水環(huán)境下的混凝土濕度影響因素試驗(yàn)

張國(guó)輝,李肖杭,魏 海

(1.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院,云南 昆明 650500; 2.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

混凝土結(jié)構(gòu)部分或全部表面經(jīng)常與水接觸,如大壩、過河橋梁的基礎(chǔ)及墩臺(tái)、海岸及近海岸的結(jié)構(gòu)物、海洋采油平臺(tái)等,由于混凝土具有大量毛細(xì)管和孔隙,水會(huì)滲透到混凝土孔隙和裂縫中,使得混凝土結(jié)構(gòu)常處于不同濕度狀態(tài)[1-3]。已有研究表明,混凝土孔隙或裂縫中的自由水對(duì)混凝土的力學(xué)特性存在較大的影響[4-5],Rossi等[6]通過試驗(yàn)研究了水對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律,得到應(yīng)變速率為0.50 s-1時(shí),飽和混凝土抗拉強(qiáng)度僅為干燥混凝土的75%。Li[7]通過試驗(yàn)研究表明,干燥混凝土的強(qiáng)度要明顯高于飽和混凝土,隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng),混凝土強(qiáng)度逐漸降低,且濕度對(duì)水灰比高的混凝土強(qiáng)度影響更加明顯。王海龍等[8]的研究表明飽和混凝土與干燥混凝土相比,抗壓強(qiáng)度下降了4.5%,劈裂抗拉強(qiáng)度下降了11.41%?；炷羶?nèi)部濕度的大小直接影響了混凝土力學(xué)特性的準(zhǔn)確評(píng)價(jià),因而混凝土吸水規(guī)律研究是混凝土力學(xué)性能研究的重要基礎(chǔ)。

土壤物理學(xué)中首先引入了材料在非飽和狀態(tài)下的吸水理論,后來通過理論及試驗(yàn)證實(shí),該方法同樣可以用來表征非飽和多孔建筑材料中的水分遷移過程[9-10]。混凝土由固、液、氣三相組成,這三相中均有水分的存在,按照水的存在形式,可以將混凝土中的水分分為自由水(毛細(xì)孔水)、吸附水、結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水(層間水)[11-12]。當(dāng)混凝土處于不平衡狀態(tài)時(shí),混凝土內(nèi)部不同形式的水分是可以相互轉(zhuǎn)化的,在濕潤(rùn)過程中,一部分自由水會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槲剿?。混凝土中水分存在形式通常難以確定,因而要精確測(cè)定混凝土中的水分分布和形式是較為困難的,現(xiàn)有研究通常將不同形式的水分作為一種整體水分來分析[13]。非飽和狀態(tài)的混凝土試塊或結(jié)構(gòu)的部分表面或全部表面同液態(tài)水直接接觸,通過混凝土孔的毛細(xì)吸附力將液態(tài)水吸入混凝土內(nèi)部,在這個(gè)過程中除非外界壓力很大,否則毛細(xì)吸附力作用是水分進(jìn)入混凝土內(nèi)部的主要驅(qū)動(dòng)力。研究者常采用剖開測(cè)重法直觀測(cè)量混凝土毛細(xì)吸水速度,但難以表征其動(dòng)態(tài)吸水過程。核磁共振、中子照相射線技術(shù)能夠?qū)⒒炷琳麄€(gè)吸水過程可視化,但普通實(shí)驗(yàn)室因缺乏設(shè)備而難以實(shí)現(xiàn)[14]。李洪馬等[15]通過剖開法測(cè)量吸水高度,得出混凝土中的毛細(xì)吸水過程是一個(gè)早期吸水速度較快、吸水量較大、曲線呈線性增長(zhǎng),而后吸水速度降低、吸水量減少、曲線較為平緩的過程。Hall等[16-17]通過核磁共振試驗(yàn)得到了混凝土內(nèi)部水分分布規(guī)律,并分析了溫度、流體特性對(duì)混凝土吸水的影響規(guī)律。

表1 試驗(yàn)分組及配合比

綜上,目前研究者主要關(guān)注于混凝土一維毛細(xì)吸水和一維吸水?dāng)U散理論與試驗(yàn)研究,較少關(guān)注混凝土三維吸水規(guī)律,缺乏不同混凝土在三維吸水環(huán)境下的濕度變化規(guī)律研究。鑒于混凝土結(jié)構(gòu)服役環(huán)境多為復(fù)雜的三維吸水工況,且試件濕度狀態(tài)將影響到試件室內(nèi)力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性,本文研究不同最大骨料粒徑、強(qiáng)度等級(jí)、試件尺寸的混凝土在三維吸水條件下,混凝土自由吸水規(guī)律及其影響因素,為不同濕度下的混凝土力學(xué)性能研究提供支撐。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

水泥采用P·C 32.5R級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥,標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為28.6%,安定性合格,初凝時(shí)間4.2 h,終凝時(shí)間5.3 h,28 d抗壓強(qiáng)度38.58 MPa;砂子采用天然中砂,細(xì)度模數(shù)為2.43,泥沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%,表觀密度為2.59 g/cm3,堆積密度為1 540 kg/m3,有害物質(zhì)含量均在規(guī)定值以下;粗骨料采用粒徑為5～20 mm和20～40 mm的卵石,泥沙質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%,表觀密度為2.65 g/cm3,堆積密度為1 563 kg/m3。

混凝土強(qiáng)度等級(jí)設(shè)置為 C15、C20、C30,每種強(qiáng)度等級(jí)的混凝土采用2種最大骨料粒徑,分別為20 mm和40 mm,即5～20 mm、5～40 mm的單級(jí)配與兩級(jí)配粗骨料?；炷涟韬线^程按照SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行,試件養(yǎng)護(hù)條件為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)控制因素為強(qiáng)度等級(jí)、最大骨料粒徑、試件尺寸和浸泡時(shí)間,按照預(yù)設(shè)的控制因素設(shè)置9個(gè)試驗(yàn)組,每組6塊試件,總計(jì)54塊試件,具體分組及主要參數(shù)如表1所示。試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱內(nèi),干燥控制條件采用本團(tuán)隊(duì)研究確立的最佳干燥工藝[18-19],即在105℃持續(xù)干燥120 h。完全干燥的試件待自然冷卻后,記錄其質(zhì)量,然后將試件分組放入水箱中,慢慢加入自來水,讓水面與試件頂面平齊,并且保證試件吸水后仍能被淹沒。在開始浸泡的10 h內(nèi)每隔0.5 h將各組試件取出,然后用濕布擦拭表面,使表面不存在水滴,但仍保持濕潤(rùn)狀態(tài),稱取浸泡后試件質(zhì)量,再放回水箱中繼續(xù)浸泡。在浸泡時(shí)間為10～20 h內(nèi)每隔1 h檢測(cè)一次質(zhì)量,隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)適當(dāng)增大試件質(zhì)量檢測(cè)的間隔時(shí)間,各試驗(yàn)組浸泡時(shí)間總長(zhǎng)均為270 h。通過分別間歇記錄9個(gè)試驗(yàn)組試件質(zhì)量隨浸泡時(shí)間的變化過程,按照式(1)(2)分別計(jì)算含水率和飽和度。當(dāng)混凝土試件吸水速率(混凝土試件單位時(shí)間單位表面積吸收水的質(zhì)量)不大于2×10-3kg/(m2·h)時(shí),即認(rèn)為試件達(dá)到近似飽和狀態(tài),每個(gè)試驗(yàn)組的含水率與飽和度均為6個(gè)試件的平均值。

(1)

(2)

式中:ρt為浸泡時(shí)間t時(shí)的含水率,%;St為浸泡時(shí)間t時(shí)的飽和度,%;mt為浸泡時(shí)間t時(shí)的試件質(zhì)量,kg;mw為飽和試件的質(zhì)量,kg;m0為干燥試件的質(zhì)量,kg。

2 試驗(yàn)成果及分析

2.1 不同浸泡時(shí)間下的濕度

圖1 不同混凝土的含水率變化曲線

通過間歇記錄不同浸泡時(shí)間下的試件吸水質(zhì)量,共獲取54個(gè)試件的吸水質(zhì)量數(shù)據(jù),得到不同強(qiáng)度等級(jí)、最大骨料粒徑、試件尺寸的混凝土含水率隨浸泡時(shí)間的變化規(guī)律(圖1)。由圖1可知,各組試件的含水率隨浸泡時(shí)間的變化規(guī)律基本相似,在浸泡前期的5 h內(nèi),含水率呈近似線性快速增長(zhǎng),隨浸泡時(shí)間的延續(xù),含水率呈非線性增長(zhǎng),待浸泡后期試件達(dá)到近似飽和狀態(tài)時(shí),含水率變化極為緩慢,基本保持恒定。值得注意的是,由于混凝土吸水過程是復(fù)雜而緩慢的過程,短時(shí)間內(nèi)并不能達(dá)到絕對(duì)飽和狀態(tài),因而本文定義的飽和狀態(tài)為近似飽和狀態(tài)。

由圖1可以得出:

a. 最大骨料粒徑和試件尺寸相同時(shí),相同浸泡時(shí)間條件下,強(qiáng)度等級(jí)越低,吸水速率越快,含水率越高。譬如,最大骨料粒徑為40 mm,試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的3種強(qiáng)度等級(jí)混凝土試件中,浸泡時(shí)間為32 h時(shí),C15混凝土試件的含水率分別為C20、C30混凝土的1.09倍、1.18倍。達(dá)到相同含水率,低強(qiáng)度等級(jí)混凝土所需時(shí)間較短,譬如最大骨料粒徑為40 mm,試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的3種強(qiáng)度等級(jí)混凝土試件中,當(dāng)含水率達(dá)到3.75%時(shí),C15混凝土所需浸泡時(shí)間僅為C20、C30混凝土的42.68%、25.92%。

b. 相同水灰比和試件尺寸條件下,試件的最大骨料粒徑越大,試件達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)含水率越低。譬如第5、6試驗(yàn)組的水灰比均為0.55,試件尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm,當(dāng)浸泡時(shí)間為125 h時(shí),最大骨料粒徑為20 mm的第5組混凝土試件含水率是最大骨料粒徑為40 mm的第6組含水率的1.19倍。

c. 相同水灰比和最大骨料粒徑條件下,試件表面積與體積之比(比表面積)越大,試件達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí),其含水率越高。譬如,第4、5試驗(yàn)組具有相同骨料粒徑和水灰比,第5組試件的比表面積為0.04 mm2/mm3,第4組試件的比表面積為0.06 mm2/mm3。浸泡時(shí)間均為100 h時(shí),第5組試件含水率為第4組的1.05倍。

圖2 含水率的試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比

圖3 飽和度的試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比

目前我國(guó)工程項(xiàng)目與室內(nèi)混凝土試驗(yàn)主要采用尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試件,且骨料級(jí)配為兩級(jí)配。因而對(duì)本試驗(yàn)中第3、6、9組數(shù)據(jù),采用Gauss函數(shù)擬合得到強(qiáng)度等級(jí)為C15、C20、C30,最大骨料粒徑為40 mm的混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試件含水率、飽和度關(guān)于浸泡時(shí)間的函數(shù)關(guān)系式,見式(3)(4)。圖2為C15、C20、C30混凝土含水率試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的對(duì)比,圖3為C15、C20、C30混凝土飽和度試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的對(duì)比。由圖2、3可知,試驗(yàn)值與公式預(yù)測(cè)值吻合較好,有良好的相關(guān)性,表明該擬合公式可用于混凝土含水率與飽和度的估算,同時(shí)為后續(xù)不同濕度下的混凝土力學(xué)性能研究的濕度控制提供依據(jù)。

ρt=A0+A1e-t/A2

(3)

(4)

表2 公式(3)(4)參數(shù)

圖4 C15混凝土含水率曲線與吸水速率曲線

2.2 混凝土吸水機(jī)理及過程分析

以C15混凝土含水率和吸水速率隨浸泡時(shí)間的變化規(guī)律為例(圖4),進(jìn)一步分析混凝土的吸水特性。由圖4可見,混凝土吸水過程近似可劃分為3個(gè)階段,即AB、BC、CD段。AB段為近似線性吸水階段,時(shí)間段為0～3 h,含水率呈線性快速增長(zhǎng),平均吸水速率達(dá)到0.42 kg/(m2·h),浸泡3 h后試件含水率已達(dá)近似飽和含水率的49.81%。該階段水分主要通過吸附和表面擴(kuò)散進(jìn)入干燥混凝土孔隙中,水在孔壁上形成吸附層,水分通過擴(kuò)散進(jìn)入試件內(nèi)部,表現(xiàn)為表面吸水,水分分布于混凝土表層。將浸泡3 h的試件劈裂成兩半(圖5(a)),此時(shí)水分僅分布于試件表層部分,試件中心部位完全干燥,水分浸入深度約為2～3 cm。

BC段為非線性吸水階段,時(shí)間段為3～72 h，含水率呈非線性遞增,吸水速率逐漸降低。隨著內(nèi)部濕度的繼續(xù)增加,水分持續(xù)以水膜形式向試件內(nèi)部傳輸,出現(xiàn)局部水飽和,形成液體滲流,但水分并未均勻分布于整個(gè)試件,試件中心位置仍存在部分干燥區(qū)。浸泡72 h后試件含水率已達(dá)飽和含水率的96.88%。此時(shí)將浸泡試件劈裂分開(圖5(b)),水分基本已浸入試件內(nèi)部,達(dá)到局部飽和狀態(tài),但試件中心部分仍存在部分干燥區(qū)。

CD段為近似飽和階段,時(shí)間段為72～270 h,該階段吸水速率極為緩慢,含水率僅增加了3.12%。少量水分繼續(xù)以水膜形式向試件內(nèi)部傳輸,形成液體滲流,同時(shí)在濕度梯度作用下,水分由外層向內(nèi)層逐漸擴(kuò)散,水分逐漸均勻分布于整個(gè)混凝土試件,該階段試件總體飽和度已基本恒定,主要為水分分布狀態(tài)的變化。浸泡270 h時(shí)試件內(nèi)部水分分布如圖5(c)所示,水分基本已均勻分布于整個(gè)試件內(nèi)部。

圖5 不同浸泡時(shí)間下C15混凝土水分分布

3 結(jié) 論

a. C15、C20、C30兩級(jí)配混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體試件在前3 h內(nèi)含水率隨浸泡時(shí)間呈線性快速增長(zhǎng),浸泡3 h時(shí)其含水率分別已達(dá)近似飽和含水率的49.81%、36.25%、38.50%,浸泡270 h時(shí)各類型混凝土試件已到達(dá)近似飽和狀態(tài)。

b. 強(qiáng)度等級(jí)越高,水灰比越小,混凝土的吸水能力越低,其吸收和容水能力越弱。混凝土最大骨料粒徑越小,試件達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)含水率越高。混凝土試件比表面積越大,試件達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的含水率越高。

c. 混凝土三維吸水過程近似可劃分為3個(gè)階段：近似線性吸水階段、非線性吸水階段、近似飽和階段。C15混凝土在近似線性吸水階段的飽和度可達(dá)49.81%,而近似飽和階段吸水速率極為緩慢,飽和度增長(zhǎng)僅為3.12%。