恒定氣候環(huán)境下表面裂縫對(duì)混凝土內(nèi)部濕度響應(yīng)的影響

蔣建華，裘佳琪，付用全，林明益，胡飛飛

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210024)

0 引 言

混凝土結(jié)構(gòu)工程的耐久性問(wèn)題造成了大量經(jīng)濟(jì)損失，引起了工程界的日益關(guān)注?；炷梁瑵駹顟B(tài)是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素之一[1]。混凝土的硅-堿反應(yīng)、凍融破壞、氯離子侵蝕、碳化以及鋼筋銹蝕等耐久性問(wèn)題均與混凝土孔隙含水量有關(guān)[2-6]。混凝土內(nèi)部的含濕狀態(tài)又很大程度上取決于外部氣候環(huán)境，內(nèi)部相對(duì)濕度總是隨著環(huán)境相對(duì)濕度的變化而變化[7]。

一般認(rèn)為，在穩(wěn)定的大氣環(huán)境作用下，混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度變化發(fā)生于近表面區(qū)域，在臨界深度之外趨于常數(shù)[8-9]。溫度、濕質(zhì)擴(kuò)散率作為影響混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度的重要因素得到了廣泛的認(rèn)同[1,10]。同時(shí)，為定量化研究大氣環(huán)境對(duì)混凝土內(nèi)部濕度環(huán)境的作用關(guān)系，劉鵬等[11]利用氣象資料理論推導(dǎo)出自然環(huán)境濕度作用譜和混凝土內(nèi)濕度響應(yīng)譜模型；Jiang等[12]基于某一特定區(qū)域的氣象資料，利用數(shù)學(xué)方法從溫度和濕度出發(fā)建立氣候作用譜，相應(yīng)地建立了微環(huán)境作用譜。目前，對(duì)混凝土內(nèi)部濕度響應(yīng)的研究多基于材料層面，實(shí)際的混凝土結(jié)構(gòu)需承擔(dān)荷載作用，研究荷載效應(yīng)的影響具有實(shí)際意義。Min等[10]通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度響應(yīng)速率隨著荷載損傷程度的增加而加快。Ryu等[8]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著裂縫寬度的增大，混凝土內(nèi)部呈現(xiàn)出較快的干燥速率。實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)往往是帶裂縫工作的，而目前進(jìn)行混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度響應(yīng)研究時(shí)較少考慮表面裂縫的影響，研究帶裂縫混凝土的內(nèi)部濕度響應(yīng)對(duì)服役混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和壽命預(yù)測(cè)有重要意義。

本文通過(guò)人工模擬恒定氣候環(huán)境，考慮不同水灰比和不同粉煤灰摻量工況，研究混凝土表面不同寬度和不同深度裂縫對(duì)混凝土試件內(nèi)部濕度響應(yīng)的影響規(guī)律和機(jī)理，并提出考慮裂縫影響的混凝土內(nèi)部濕度響應(yīng)預(yù)測(cè)模型。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件設(shè)計(jì)

濕度響應(yīng)試件采用尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的混凝土立方體試件，混凝土內(nèi)部濕度測(cè)量如圖1所示。本文的濕度響應(yīng)試驗(yàn)中，考慮不同水灰比工況時(shí)，采用水灰比w/c分別為0.33，0.40和0.50的普通混凝土；考慮不同粉煤灰摻量工況時(shí)，保持水膠比為0.40不變，粉煤灰摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))w(FA)分別為0%，15%和30%，具體配合比如表1所示。試驗(yàn)中水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料采用河砂(中砂)，細(xì)度模數(shù)為2.5；粗骨料采用粒徑為5～15 mm的碎石；粉煤灰為Ⅱ級(jí)粉煤灰；減水劑為液態(tài)聚羧酸減水劑；拌合水為普通自來(lái)水。

圖1 混凝土內(nèi)部濕度測(cè)量示意(單位：mm)Fig.1 Diagram of Concrete Internal Humidity Measurement (Unit:mm)

表1 混凝土試件配合比Tab.1 Mix Proportions of Concrete Specimens

1.2 試件制備

采用側(cè)面開(kāi)孔的木模具，在混凝土澆筑時(shí)，將直徑略大于濕度探頭外徑的PVC管通過(guò)模具的側(cè)面孔洞置入模具內(nèi)部75 mm，形成預(yù)留孔洞，用以放置濕度探頭?；炷琳駬v抹平后，利用鋼片在混凝土試件上表面預(yù)制出試驗(yàn)所需的表面裂縫。裂縫預(yù)制過(guò)程具體如下：鋼片表面涂油，將鋼片垂直插入試件澆筑表面的中間位置，插入深度依據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的裂縫深度；混凝土終凝前小心拔出鋼片，避免對(duì)混凝土的擾動(dòng)；為防止裂縫自愈合，將鋼片重新插入裂縫中，混凝土試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下(溫度20 ℃±2 ℃，環(huán)境相對(duì)濕度95%以上)養(yǎng)護(hù)28 d，濕度響應(yīng)試驗(yàn)前取出鋼片。不同水灰比和不同粉煤灰摻量工況的混凝土試件表面裂縫設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 帶表面裂縫混凝土試件設(shè)計(jì)Tab.2 Design of Concrete Specimen with Surface Crack

1.3 濕度響應(yīng)試驗(yàn)

將濕度探頭插入孔洞底端并用橡皮塞密封孔洞，橡皮塞和孔洞的縫隙用密封膠密封。為研究帶表面裂縫混凝土的正向一維濕度響應(yīng)過(guò)程，濕度響應(yīng)試驗(yàn)前將試件置于真空干燥箱中干燥處理[13]，待混凝土試件內(nèi)部初始濕度為60%±3%時(shí)取出，選取帶裂縫的澆筑面作為暴露面，其余面用密封膠帶密封，然后將試件置于溫度為25 ℃、環(huán)境相對(duì)濕度為95%的恒溫恒濕箱(圖2)中。濕度探頭外接溫濕度記錄器(圖3)，記錄器設(shè)置為每隔30 min記錄1次，試驗(yàn)周期為15 d。

圖2 恒溫恒濕箱Fig.2 Constant Temperature and Humidity Box

圖3 溫濕度記錄器Fig.3 Temperature and Humidity Recorder

2 表面裂縫對(duì)混凝土內(nèi)部濕度響應(yīng)的影響分析

2.1 不同寬度裂縫的影響

為了研究不同寬度的表面裂縫對(duì)混凝土試件內(nèi)部濕度響應(yīng)的影響規(guī)律，取裂縫深度為20 mm，裂縫寬度為0.15，0.30，0.45 mm的混凝土試件與無(wú)裂縫混凝土試件的濕度響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。不同水灰比、不同粉煤灰摻量工況下，不同寬度的表面裂縫對(duì)混凝土內(nèi)部濕度響應(yīng)影響曲線如圖4所示。

圖4 不同寬度裂縫混凝土相對(duì)濕度響應(yīng)曲線Fig.4 RH Response Curves of Concrete with Different Width Cracks

由圖4可知，在不同水灰比和不同粉煤灰摻量下，有裂縫混凝土與無(wú)裂縫混凝土相對(duì)濕度均滯后于環(huán)境相對(duì)濕度。濕度響應(yīng)前期，由于混凝土內(nèi)外濕度梯度較大，濕度增長(zhǎng)較快，隨著濕度響應(yīng)的繼續(xù)，內(nèi)部濕度增長(zhǎng)減緩。比較不同裂縫寬度的溫度響應(yīng)曲線發(fā)現(xiàn)無(wú)裂縫混凝土內(nèi)部濕度增長(zhǎng)最慢，不同寬度裂縫引起的混凝土內(nèi)部濕度響應(yīng)差異并不顯著。

為了進(jìn)一步定量分析不同寬度裂縫對(duì)混凝土濕度響應(yīng)的影響規(guī)律，定義混凝土濕度響應(yīng)速率為試驗(yàn)周期內(nèi)濕度增加量與試驗(yàn)周期的比值。分別求出不同水灰比和不同粉煤灰摻量工況下混凝土的濕度響應(yīng)速率，如圖5所示。

圖5 不同寬度裂縫混凝土相對(duì)濕度響應(yīng)速率Fig.5 RH Response Rate of Concrete with Different Width Cracks

圖5表明，水灰比和粉煤灰摻量一定時(shí)，有裂縫混凝土內(nèi)部濕度響應(yīng)速率均高于無(wú)裂縫混凝土，混凝土內(nèi)部濕度響應(yīng)速率隨裂縫寬度的增大變化不明顯，即在本文研究的寬度范圍內(nèi)，裂縫寬度對(duì)混凝土內(nèi)部濕度響應(yīng)的影響不顯著。這主要因?yàn)榱芽p寬度的改變并未引起濕氣傳輸路徑的改變，即濕氣到達(dá)混凝土內(nèi)部指定位置的距離并未改變，由于裂縫處于混凝土內(nèi)部，相較于混凝土表層的濕氣交換，較小寬度的裂縫內(nèi)部氣流更穩(wěn)定，濕氣交換也更慢，因此裂縫寬度對(duì)混凝土內(nèi)部濕度響應(yīng)的影響并不明顯。

表面裂縫寬度一定時(shí)，濕度響應(yīng)速率隨水灰比的增大而增大。這是由于濕質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)隨著水灰比的增大而增長(zhǎng)，內(nèi)部相對(duì)濕度響應(yīng)速率隨之增大。水灰比為0.50的平均速率比水灰比為0.33的平均速率增大17%～25%，比水灰比為0.40的平均速率增大12%～16%。另一方面，未摻粉煤灰的混凝土濕度響應(yīng)速率最快，粉煤灰摻量30%的混凝土次之，粉煤灰摻量為15%的混凝土濕度響應(yīng)速率最慢。具體表現(xiàn)為，未摻粉煤灰的混凝土濕度響應(yīng)平均速率比粉煤灰摻量為15%的混凝土增大8%～11%，比粉煤灰摻量30%的混凝土增大3%～5%。這主要因?yàn)閾搅繛?5%的粉煤灰使混凝土最可幾孔徑及平均孔徑減小，微觀結(jié)構(gòu)更密實(shí)，而粉煤灰摻量30%混凝土的最可幾孔徑和平均孔徑與普通混凝土相當(dāng)[14]。結(jié)構(gòu)的致密程度顯著影響了內(nèi)部相對(duì)濕度響應(yīng)速率。

2.2 不同深度裂縫的影響

為了研究不同深度的表面裂縫對(duì)混凝土試件內(nèi)部濕度響應(yīng)的影響規(guī)律，取裂縫寬度為0.30 mm，裂縫深度為10，20，30 mm的混凝土試件與無(wú)表面裂縫的混凝土試件濕度響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。不同水灰比、不同粉煤灰摻量工況下，不同深度的表面裂縫對(duì)混凝土內(nèi)部濕度響應(yīng)影響曲線如圖6所示。

圖6 不同深度裂縫混凝土相對(duì)濕度響應(yīng)曲線Fig.6 RH Response Curves of Concrete with Different Depth Cracks

由圖6可知，濕度響應(yīng)時(shí)間一定時(shí)，混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度值隨表面裂縫深度的增加而增大。由于裂縫深度的增大，縮短了濕氣傳輸路徑，裂縫深度越深試件內(nèi)部濕氣傳輸越快。為進(jìn)一步定量分析不同水灰比和粉煤灰摻量工況下裂縫深度對(duì)混凝土內(nèi)部濕度響應(yīng)的影響，分別求出不同水灰比和粉煤灰摻量工況下混凝土的濕度響應(yīng)速率，得到不同深度裂縫與濕度響應(yīng)速率的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 不同深度裂縫混凝土濕度響應(yīng)速率Fig.7 RH Response Rate of Concrete with Different Crack Depths

由圖7可知，不同水灰比和粉煤灰摻量工況下的混凝土均表現(xiàn)為有裂縫混凝土試件內(nèi)部濕度響應(yīng)速率高于無(wú)裂縫試件，且隨裂縫深度的增加，混凝土試件內(nèi)部濕度響應(yīng)速率呈線性增大。裂縫深度相同時(shí)，混凝土內(nèi)部濕度響應(yīng)速率隨水灰比的增大而增大，水灰比為0.50的混凝土濕度響應(yīng)速率比水灰比為0.33的混凝土增大15%～25%。未摻粉煤灰的混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度響應(yīng)速率最快，粉煤灰摻量為30%的混凝土次之，粉煤灰摻量為15%的最小，這與第2.1節(jié)的研究結(jié)果一致。

不同水灰比工況下水灰比越大，裂縫深度對(duì)混凝土內(nèi)部濕度響應(yīng)影響越明顯；粉煤灰摻量為30%時(shí)，裂縫深度對(duì)混凝土濕度響應(yīng)的影響較粉煤灰摻量為15%時(shí)明顯。這主要是因?yàn)樗冶仍酱蠛头勖夯覔搅窟^(guò)大時(shí)，均會(huì)導(dǎo)致混凝土孔隙率增大，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)越不致密，濕氣傳輸系數(shù)越大，因而裂縫的影響更顯著。

3 考慮裂縫影響的混凝土內(nèi)部濕度響應(yīng)預(yù)測(cè)模型

裂縫的存在會(huì)改變外部環(huán)境濕氣進(jìn)入混凝土內(nèi)部環(huán)境的路徑，從而影響混凝土的濕度響應(yīng)，因此在建立服役環(huán)境下混凝土內(nèi)部濕度響應(yīng)預(yù)測(cè)模型時(shí)應(yīng)考慮裂縫的影響。在建立預(yù)測(cè)模型時(shí)，為同時(shí)反映裂縫寬度和深度的影響，可選取裂縫體積作為定量表征裂縫的指標(biāo)。

本文研究的帶表面裂縫的混凝土試件相對(duì)濕度一維響應(yīng)過(guò)程可分為濕氣在未開(kāi)裂混凝土中的擴(kuò)散過(guò)程及濕氣在裂縫內(nèi)的擴(kuò)散過(guò)程。濕氣在裂縫內(nèi)的擴(kuò)散過(guò)程可近似看作濕氣在空氣中的擴(kuò)散。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[15]，空氣中的濕氣擴(kuò)散系數(shù)大小一般在1×10-5～2×10-5m2·s-1，與壓強(qiáng)、溫度等因素有關(guān)。鑒于混凝土裂縫寬度較小，且裂縫中空氣流通性差，本文取裂縫中的濕氣擴(kuò)散系數(shù)Dc為1.50×10-6m2·s-1。未開(kāi)裂混凝土的濕氣擴(kuò)散系數(shù)可通過(guò)公式(1)計(jì)算得到[16]

Dp=exp(0.741 4w/c+0.038 5T+

0.037ΔH-14.192)

(1)

式中：Dp為無(wú)裂縫混凝土等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)；T為混凝土內(nèi)溫度；ΔH為混凝土內(nèi)外初始濕度差。

參照文獻(xiàn)[17]，可通過(guò)考慮裂縫對(duì)混凝土傳質(zhì)系數(shù)的影響，進(jìn)而考慮裂縫存在對(duì)混凝土傳質(zhì)過(guò)程的影響，帶表面裂縫的混凝土等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)可表達(dá)如下

(2)

式中：Dcr為帶裂縫混凝土的等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)；Vc為裂縫的體積；Vp為未開(kāi)裂混凝土的體積。

由文獻(xiàn)[16]可知，混凝土內(nèi)部任意位置、任意時(shí)刻的相對(duì)濕度可用式(3)表示

(3)

在混凝土相對(duì)濕度響應(yīng)預(yù)計(jì)模型公式(3)中，涉及誤差函數(shù)erf(φ)的計(jì)算，本文采用雙曲正切函數(shù)近似計(jì)算法[18]，即

erf(φ)=tanh(1.128 38φ+0.102 77φ3)

(4)

下面以水灰比為0.40，裂縫寬度為0.30 mm，裂縫深度為30 mm的混凝土試件為例，介紹理論模型的驗(yàn)證過(guò)程?；炷羶?nèi)部溫度T=20 ℃，混凝土內(nèi)部初始相對(duì)濕度H0=58.5%，環(huán)境相對(duì)濕度He=95.0%。具體驗(yàn)證過(guò)程為：

(1)首先計(jì)算帶裂縫混凝土的等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)Dcr，由式(1)可得Dp=7.70×10-6m2·h-1，取Dc=5.40×10-3m2·h-1，裂縫體積Vc=1.35×10-6m3，無(wú)裂縫的混凝土體積Vp=3.37×10-3m3。因此，可計(jì)算出Dcr=9.85×10-6m2·h-1。

(2)將x=0.075 m和t，Dcr代入計(jì)算不同時(shí)刻的φ值，然后將φ值代入公式(4)，得到不同時(shí)刻的誤差函數(shù)erf(φ)值。

(3)將已知的H0，He以及不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的誤差函數(shù)erf(φ)值代入公式(3)，計(jì)算出不同時(shí)刻的混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度值，濕度響應(yīng)理論值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比如圖8所示。

圖8 混凝土濕度理論值與實(shí)測(cè)值的比較Fig.8 Comparison Between Theoretical and Measured RH of Concrete

由圖8可知，相對(duì)濕度理論值與實(shí)測(cè)值的均值分別為65.46%，66.27%，標(biāo)準(zhǔn)差分別為4.69%，4.62%，均值和標(biāo)準(zhǔn)差的差值均在1%以內(nèi)，且2組數(shù)據(jù)的判定系數(shù)R2為0.988，表明理論值與實(shí)測(cè)值吻合度較好，建立的考慮表面裂縫影響的混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度響應(yīng)預(yù)測(cè)模型可行。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)同一水灰比和粉煤灰摻量工況下，有裂縫混凝土內(nèi)部濕度響應(yīng)速率高于無(wú)裂縫混凝土內(nèi)部濕度響應(yīng)速率，在本文所研究的裂縫寬度和深度范圍內(nèi)，混凝土內(nèi)部濕度響應(yīng)速率隨裂縫寬度的增大變化不明顯，隨裂縫深度的增大呈線性增大。

(2)裂縫形態(tài)一定時(shí)，混凝土內(nèi)部濕度響應(yīng)速率隨水灰比的增大而增大；對(duì)于不同粉煤灰摻量工況，未摻粉煤灰混凝土試件內(nèi)部濕度響應(yīng)速率最快，粉煤灰摻量30%的混凝土次之，粉煤灰摻量15%的最小。

(3)不同水灰比混凝土相比較而言，水灰比越大，裂縫對(duì)混凝土濕度響應(yīng)的影響越顯著；不同粉煤灰摻量混凝土相比較而言，粉煤灰摻量為30%時(shí)裂縫對(duì)混凝土濕度響應(yīng)的影響較粉煤灰摻量為15%時(shí)顯著。

(4)提出了考慮表面裂縫影響的混凝土等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算公式，進(jìn)而建立恒定氣候環(huán)境下帶表面裂縫混凝土內(nèi)部濕度響應(yīng)預(yù)測(cè)模型，模型理論值與實(shí)測(cè)值吻合較好，驗(yàn)證了該模型的可行性。