恒溫恒濕環(huán)境下粉煤灰混凝土表層濕質(zhì)擴散性能

魯彩鳳， 魯鳳弟， 王 偉， 李允霞， 蔣建華

（1.中國礦業(yè)大學 江蘇省土木工程環(huán)境災變與結(jié)構(gòu)可靠性重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2.安徽交通職業(yè)技術(shù)學院 土木工程系，安徽 合肥 230051；3.河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098）

水是侵蝕介質(zhì)（如氯鹽）遷移進入混凝土內(nèi)的載體.混凝土中的水是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能的一個重要因素［1－5］.人們在研究混凝土耐久性失效機理及建立混凝土使用壽命預測模型時，通常將外部環(huán)境的相對濕度等同為混凝土內(nèi)部微環(huán)境相對濕度.由于受混凝土本身微觀結(jié)構(gòu)的影響，混凝土內(nèi)部微環(huán)境相對濕度與外部環(huán)境相對濕度存在較大差異.混凝土耐久性能退化受混凝土相對濕度（含濕量）的影響，應(yīng)該是指受混凝土內(nèi)部微環(huán)境相對濕度（含濕量）的影響.如混凝土表面含水率很高但其內(nèi)部含水率很低，混凝土內(nèi)部鋼筋銹蝕缺少必要的水分，鋼筋不會發(fā)生銹蝕；反過來，混凝土表面干燥但內(nèi)部含水率較高，則混凝土內(nèi)部鋼筋仍存在銹蝕的可能.在進行混凝土使用壽命預測時，如果直接采用外部環(huán)境相對濕度條件，必將給預測結(jié)果帶來誤差.

混凝土內(nèi)部微環(huán)境相對濕度是由混凝土所處的外部環(huán)境氣候和混凝土材料本身性能所決定的.在實際操作中，可以獲得或者容易測量的是外部環(huán)境相對濕度.因此，研究表層混凝土濕質(zhì)傳輸規(guī)律，探討混凝土微環(huán)境相對濕度與外部環(huán)境相對濕度之間的關(guān)系，就可以使用混凝土微環(huán)境相對濕度進行混凝土耐久性退化規(guī)律的研究，提高混凝土使用壽命預測的精度.

目前，國內(nèi)外已進行了一些有關(guān)混凝土微環(huán)境響應(yīng)方面的研究［5－13］.如姬永生［5］在人工氣候環(huán)境下開展了環(huán)境相對濕度、溫度以及混凝土強度對混凝土孔隙水飽和度影響的試驗研究，并根據(jù)理論分析建立了普通混凝土孔隙水飽和度的定量計算公式；Norris等［7］通過在混凝土內(nèi)部埋置傳感器來監(jiān)測混凝土內(nèi)部溫濕度的變化規(guī)律；Andrade等［8］通過在混凝土內(nèi)部放置溫濕度傳感器來研究室外自然環(huán)境氣候條件對混凝土內(nèi)部溫度、相對濕度的影響規(guī)律；王新友等［11］綜合評述了不同環(huán)境條件下混凝土中水分遷移機理與理論模型.但上述已有研究大多數(shù)針對的是普通混凝土.目前粉煤灰混凝土的應(yīng)用越來越廣泛，這就使得提高粉煤灰混凝土使用壽命預測精度有著極為重要的意義，因此很有必要探討粉煤灰混凝土微環(huán)境相對濕度響應(yīng)問題.而在研究粉煤灰混凝土微環(huán)境相對濕度響應(yīng)問題時，需系統(tǒng)研究摻合料、微環(huán)境條件對混凝土微環(huán)境相對濕度響應(yīng)的影響，建立相關(guān)的混凝土微環(huán)境相對濕度響應(yīng)模型.

本文在人工氣候條件下，對不同粉煤灰摻量的混凝土試塊進行增濕（即正向擴散）及干燥（即反向擴散）試驗，通過記錄粉煤灰混凝土內(nèi)部某一位置處的相對濕度變化情況，研究粉煤灰摻量、微環(huán)境條件對粉煤灰混凝土微環(huán)境相對濕度響應(yīng)的影響規(guī)律；并基于混凝土傳質(zhì)機理，建立了粉煤灰混凝土等效濕質(zhì)擴散系數(shù)的預計模型.

1 人工氣候條件下粉煤灰混凝土微環(huán)境相對濕度響應(yīng)試驗研究

1.1 試驗原材料及配合比設(shè)計

試驗水泥采用徐州淮海水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5水泥，其化學組成1）文中涉及的化學組成、需水量比等均為質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量比.見表1.依照GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》，測得水泥比表面積為420m2／kg，28d抗壓強度為44.5MPa，初凝時間不小于45min，終凝時間不大于600min，沸煮法合格.

粉煤灰采用徐州柳新彭城電廠生產(chǎn)的干排灰，其化學組成見表1.依照GB／T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》，測得粉煤灰細度（45μm方孔篩篩余）為7%，需水量比為84%，燒失量為6.2%，雷氏夾沸煮后增加距離不大于5mm，強度活性指數(shù)為84.7%.上述表明該粉煤灰應(yīng)屬Ⅱ級、F類（低鈣粉煤灰），可以作為水泥活性混合材料摻入到混凝土中.

細骨料采用河砂（中砂），細度模數(shù)為2.3；粗骨料采用碎石，粒徑不大于15mm.

粉煤灰混凝土配合比的設(shè)計采用等量取代法，粉煤灰等量取代水泥率分別?。?%（普通混凝土），15%，30%，45%.由于摻入粉煤灰后混凝土需水量明顯減少，在用水量相同情況下，通過摻加不同摻量（即占膠凝材料質(zhì)量比）的聚羧酸系高效減水劑控制各配合比混凝土坍落度為（65±5）mm.混凝土配合比如表2所示.

1.2 試驗方案

相對濕度響應(yīng)試驗采用100mm×150mm×300mm的長方體試件，試驗條件組合情況見表3.將標準養(yǎng)護90d的試件放置在室內(nèi)自然環(huán)境2個月后進行試驗.

表1 水泥和粉煤灰的化學組成Table 1 Chemical compositions（by mass）of cement and fly ash %

表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportions of concretes

表3 相對濕度響應(yīng)試件分組情況Table 3 Specimen groups for relative humidity response test

1.2.1 增濕試驗

將試件放入烘箱中烘干至相對濕度為60%后冷卻；選試件澆筑成型時的任一側(cè)面作為試驗面，在試驗面上按圖1（a）所示位置鉆深25mm的孔（直徑25mm），其余面則用熔化的石蠟密封；在孔內(nèi)埋入杭州澤大儀器有限公司生產(chǎn)的智能溫濕度傳感器（見圖1（b）），并連接智能溫濕度記錄儀（型號：ZDR－20；量程：溫度－40～100℃、相對濕度0%～100%；精度：溫度為±0.5℃、相對濕度為±3%）；用橡皮塞固定傳感器，并用密封膠進行密封；將試件放入人工氣候室中停放1d（人工氣候室預定溫度25℃或35℃、相對濕度60%）；將試件放置在氙燈試驗箱內(nèi)（預設(shè)溫度25℃或35℃、相對濕度90%），定時記錄混凝土內(nèi)指定位置處的相對濕度；試驗進行到混凝土微環(huán)境相對濕度與試驗箱環(huán)境相對濕度相平衡時結(jié)束；每個配合比微環(huán)境相對濕度取3個試件測得的平均值.

圖1 溫濕度傳感器埋設(shè)示意圖Fig.1 Schematic of buried position of temperature and humidity sensor（size：mm）

1.2.2 干燥試驗

將混凝土試件浸泡于水中，當混凝土內(nèi)相對濕度達到90%時取出，將表面的水分擦干；選一個側(cè)面作為試驗面，仍按圖1所示位置鉆孔，然后埋入溫濕度傳感器并連接溫濕度記錄儀；將試件放入人工氣候室停放若干天（人工氣候室預定溫度25℃或35℃、相對濕度90%），以使混凝土內(nèi)微環(huán)境相對濕度均勻；將試件放置在氙燈試驗箱內(nèi)（預設(shè)溫度25℃或35℃、相對濕度60%），定時記錄混凝土內(nèi)指定位置處的相對濕度；試驗進行到混凝土微環(huán)境相對濕度與試驗箱環(huán)境相對濕度相平衡時結(jié)束；每個配合比微環(huán)境相對濕度取3個試件測得的平均值.

1.3 試驗結(jié)果分析

本文主要以25℃微環(huán)境溫度試驗結(jié)果為例進行相關(guān)分析.

混凝土微環(huán)境溫度為25℃時，粉煤灰摻量對微環(huán)境相對濕度響應(yīng)的影響分別見圖2（a），（b）.由圖2可知：

圖2 粉煤灰摻量對微環(huán)境相對濕度響應(yīng)的影響Fig.2 Effect of fly ash replacement（by mass）on micro－environment relative humidity response

（1）在增濕或干燥試驗中，粉煤灰混凝土微環(huán)境相對濕度隨時間響應(yīng)規(guī)律與普通混凝土相似，即混凝土微環(huán)境相對濕度明顯滯后于外部環(huán)境相對濕度，混凝土內(nèi)外相對濕度要達到或接近平衡需要一段時間.如在增濕試驗中，控制粉煤灰混凝土微環(huán)境初始相對濕度60%、外部環(huán)境相對濕度90%，則FA45表層25mm處相對濕度達到與外部環(huán)境相對濕度平衡約需時60d，而FA15在60d時其表層25mm處相對濕度只達到外部環(huán)境相對濕度的90%；在干燥試驗中，控制粉煤灰混凝土微環(huán)境初始相對濕度90%、外部環(huán)境相對濕度60%，則FA45表層25mm處相對濕度在近100d時還未達到與外部環(huán)境相對濕度相平衡.這是因為在增濕和干燥試驗中，粉煤灰混凝土內(nèi)外環(huán)境相對濕度響應(yīng)過程實際上就是表層混凝土的傳濕過程，由于粉煤灰混凝土材料孔隙結(jié)構(gòu)的致密性，導致粉煤灰混凝土表層傳濕過程相對緩慢，故粉煤灰混凝土微環(huán)境相對濕度明顯低于外部環(huán)境相對濕度.

（2）在增濕試驗中，當粉煤灰摻量為15%時，粉煤灰混凝土微環(huán)境相對濕度響應(yīng)較普通混凝土慢；當粉煤灰摻量達到45%時，粉煤灰混凝土微環(huán)境相對濕度響應(yīng)較普通混凝土快；當粉煤灰摻量為30%時，粉煤灰混凝土微環(huán)境相對濕度響應(yīng)與普通混凝土相當.在干燥試驗中，當粉煤灰摻量為15%和30%時，粉煤灰混凝土微環(huán)境相對濕度響應(yīng)較普通混凝土慢；當粉煤灰摻量達到45%時，粉煤灰混凝土微環(huán)境相對濕度響應(yīng)較普通混凝土快.

（3）混凝土微環(huán)境相對濕度響應(yīng)速率前期較快，但隨著響應(yīng)時間的延長，微環(huán)境相對濕度響應(yīng)速率轉(zhuǎn)慢.如增濕試驗中，從0d到30d，F(xiàn)A0，F(xiàn)A15，F(xiàn)A30，F(xiàn)A45表層25mm處相對濕度分別增加了27.8%，23.5%，26.5%，33.3%；從30d到 60d，F(xiàn)A0，F(xiàn)A15，F(xiàn)A30，F(xiàn)A45表層25mm 處相對濕度分別增加了13.8%，12.2%，16.0%，16.6%.其主要原因是由于在響應(yīng)初期，混凝土內(nèi)外相對濕度梯度較大，相對濕度響應(yīng)速率就較快；隨著響應(yīng)時間的推進，混凝土內(nèi)外相對濕度梯度逐漸減小，相對濕度響應(yīng)速率就變緩.

（4）與增濕試驗相比，干燥試驗中混凝土微環(huán)境相對濕度響應(yīng)滯后更加顯著，即在混凝土微環(huán)境溫度和初始內(nèi)外相對濕度差相同情況下，混凝土增濕響應(yīng)明顯快于干燥響應(yīng).這一方面是由于在干燥過程中，混凝土孔隙中濕質(zhì)向外傳輸時需要克服毛細孔對濕質(zhì)的吸附作用，從而降低了濕質(zhì)的傳輸速度；另一方面，濕質(zhì)擴散也與邊界條件有關(guān)，增濕過程中混凝土外部環(huán)境濕質(zhì)源充分，而干燥過程中混凝土微環(huán)境濕質(zhì)源很有限.

（5）同粉煤灰混凝土溫度響應(yīng)時間［14］相比，粉煤灰混凝土內(nèi)外相對濕度達到平衡所需的時間（即粉煤灰混凝土微環(huán)境相對濕度響應(yīng)時間）要大得多，這說明粉煤灰混凝土傳熱過程較傳質(zhì)過程快.

2 粉煤灰混凝土濕質(zhì)擴散系數(shù)

水分遷移通常使混凝土處于2種典型狀態(tài)：一是干燥狀態(tài)，即當外界相對濕度小于混凝土內(nèi)部相對濕度時，濕質(zhì)發(fā)生反向擴散；二是增濕狀態(tài)，即當外界相對濕度大于混凝土內(nèi)部相對濕度時，濕質(zhì)發(fā)生正向擴散.混凝土內(nèi)部相對濕度響應(yīng)過程的本質(zhì)是一種化學不穩(wěn)態(tài)材料發(fā)生非穩(wěn)態(tài)濕熱平衡的過程［11－12，15］，可以近似用擴散理論表述混凝土內(nèi)濕質(zhì)的傳輸.假設(shè)混凝土內(nèi)部與外部環(huán)境初始溫度均勻，濕質(zhì)擴散引起的混凝土溫度改變值忽略不計，則等溫環(huán)境中濕質(zhì)在混凝土內(nèi)的傳輸屬于非穩(wěn)態(tài)擴散，可以用Fick第二定律表示，即：

式中：H為混凝土相對濕度（%）；DH為混凝土濕質(zhì)擴散系數(shù)（m2／s）；τ為擴散（響應(yīng)）時間（s）；x 為距混凝土表面距離（m）.式（1）表示混凝土干燥或增濕過程中混凝土內(nèi)相對濕度與時間、空間的關(guān)系，濕質(zhì)擴散系數(shù)DH則表征混凝土濕質(zhì)擴散能力，其是混凝土含水量（相對濕度）的函數(shù).由于在干燥或增濕過程中，混凝土內(nèi)不同位置處相對濕度存在梯度，所以DH隨相對濕度變化時也必然隨位置不同而改變，因此式（1）可改寫成：

假設(shè)混凝土微環(huán)境初始相對濕度為H0，響應(yīng)過程結(jié)束時相對濕度為Hf.采用變量代換法對式（2）進行求解［16］，得：

式中：η為Boltzmamn變量，η＝xτ0.5.由式（3）可知，只要確定了混凝土內(nèi)某一指定位置處相對濕度H隨擴散（響應(yīng)）時間τ的變化規(guī)律，或某一時刻相對濕度H隨深度x的分布規(guī)律，就得到η與H 的擬合關(guān)系，從而就可以計算濕質(zhì)擴散系數(shù)DH值.

基于圖2的增濕試驗和干燥試驗結(jié)果，根據(jù)式（3）分別計算各試件微環(huán)境達到不同相對濕度時粉煤灰混凝土的濕質(zhì)擴散系數(shù)，結(jié)果分別見圖3（a），（b）.

圖3 不同微環(huán)境相對濕度時粉煤灰混凝土的濕質(zhì)擴散系數(shù)Fig.3 Moisture diffusion coefficients of concretes at different micro－environmental relative humidity

由圖3（a），（b）可知：

（1）在增濕試驗中，隨著響應(yīng)時間的延長，粉煤灰混凝土微環(huán)境相對濕度增大（見圖2（a）），濕質(zhì)擴散系數(shù)減小；在干燥試驗中，隨著響應(yīng)時間的進行，粉煤灰混凝土微環(huán)境相對濕度降低（見圖2（b）），濕質(zhì)擴散系數(shù)減小.這是由于隨著響應(yīng)時間的延長，不管在增濕還是在干燥過程中，粉煤灰混凝土內(nèi)外相對濕度的梯度均逐漸減小，導致增濕和干燥過程中濕質(zhì)擴散系數(shù)逐漸降低.

（2）增濕或干燥過程中，在微環(huán)境相對濕度相同條件下，摻15%粉煤灰會使混凝土濕質(zhì)擴散系數(shù)降低，摻30%粉煤灰對混凝土濕質(zhì)擴散系數(shù)影響不明顯，但摻入45%粉煤灰會明顯增大混凝土濕質(zhì)擴散系數(shù).這是因為：水化水泥漿體中的水有毛細孔水、吸附水、層間水和化學結(jié)合水［17］.在本試驗條件下，粉煤灰混凝土與大氣濕質(zhì)響應(yīng)并達到平衡的只有毛細孔水.毛細孔水在粉煤灰混凝土內(nèi)正向或反向擴散，主要受兩方面因素影響：一是粉煤灰混凝土內(nèi)外相對濕度梯度.粉煤灰混凝土內(nèi)外相對濕度梯度越大，其濕質(zhì)擴散系數(shù)越大.在相同微環(huán)境條件下，隨著粉煤灰摻量的提高，粉煤灰混凝土孔隙水飽和度減小，導致在增濕及干燥過程中混凝土內(nèi)外相對濕度梯度均降低，因此引起濕質(zhì)擴散系數(shù)降低.二是粉煤灰混凝土孔隙率和孔隙結(jié)構(gòu).粉煤灰混凝土孔隙率越高，孔徑越大，其濕質(zhì)擴散系數(shù)就越大.由壓汞試驗結(jié)果［18］可知，15%粉煤灰摻量使有害孔多害孔（孔徑＞50nm）孔隙率增大約6%，30%粉煤灰摻量使混凝土總孔隙率、有害孔多害孔孔隙率均增大6%，45%粉煤灰摻量使混凝土總孔隙率、有害孔多害孔孔隙率均增大20%以上.正是由于上述兩方面因素的綜合作用，使得不同粉煤灰摻量對混凝土濕質(zhì)擴散系數(shù)的影響不同.

（3）同等條件下，干燥過程中粉煤灰混凝土濕質(zhì)擴散系數(shù)明顯比增濕過程中濕質(zhì)擴散系數(shù)小得多.

3 等效濕質(zhì)擴散系數(shù)預計模型

由粉煤灰混凝土微環(huán)境相對濕度響應(yīng)試驗研究結(jié)果可知，在干燥或增濕過程中，由于混凝土內(nèi)部相對濕度存在梯度，導致濕質(zhì)擴散系數(shù)DH不是一個定值.隨著響應(yīng)時間的延長，DH會不斷發(fā)生變化.若將粉煤灰混凝土內(nèi)部相對濕度響應(yīng)過程的時間記為（0，τ），對該時間區(qū)間的濕質(zhì)擴散系數(shù)進行積分，并取其積分平均值，即得到粉煤灰混凝土等效濕質(zhì)擴散系數(shù)DHe：

假設(shè)粉煤灰混凝土內(nèi)部與外部環(huán)境初始溫度均勻，且濕質(zhì)擴散引起的混凝土溫度改變值忽略不計，則等溫環(huán)境中濕度在粉煤灰混凝土內(nèi)傳輸可描述為：

根據(jù)初始條件H（x，0）＝H0及相應(yīng)的邊界條件 H（0，τ）＝Hex，H（∞，τ）＝H0，式（5）解析解為：

式中：H（x，τ）為粉煤灰混凝土內(nèi)部相對濕度分布函數(shù)，其取決于混凝土深度x及響應(yīng)時間τ；Hex為外部環(huán)境相對濕度.

增濕、干燥過程中粉煤灰摻量對粉煤灰混凝土等效濕質(zhì)擴散系數(shù)DHe的影響見圖4.由圖4可知：在增濕及干燥過程中，粉煤灰混凝土等效濕質(zhì)擴散系數(shù)隨著其微環(huán)境溫度的升高而增大；15%摻量粉煤灰會使增濕、干燥過程中粉煤灰混凝土等效濕質(zhì)擴散系數(shù)降低，而45%摻量粉煤灰則會使增濕、干燥過程中粉煤灰混凝土等效濕質(zhì)擴散系數(shù)明顯增大；干燥過程中粉煤灰混凝土等效濕質(zhì)擴散系數(shù)明顯較增濕過程中的小.

圖4 粉煤灰摻量對等效濕質(zhì)擴散系數(shù)DHe的影響Fig.4 Effect of fly ash replacement（by mass）on equivalent moisture diffusion coefficient

蔣建華［6］通過試驗研究了普通混凝土水灰比、微環(huán)境溫度、初始內(nèi)外相對濕度差值ΔH0（ΔH0＝｜H0－Hex｜）對濕質(zhì)擴散系數(shù)的影響.本文根據(jù)圖4及文獻［6］試驗數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)擬合分別得到了增濕及干燥過程中粉煤灰混凝土等效濕質(zhì)擴散系數(shù)的預計模型，即：

增濕過程（正向）等效濕質(zhì)擴散系數(shù)DHep（m2／s）：

干燥過程（反向）等效濕質(zhì)擴散系數(shù)DHer（m2／s）：

4 結(jié)論

（1）粉煤灰混凝土微環(huán)境相對濕度隨時間響應(yīng)明顯滯后于外部環(huán)境相對濕度，粉煤灰混凝土內(nèi)、外相對濕度要達到或接近平衡需要一段時間；在增濕和干燥過程中，由于粉煤灰混凝土內(nèi)外相對濕度梯度均逐漸減小，導致其微環(huán)境相對濕度響應(yīng)速率逐漸變緩，濕質(zhì)擴散系數(shù)逐漸減小.

（2）在微環(huán)境相對濕度相同條件下，15%摻量粉煤灰會使混凝土濕質(zhì)擴散系數(shù)降低，而45%摻量粉煤灰會使混凝土濕質(zhì)擴散系數(shù)明顯增大.

（3）在微環(huán)境溫度和初始內(nèi)外相對濕度差相同情況下，粉煤灰混凝土增濕響應(yīng)明顯快于干燥響應(yīng)，反向等效濕質(zhì)擴散系數(shù)比正向等效濕質(zhì)擴散系數(shù)小得多.

（4）同粉煤灰混凝土溫度響應(yīng)時間相比，粉煤灰混凝土內(nèi)、外相對濕度達到平衡所需的時間（即粉煤灰混凝土微環(huán)境相對濕度響應(yīng)時間）要大得多，這說明粉煤灰混凝土傳熱過程較傳質(zhì)過程快.

（5）基于混凝土傳質(zhì)機理可建立粉煤灰混凝土等效濕質(zhì)擴散系數(shù)的預計模型.

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