減水劑JM－PCA（PCA）.

基于崇啟大橋的承臺(tái)大體積混凝土設(shè)計(jì)了配合比，水膠比為0.35（質(zhì)量比），砂率為38%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），用水量為155kg／m3，單摻（摻量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）FA 60%（F60），40%（F40），雙摻FA 和SL

（F40S20：40%FA，20%SL；F30S30：30% FA，30%SL），對(duì)比試件（F0）不摻摻和料.在各組配合比中添加適量的PCA，以控制坍落度為（180±20）mm.混凝土配合比、抗壓強(qiáng)度及孔隙率（采用壓汞法測得）如表1所示.

表1 混凝土配合比及力學(xué)性能Table 1 Mix proportion and properties of concretes

2 試驗(yàn)方法

干燥過程主要測試蒸發(fā)水量和相對(duì)濕度的變化規(guī)律.試件尺寸為150mm×150mm×60mm，測試前真空保水24h以上，為確保一維傳輸，其側(cè)面用環(huán)氧樹脂密封，僅留底面作為干燥面.飽水后將試件分別置于20℃，RH60%的恒溫恒濕室和40℃或60℃，RH6%的烘箱中進(jìn)行干燥、測試.用于相對(duì)濕度變化規(guī)律研究的試件為100mm 立方體試件，密封后僅留表面光滑的兩個(gè)相對(duì)面，并在距離表面10，20，30，40mm 的位置鉆孔.飽水后，將高精度溫濕度探頭插入鉆孔中，嚴(yán)格密封，分別置于20，40，60℃的環(huán)境中進(jìn)行相關(guān)測試.濕潤試驗(yàn)前將試件在60℃下烘干至恒重，并置于干燥器中冷卻至室溫后，進(jìn)行吸水量和相對(duì)濕度的測試，試件尺寸、處理方法與干燥過程相同.

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 干燥過程相對(duì)濕度和蒸發(fā)水量變化規(guī)律

混凝土干燥過程中不同溫度下蒸發(fā)水量和相對(duì)濕度的變化規(guī)律如圖1，2所示.

根據(jù)混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度和蒸發(fā)水量的發(fā)展過程，可將干燥過程分為3個(gè)階段：恒速干燥階段、降速干燥階段和穩(wěn)定擴(kuò)散階段.忽略水泥進(jìn)一步水化所消耗的水，則混凝土在干燥過程中失去的水分主要與溫度、相對(duì)濕度和材料的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)［12］.在測試初期，混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度由90%上升到100%，為測濕探頭的濕度平衡過程.干燥初期的恒速干燥階段占整個(gè)干燥時(shí)間較短，相對(duì)濕度保持不變（見圖2），水分蒸發(fā)速度最快（見圖1），主要為表面水分蒸發(fā)；隨著溫度的升高，恒速干燥階段所需時(shí)間減少.20℃時(shí)恒速干燥階段約12h～2d，40℃時(shí)縮短為4～12h，60℃時(shí)則＜4h.隨著干燥時(shí)間的延長，干燥過程轉(zhuǎn)為降速干燥階段，水分的蒸發(fā)速度變慢，混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度逐漸降低.隨著溫度的升高，降速干燥階段延長，20℃時(shí)降速干燥階段為8～10d，40℃時(shí)為15d，60℃時(shí)干燥15d后仍處于降速干燥階段，蒸發(fā)水量繼續(xù)增加.60℃干燥15d的蒸發(fā)水量最大，達(dá)2.9kg／m2，而40℃干燥15d的蒸發(fā)水量僅為1.5kg／m2，約為60℃的2／3，20℃干燥15d（F30S30）的蒸發(fā)水量約為0.6kg／m2，是60℃時(shí)的1／5～1／7.

由圖2可見，隨著試件深度的增加，水分蒸發(fā)速度逐漸降低.20 mm 處的水分蒸發(fā)速度較快，10d左右混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度就與環(huán)境濕度達(dá)到平衡；30mm 處的水分蒸發(fā)速度較慢，15d后混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度為60%；而40 mm 處的水分蒸發(fā)速度最慢，在15d后混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度仍保持在70%左右.在干燥過程中，F(xiàn)60的內(nèi)部相對(duì)濕度降低速度明顯比F0慢，相同深度處F60的相對(duì)濕度始終大于F0.雖然F60的總孔隙率（14.99%）比F0（9.81%）大（見表1），但F0的大孔含量高，有較多的水分傳輸通道，因此其水分蒸發(fā)更快.

根據(jù)文獻(xiàn)［13］，在干燥過程中，混凝土的干燥峰面深度L 為：

式中：t為達(dá)到干燥峰面所需的干燥時(shí)間；Dw為水在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)；erf－1為反誤差函數(shù)；cin，w為混凝土內(nèi)部飽水區(qū)水的濃度；cs，w為表面水的濃度.

由此可見，干燥影響深度主要由干燥時(shí)間決定.由相對(duì)濕度的時(shí)變曲線可獲得干燥影響深度及所對(duì)應(yīng)的干燥時(shí)間，再結(jié)合蒸發(fā)水量，可獲得干燥時(shí)間、干燥影響深度和對(duì)應(yīng)失水量之間的關(guān)系，結(jié)果如表2所示.這可為合理制定干濕循環(huán)制度和計(jì)算室內(nèi)試驗(yàn)的加速倍率提供依據(jù).

表2 干燥影響深度、干燥時(shí)間和對(duì)應(yīng)的失水量Table 2 Relationship of Influence depths of drying，necessary time for drying and water loss

為了更好進(jìn)行室內(nèi)加速試驗(yàn)，循環(huán)制度多采用較高的干燥溫度和較長的干燥時(shí)間.由于干濕循環(huán)試件斷面尺寸多為100mm，為了確保一維傳輸，干燥影響深度應(yīng)不超過50mm.由表2可見，當(dāng)干燥影響深度為40 mm 時(shí)，在60℃的干燥時(shí)間分別為1.3，2.0d.因此，干燥時(shí)間不宜過長，在60℃以1.5～2.0d為宜.如果試件強(qiáng)度較低，則可取低值.但如要求更快加速試驗(yàn)，不考慮一維傳輸，則可適當(dāng)延長干燥時(shí)間.

3.2 潤濕過程吸水量和內(nèi)部相對(duì)濕度變化規(guī)律

在20，60℃下，混凝土在純水中和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5% NaCl溶液中的吸水量隨潤濕齡期的關(guān)系如圖3所示；在60℃潤濕過程中，混凝土內(nèi)部不同深度處相對(duì)濕度與潤濕時(shí)間的關(guān)系曲線見圖4.

3.2.1 水在混凝土中的傳輸規(guī)律研究

混凝土的濕潤過程主要可分為2個(gè)階段：快速毛細(xì)吸附階段和擴(kuò)散階段.在濕潤初期的幾小時(shí)內(nèi)，處于快速吸附階段，干燥試件表面接觸水分后，吸水量迅速增加（見圖3），離表面較淺部位的相對(duì)濕度急速上升（見圖4），該過程主要由毛細(xì)吸附為主導(dǎo)，擴(kuò)散傳輸?shù)呢暙I(xiàn)較小.F40S20在20，30mm 處達(dá)到飽和所需的時(shí)間分別為0.5，2.0 h，F(xiàn)40在20，30mm處達(dá)到飽和所需的時(shí)間分別為0.5，10.0h.表層混凝土吸水達(dá)到飽和后，毛細(xì)吸附大大減弱，水分逐步轉(zhuǎn)向由濕度梯度引起的擴(kuò)散傳輸，傳輸速度大為減緩，持續(xù)時(shí)間較長.由此可見，在制定循環(huán)制度時(shí)，潤濕時(shí)間可適當(dāng)縮短，為了更高效加速室內(nèi)試驗(yàn)的劣化速度，C60以下的混凝土在60℃時(shí)可取8～12h，20℃時(shí)可取1～2d.

由圖3可見，在20℃環(huán)境下，摻和料摻量為60%的F60，F(xiàn)30S30，F(xiàn)40S20其吸水量較大，F(xiàn)40，F(xiàn)0相對(duì)較小；而在60℃環(huán)境下則相反，F(xiàn)0，F(xiàn)40的潤濕吸水量較大，其余試件較小.隨著環(huán)境溫度的升高，濕潤初期快速吸附階段的吸水速度更大，吸水量顯著增加.

3.2.2 離子對(duì)水在混凝土中傳輸?shù)挠绊?/p>

比較純水和NaCl溶液作為介質(zhì)的吸水曲線可見，NaCl溶液中水的傳輸與純水中的傳輸相似，溶液中的離子不影響混凝土中水分的基本傳輸方式，但在混凝土中，純水中水的傳輸速率遠(yuǎn)大于NaCl溶液中水的傳輸速率.在早期快速吸附階段，NaCl溶液中水的傳輸速率遠(yuǎn)小于純水中水的傳輸速率，其吸水量約為純水中的45%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）.在后期的擴(kuò)散階段，純水在混凝土中的傳輸速率明顯大于NaCl.研究［13］表明，水?dāng)U散系數(shù)約為氯離子擴(kuò)散系數(shù)的2～8倍.可見，離子的存在可顯著降低水的擴(kuò)散系數(shù).

3.3 室內(nèi)氯離子侵蝕速率與現(xiàn)場氯離子侵蝕速率的換算關(guān)系

雖然現(xiàn)場環(huán)境下侵蝕性離子尤其是硫酸根離子在干濕循環(huán)條件下會(huì)加速混凝土的劣化，從而加速后期侵蝕性離子的滲入.但是，如果不考慮離子對(duì)混凝土的劣化作用，利用干燥過程和濕潤過程的研究結(jié)果，可以制定合理的干濕循環(huán)制度，并將室內(nèi)離子含量簡單換算成現(xiàn)場情況下的離子含量.

本文結(jié)合干燥和濕潤過程的研究結(jié)果，采用了2d一個(gè)循環(huán)的干濕循環(huán)制度.由蒸發(fā)水量和相對(duì)濕度的變化規(guī)律可知，在60℃干燥38h后，干燥影響深度約為40mm，失水量為0.64～1.06kg／m2，20，30mm 處的相對(duì)濕度為90%～95%.然而，工程現(xiàn)場的溫度為20℃，每天2個(gè)干濕循環(huán)，即6h干6h濕，且在20℃干燥6h后，混凝土失水量僅為0.035～0.160kg／m2，干燥影響深度不超過20mm.由潤濕曲線可知，20～30mm 處的相對(duì)濕度由90%～95%到完全潤濕僅需2h左右，因此，浸泡8h后，混凝土30mm 處被完全潤濕.室內(nèi)試驗(yàn)的加速倍率如表3所示.由表3可見，在60℃干燥38h冷卻2h濕潤8h 的干濕循環(huán)中，室內(nèi)3.5% NaCl溶液與現(xiàn)場2.1%NaCl溶液的加速倍率為10～30倍.

表3 室內(nèi)試驗(yàn)的加速倍率Table 3 Acceleration coefficient in laboratory

4 結(jié)論

（1）將干濕循環(huán)分為干燥和濕潤過程是研究干濕循環(huán)的有效手段，測定混凝土干濕過程中的蒸發(fā)／吸水量和內(nèi)部相對(duì)濕度的時(shí)變曲線，可合理制定干濕循環(huán)制度，并進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場環(huán)境的加速倍率換算.

（2）混凝土的干燥過程可分為恒速干燥、降速干燥和穩(wěn)定擴(kuò)散3個(gè)階段.干燥初期水分蒸發(fā)速度最快，主要為表面水分蒸發(fā)，時(shí)長小于2d；隨著溫度的升高，恒速干燥階段縮短，降速干燥階段延長，20℃的蒸發(fā)水量僅為60℃的1／5～1／7.

（3）干燥影響深度和干燥齡期的平方根近似呈線性關(guān)系，干燥時(shí)間的長短決定了混凝土劣化深度，制定干濕循環(huán)制度時(shí)宜適當(dāng)延長干燥時(shí)間，研究一維傳輸時(shí)，60℃以1.5～2.0d為宜，如果要求更快加速試驗(yàn)，可適當(dāng)延長干燥時(shí)間.

（4）混凝土的潤濕過程可分為快速毛細(xì)吸附階段和擴(kuò)散階段，在潤濕初期，快速毛細(xì)吸附階段所需時(shí)間較短，吸水速率大，在20～60℃時(shí)，20mm 處達(dá)到飽和僅需0.5h，30 mm 處達(dá)到飽和約需2.0～10.0h，而在潤濕后期，水分?jǐn)U散緩慢.因此，循環(huán)制度中潤濕時(shí)間可稍微短些.

（5）研究一維傳輸時(shí)，采用60℃干燥38h潤濕10h為1個(gè)干濕循環(huán)或60℃干燥2d，室溫潤濕1d為1個(gè)干濕循環(huán)較為合理.

（6）在潤濕過程中，離子的存在不影響混凝土中水分傳輸?shù)幕痉绞?，但?huì)顯著降低水的擴(kuò)散系數(shù).

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