凍融循環過程中混凝土內部溫度－相對濕度關系

侯云芬，司武保，王 玲，吳越愷，王振地

（1.北京建筑大學 土木與交通工程學院，北京 100044；2.北京建筑大學 北京市高校工程結構與新材料工程研究中心，北京 100044；3.中國建筑材料科學研究總院，北京 100024）

混凝土中的濕度變化對混凝土耐久性影響很大.大量研究［1－8］表明：混凝土的開裂主要是由非荷載因素引起的，其中濕度變化導致的塑性收縮、干縮及自干燥是開裂的主要原因.一般混凝土表面干縮較大，而自收縮則相對均勻地分布在混凝土內部.因此，許多研究者針對混凝土內部濕度分布特點、濕度隨養護齡期的變化、濕度變化對混凝土體積變形及強度等的影響、不同強度等級和不同骨料對混凝土濕度分布的影響以及濕度測定方法等進行了研究.另外的研究還發現，混凝土內部濕度的變化也會對混凝土的微觀結構造成影響.但是，以上各項關于混凝土內部濕度的研究主要是基于常溫條件，檢索發現，有關在凍融作用下混凝土濕度變化的研究成果幾乎為零.在凍融循環作用下，隨著溫度的變化，尤其是在結冰過程和冰晶融化過程中，混凝土中的濕度分布及其變化規律、濕度變化與混凝土孔結構和孔溶液的關系等等都是十分重要的.為此，本文研究了凍融循環過程中混凝土內部溫度－相對濕度（以下簡稱為濕度）關系，獲得該條件下的濕度分布規律，為進一步研究濕度變化對混凝土其他性能的影響提供借鑒.

1 原材料與試驗設計

1.1 原材料

為了控制材料對試驗結果的影響，本文采用傳統混凝土配制方法，即不加摻和料和外加劑.原材料為：42.5普通硅酸鹽水泥，其性能見表1；Ⅱ區中砂，細度模數為2.6；碎石，顆粒級配為5～20mm.

表1 水泥技術性能Table 1 Properties of cement

1.2 試驗設計

1.2.1 配合比

為了比較混凝土的孔隙率和孔隙特征對凍融循環作用下混凝土內部溫度－濕度關系的影響，設計3組邊長100mm 的立方體混凝土試件，其配合比見表2.制作好的試件標準養護1d后拆模，繼續標準養護至28d.

1.2.2 傳感器選擇及布置

試驗中需要在混凝土試件內部埋設溫度、濕度傳感器來收集混凝土內部濕度隨溫度的變化情況.混凝土試件需經過澆注成型、養護脫模和后期測試等環節，所以在選擇與試件匹配的傳感器時主要考慮傳感器埋設的穩定性與可操作性，以及數據傳遞的準確性和及時性.

表2 混凝土試件配合比Table 2 Mix proportion of concrete specimen

（1）選擇JWSM－6 系列防爆型溫濕度傳感器，其溫度量程為－20～60℃，準確度為±0.5℃；濕度量程為0%～100%，準確度為±3%.傳感器探頭部分為棒狀，外徑約12mm，材質為復合金屬材料，能夠與試件澆注時預留的PVC外套管相匹配；另外在傳感器探頭外部加裝固定橡膠套以便與外套管緊密連接，從而達到將其固定在混凝土試件內任意深度的要求.傳感器探頭與外加套管之間的連接情況如圖1所示.

圖1 傳感器探頭與外加套管的連接Fig.1 Join of sensor probe with outer drivepipe（size：mm）

（2）為研究混凝土內部不同深度處的濕度分布情況，在試件的豎直方向上，傳感器埋設深度分別為距試件上表面16.7，33.3，50.0mm；水平方向上則是位于試件中心處，見圖2.

圖2 傳感器布置圖Fig.2 Arrangement diagram of digital sensor（size：mm）

1.2.3 濕度計算

混凝土是固、液、氣三相結合體，在凍融循環的溫度變化范圍內，混凝土的固相部分變化很小，而液相會有很大變化，并導致其氣相發生變化，所以通過測定混凝土內部空氣的相對濕度來表征其內部濕度隨溫度的變化.因此，混凝土內部濕度RH 的計算式為：

式中：p1為濕空氣中的水蒸氣分壓力；p2為相同溫度下水的飽和壓力.

1.2.4 凍融循環試驗

采用中國建筑材料科學研究總院自行研制的混凝土耐久性研究多功能試驗機對標準養護28d的試件進行凍融試驗，在凍融循環試驗過程中同時監測試件內部的溫度和濕度變化.因為常規快速凍融循環試驗所用試件高度為300mm，本試驗采用的是邊長100mm 的立方體試件，所以先在橡膠套筒中放置2塊立方體試塊，然后將預埋有溫濕度傳感器的試件放在最上面且高出液面10mm，即試件上表面處于空氣中，屬于氣凍狀態，下面部分處于水中.

試驗設定的凍融循環溫度區間為－15～10℃.

2 試驗結果與分析

2.1 凍融循環作用下混凝土內部溫度－濕度關系曲線

圖3為經歷n次（n＝5，10，15，20，25）凍融循環的R1組試件在內部深度為16.7，33.3，50.0mm 處的溫度－濕度曲線.

圖3 經歷不同凍融循環次數的R1組試件在內部不同深度處的溫度－濕度曲線（上半部為降溫段，下半部為升溫段）Fig.3 Temperature－humidity curves at different depths for R1specimen with different freezing and thawing cycles（upper half is freezing period，lower half is thawing period）

由圖3可見，經歷不同凍融循環次數的R1 組試件，其內部濕度均隨著溫度的變化呈現出一定的變化規律.根據溫度－濕度曲線的變化趨勢，可以將該曲線劃分為4個階段，定義為降溫增濕段、降溫降濕段、增溫增濕段和增溫降濕段.

在降溫增濕段，混凝土內部孔隙中充滿液態水，由于體系溫度下降，使其飽和蒸汽壓降低，進而使測得的濕度增大.當溫度降到－5～－10℃時，試件內部濕度變化出現了轉折，可以認為是混凝土中毛細孔水開始結冰，使孔隙中液態水含量開始降低所致，因而認定濕度轉折點所對應的溫度就是混凝土內部水的結冰溫度.此后隨著溫度繼續降低至－15 ℃（降溫降濕段），存在于較小孔隙中的水分也開始結冰，混凝土內部液態水含量迅速減小，濕度呈現迅速下降的趨勢，由原來的97%左右降低到91%左右（見圖3（c））.

觀察發現，混凝土內部的結冰溫度并不是水的理論冰點（即0℃），而是－5～－10℃，即出現了過冷現象.原因是混凝土內部存在著大量的微小孔隙，其中的水分要在0℃以下才會結冰；另外，混凝土孔隙中的水分是含有各種離子（如鈣離子、硫酸根離子、氫氧根離子等）的鹽溶液，這也導致了過冷現象的出現.

溫度為－15～－5 ℃時屬增溫增濕段.此時試件內部濕度隨溫度升高而增大.在此溫度范圍內，盡管混凝土內部孔隙的水分仍然以冰的形態存在，但由于溫度升高，混凝土內部氣相的水汽壓增大，而其飽和蒸汽壓仍不變，從而使測得的濕度值呈現隨溫度升高而增大的趨勢.

溫度為－5～0℃時屬增溫降濕段.此時混凝土中的冰開始融化，使其內部濕度狀態發生改變，濕度曲線出現了轉折，這一溫度可以認為是混凝土中冰晶的融化溫度.隨著溫度逐漸升高，孔隙中大量的冰相繼融化，使混凝土內部的水分含量增多，液態水的數量也相對穩定，所以濕度基本恢復到凍融循環開始時的狀態.又因為孔徑越大的孔中水的結冰溫度越高，孔徑越小的孔中水的結冰溫度越低，所以隨著溫度升高，不同孔徑中的冰逐漸融化，在一定程度上有連續性，導致試件濕度不斷增大.

綜上所述，可以通過凍融循環過程中試件內部濕度隨溫度變化的轉折點來確定經歷凍融循環的混凝土中水分結冰和冰晶融化溫度.

2.2 凍融循環過程中濕度在不同深度處的分布特點

比較圖3（a）～（c）可以發現，隨著深度的增大，經歷不同凍融循環次數的試件濕度整體表現出增大的趨勢.為了進一步比較，將R1組試件在不同深度處的最大濕度（對應于結冰溫度）平均值RH1和最小濕度（對應于試驗設置的最低溫度）平均值RH2列于表3.

表3 R1組試件在不同深度處的濕度平均值Table 3 Humidity of R1specimen at different depths

由表3 可見，與16.7 mm 深度相比，深度為33.3mm 和50.0mm 處的最大濕度平均值分別增加了2.3%和6.8%，最小濕度平均值增加了5.4%和10.2%.因為在凍融試驗時，試件的表面處于氣凍狀態，并沒有浸泡在液體中，所以距離試件表面越近濕度值越低，即試件內部孔隙的充水程度越低；在試件深處的濕度值較大，孔隙的充水程度較高.

圖3（a）的溫度－濕度曲線與圖3（b），（c）相比略有差異.分析認為，這一方面是和溫濕度傳感器的埋置深度有關，當埋置深度較淺時，測定結果會受試件成型時的影響而波動較大，當深度達50.0mm 時，傳感器埋置的穩定性更好，測定結果更為穩定；另一方面，由于試件表面處于空氣中，受空氣濕度影響較大，這也會使測定結果出現差異.

研究發現水灰比為0.5和0.6的R2，R3組試件的溫度－濕度曲線也有類似變化，即在傳感器埋置深度較淺的位置，試件的溫度－濕度曲線出現了異常.

總體而言，雖然個別凍融循環曲線出現了差異，但總的曲線變化趨勢基本一致，即凍融循環過程中，試件內部的溫度－濕度變化符合4個階段規律.

2.3 水灰比對凍融循環過程中溫度－濕度關系的影響

R1，R2，R3 組試件在16.7，50.0mm 深度處，凍融循環第1次時的溫度－濕度曲線見圖4.

圖4 第1次凍融循環時3組試件的溫度－濕度曲線（上半部為降溫段，下半部為升溫段）Fig.4 Temperature－humidity curves of 3groups of specimens for the 1st freezing and thawing cycle（upper half is freezing period，lower half is thawing period）

由圖4可見，試件的濕度隨著水灰比的增大而增大，且試件的結冰溫度和融化溫度也呈現增大的趨勢.如16.7mm 深度處R1，R2和R3這3組試件的結冰溫度分別約為－12，－10，－8 ℃，融化溫度分別約為－5，－3，0℃.

水灰比的增大必然會使試件的孔隙率增大，孔隙尺寸增大.表4為通過壓汞試驗測得的試件凍融前和經歷25次凍融循環后的孔隙率和孔徑數據.大孔數量的增大會使試件結冰和融化溫度提高.

進一步觀察圖4可以發現，在相同溫度下，水灰比為0.4的R1組試件濕度值較小.由表2可知，水灰比為0.4的混凝土，其用水量為151kg／m3，遠少于另2組試件.在純水泥配比中，標準養護28d內，由于水泥的水化程度很高，使得混凝土內部水分很少，濕度很低.由張君等［6］的研究可知，相對濕度被認為是混凝土自收縮和干縮的統一內因.可以推定，水灰比小的混凝土，由于其內部濕度較低，毛細孔的充水程度達不到飽和狀態，所以在受凍時產生的凍脹作用較小，但是內部濕度的降低會增大其自收縮量.綜合以上分析認為，對于水灰比（或水膠比）小的混凝土（或單位用水量少的混凝土），由于其內部濕度低，毛細孔的充水程度低，由自干燥產生的自收縮影響程度可能會大于受凍時產生的凍脹應力的影響程度，對于這類混凝土建議更多地考慮自收縮的影響.

表4 凍融前后試件的孔結構Table 4 Pore structure of specimens before and after freezing and thawing cycles

3 結論

（1）在降溫過程中，隨著混凝土溫度降低其濕度增大，當濕度出現轉折表現為降低趨勢時，表明混凝土內部開始結冰；在升溫過程中，隨著混凝土溫度升高其濕度增大，當濕度出現轉折表現為降低趨勢時，表明混凝土內部的冰晶開始融化.

（2）根據凍融循環過程中濕度的變化，可以確定混凝土的結冰溫度和融化溫度.據此特點可以將溫度－濕度關系劃分為4個階段，即降溫增濕段、降溫降濕段、增溫增濕段和增溫降濕段.

（3）當混凝土的水灰比相同時，隨著深度的增大，試件內部的濕度值增大，且孔隙的充水程度越大，受到的凍脹作用越大.

（4）試件濕度隨著水灰比的減小而降低，且其結冰溫度和融化溫度呈現減小的趨勢.低水灰比混凝土內部較低的濕度可能會導致更大的自收縮和較小的凍脹作用力.

［1］理查德W 伯羅斯.混凝土的可見與不可見裂縫［M］.廉慧珍，覃維祖，李文偉，譯.北京：中國水利水電出版社，2013：4－8.BURROWS R W.The visible and invisible cracking of concrete［M］.Translated by LIAN Huizhen，QIN Weizu，LI Wenwei.Beijing：China Water Power Press，2013：4－8.（in Chinese）

［2］朱岳明，劉有志.混凝土濕度和干縮變形及應力特性的細觀模型分析［J］.水利學報，2006，37（10）：1163－1168.ZHU Yueming，LIU Youzhi.Analysis of concrete moisture dry shrinkage and stress based on mesoscopical model［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2006，37（10）：1163－1168.（in Chinese）

［3］張君，侯東偉，高原.干燥與潮濕環境下混凝土抗壓強度和彈性模量發展分析［J］.水利學報，2012，43（2）：1321－1324.ZHANG Jun，HOU Dongwei，GAO Yuan.Development of strength and elastic modulus of concrete under moisture and drying curing conditions［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2012，43（2）：1321－1324.（in Chinese）

［4］高原，張君，孫偉.干濕循環下混凝土濕度與變形的測量［J］.清華大學學報：自然科學版，2012，52（7）：144－149.GAO Yuan，ZHANG Jun，SUN Wei.Concrete deformation and interior humidity during dry－wet cycle［J］.Journal of Tsinghua University：Natural Science，2012，52（7）：144－149.（in Chinese）

［5］蔣鴻.混凝土養護過程中溫濕度的測定分析［J］.重慶建筑，2011，9（5）：40－42.JIANG Hong.Analyzing and measuring temperatures and humidity changes inside the concrete cultivation［J］.Chongqing Architecture，2011，9（5）：40－42.（in Chinese）

［6］張君，侯東偉，高原.混凝土自收縮與干燥收縮的統一內因［J］.清華大學學報：自然科學版，2010，50（9）：1321－1324.ZHANG Jun，HOU Dongwei，GAO Yuan.Uniform driving force for autogenous and drying shrinkage of concrete［J］.Journal of Tsinghua University：Natural Science，2010，50（9）：1321－1324.（in Chinese）

［7］黃瑜，祁錕，張君.早齡期混凝土內部濕度發展特征［J］.清華大學學報：自然科學版，2007，47（3）：309－312.HUANG Yu，QI Kun，ZHANG Jun.Development of internal humidity in concrete at early ages［J］.Journal of Tsinghua University：Natural Science，2007，47（3）：309－312.（in Chinese）

［8］蔣正武，孫振平，王培銘.高性能混凝土自身相對濕度變化的研究［J］.硅酸鹽學報，2003，31（8）：770－773.JIANG Zhengwu，SUN Zhenping，WANG Peiming.Study on autogenous relative humidity change in high performance concrete［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，2003，31（8）：770－773.（in Chinese）