基于微環(huán)境溫濕度的混凝土孔隙水飽和度預(yù)計

魯彩鳳，張艷龍，姬永生，蔣建華

基于微環(huán)境溫濕度的混凝土孔隙水飽和度預(yù)計

魯彩鳳1,2，張艷龍3，姬永生1,2，蔣建華4

(1.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，江蘇徐州，221116；
2.中國礦業(yè)大學(xué)江蘇省土木工程環(huán)境災(zāi)變與結(jié)構(gòu)可靠性重點實驗室，江蘇徐州，221008；
3.徐州原土建筑設(shè)計有限公司，江蘇徐州，221008；
4.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京，210098)

研究混凝土微環(huán)境相對濕度、溫度及微觀結(jié)構(gòu)對孔隙水飽和度的影響機理，并通過恒定人工氣候環(huán)境下粉煤灰混凝土孔隙水飽和度的測定進行驗證，建立基于混凝土微環(huán)境影響的孔隙水飽和度預(yù)計模型。研究結(jié)果表明：粉煤灰混凝土水膠比越小，其孔隙水飽和度越大；粉煤灰混凝土孔隙水飽和度隨微環(huán)境相對濕度的提高而增大，隨微環(huán)境溫度的升高而下降；恒定微環(huán)境溫濕度情況下，當(dāng)粉煤灰摻量不超過15%時，混凝土孔隙水飽和度隨粉煤灰摻量的增大而增大，但粉煤灰摻量超過15%時，其隨粉煤灰摻量的增大而降低。粉煤灰混凝土孔隙水飽和度與微環(huán)境相對濕度、微環(huán)境溫度、粉煤灰摻量和水膠比之間的關(guān)系可以用指數(shù)函數(shù)較好地擬合。

孔隙水飽和度；微環(huán)境溫度；微環(huán)境濕度；粉煤灰混凝土；水膠比

混凝土濕度(含濕量)不僅對混凝土力學(xué)性能如強度、收縮等有重要影響，而且對混凝土抗氣候環(huán)境的耐久性能也有重要影響，是引起混凝土耐久性能劣化過程發(fā)生的必要條件和許多失效機理與模型建立的基礎(chǔ)[1?4]。混凝土的濕度分為混凝土外部環(huán)境濕度和混凝土內(nèi)部微環(huán)境濕度，目前有些混凝土耐久性研究中直接以混凝土外部環(huán)境相對濕度作為表達混凝土含濕量的參數(shù)，顯然這是不準(zhǔn)確的。混凝土耐久性能的退化應(yīng)該由混凝土內(nèi)部微環(huán)境氣候條件決定，如即使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)部鋼筋腐蝕缺少必要的條件(水)，鋼筋也不會發(fā)生銹蝕；反過來，則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。混凝土微環(huán)境濕度指混凝土含水率，常用混凝土孔隙水飽和度來表示[5?11]，但混凝土孔隙水飽和度無法直接測量。混凝土內(nèi)部的孔隙水飽和度取決于混凝土所處的外部環(huán)境氣候條件(指大氣環(huán)境溫濕度等)以及混凝土本身材料性能(如水膠比、礦物摻合料等)。在恒溫恒濕條件下，如果保持混凝土外部環(huán)境條件恒定不變，混凝土內(nèi)部的水分將達到與外部環(huán)境濕氣蒸發(fā)與凝聚的平衡，此時就能得到相對比較固定的混凝土內(nèi)孔隙水飽和度。本文作者基于微環(huán)境溫濕度影響孔隙水飽和度的機理分析，通過對不同粉煤灰摻量混凝土在不同溫濕度控制條件下孔隙水飽和度的測定，建立混凝土孔隙水飽和度基于微環(huán)境溫濕度影響的預(yù)計模型，從而為建立考慮微環(huán)境影響的耐久性能退化模型奠定基礎(chǔ)。

1 影響混凝土孔隙水飽和度的機理分析

根據(jù)Feldman-Sereda模型，混凝土中的水由自由水、吸附水、結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水4部分組成[1]。其中，自由水(毛細(xì)孔水)是混凝土與水直接接觸時所吸收的水分；結(jié)構(gòu)水(層間水)以氫鍵結(jié)合在水化硅酸鈣凝膠層的層間，只能在強烈干燥(相對濕度低于11%)才會失去；結(jié)晶水是指結(jié)合在礦物之中的水分，它只有在高溫時才分解釋放。大氣吸附水是牢固存在于混凝土微毛細(xì)孔及大毛細(xì)孔與非毛細(xì)孔孔壁表面的水分。混凝土孔隙中的水有氣態(tài)和液態(tài)2種存在形式，氣態(tài)水是指當(dāng)環(huán)境濕度較低時較易以水蒸汽的形式存在孔隙中，當(dāng)環(huán)境濕度較高時水蒸汽凝聚成液態(tài)水，它以液態(tài)水膜形式吸附在混凝土孔壁上。

混凝土暴露于大氣環(huán)境中，混凝土表面孔隙與環(huán)境濕度差將導(dǎo)致混凝土?環(huán)境界面上的水分交換，混凝土孔隙中與大氣環(huán)境相平衡的僅為吸附水。當(dāng)環(huán)境濕度低于混凝土表面孔隙濕度時，孔隙中的水蒸汽直接擴散到空氣中，同時混凝土表面孔隙液態(tài)水先蒸發(fā)到大氣中并導(dǎo)致表面孔隙毛細(xì)壓力增加，進而導(dǎo)致液態(tài)水由混凝土深處向表面滲透；當(dāng)環(huán)境濕度高于混凝土表面孔隙濕度時，水蒸氣通過擴散進入混凝土內(nèi)部使得混凝土內(nèi)部孔隙相對濕度逐漸增大。混凝土內(nèi)外濕氣交換通常可用Fick第二定律表述[12]：

式中：H為混凝土微環(huán)境相對濕度；t為時間；DH( H)為濕質(zhì)擴散系數(shù)。

在一定大氣環(huán)境條件下，混凝土內(nèi)外濕度達到熱力學(xué)平衡，此時混凝土含濕量(孔隙水飽和度)取決于混凝土表面的外部環(huán)境條件及混凝土孔隙結(jié)構(gòu)。

1.1 微環(huán)境濕度的影響

根據(jù)吸附理論，在恒定溫度下平衡吸附量與被吸附氣體壓力之間的關(guān)系，可以用等溫吸附曲線描述[13]。等溫吸附曲線數(shù)學(xué)描述較典型的有BET多層(n層)吸附模型，即

式中：Q為實際吸附量；Qm為表面吸滿分子層時的吸附量；α為吸附系數(shù)，它與溫度和吸附熱有關(guān)；φ=p/ ps為吸附氣體的相對壓力；p為被吸附氣體的壓力；ps為被吸附氣體的飽和壓力。

對于混凝土內(nèi)外環(huán)境濕質(zhì)傳遞而言，式(2)中等式左邊的相對吸附量反映了混凝土的含水率；同時根據(jù)相對濕度定義，吸附氣體的相對壓力φ即是混凝土微環(huán)境相對濕度。由此可知在恒定微環(huán)境溫度下，環(huán)境相對濕度越高，混凝土吸附水蒸汽量就越多，孔隙水飽和度越大。

1.2 微環(huán)境溫度的影響

相對濕度H是指水蒸汽分壓 pv與該溫度下飽和水蒸汽壓力psv( T)之比，即

式中，飽和狀態(tài)下水蒸汽壓sv()p T與溫度T的關(guān)系滿足Clausius-Clapeyron方程，近似可表示成[13]：

由式(4)可知：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，混凝土內(nèi)孔隙飽和水蒸汽壓隨溫度的升高而增大。在恒定濕度情況下，隨著溫度升高，混凝土內(nèi)水蒸汽壓必然隨飽和水蒸汽壓的增大而增大，這導(dǎo)致混凝土內(nèi)將有更多的水分以氣態(tài)水的形式存在于混凝土孔隙中，液態(tài)水含量減小，導(dǎo)致孔隙水飽和度減小。

1.3 混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響

若外部環(huán)境條件相同，則混凝土孔隙水飽和度受混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響較大。當(dāng)混凝土孔隙中水蒸汽和液態(tài)水處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)時，通過Kelvin方程可計算各相對濕度H下可能飽和的最大毛細(xì)孔徑rk[14]，即

式中：σ為表面張力(N/m)；Mw為水的摩爾質(zhì)量(kg/mol)；R為理想氣體常數(shù)(J/mol)；T為熱力學(xué)溫度(K)；lρ為液態(tài)水密度(kg/m3)。

由式(5)可知，混凝土孔隙中相對濕度與孔隙半徑直接相關(guān)。飽和狀態(tài)最大孔隙半徑為rk時處于平衡狀態(tài)下的相對濕度記為Hr，當(dāng)相對濕度超過Hr時，孔隙的水蒸汽將發(fā)生液化轉(zhuǎn)化成液態(tài)水。反過來，環(huán)境相對濕度H一定時所對應(yīng)的可能飽和的最大毛細(xì)孔徑記rk，若混凝土結(jié)構(gòu)越密實，則恒定環(huán)境條件下混凝土內(nèi)可能飽和的孔隙相對越多，孔隙水飽和度也就越大。

2 混凝土孔隙水飽和度影響的試驗驗證

影響混凝土孔隙水飽和度的主要因素有：微環(huán)境溫度、相對濕度以及混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，而混凝土孔隙結(jié)構(gòu)與混凝土本身的水膠比及礦物摻合料的摻量有關(guān)。本文針對不同粉煤灰摻量的粉煤灰混凝土，通過試驗驗證微環(huán)境相對濕度、微環(huán)境溫度、水膠比、粉煤灰摻量與混凝土內(nèi)孔隙水飽和度之間的相關(guān)性。

2.1 試驗概況

試驗粉煤灰采用徐州柳新彭城電廠排出的干排灰，其化學(xué)組成見表1。依照GB/T 1596—2005“用于水泥和混凝土中的粉煤灰”，采用負(fù)壓篩析儀(45μm方孔篩)測得粉煤灰細(xì)度(篩余量)為6.2%，采用灼燒差減法測得粉煤灰燒失量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.09%，需水量為92%，可知試驗所用的粉煤灰為Ⅰ級灰。水泥采用徐州淮海水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5水泥，其化學(xué)組成見表1，測得水泥細(xì)度1.2%，初凝時間2 h，終凝時間3.5 h，膠砂28 d抗壓強度為69.64MPa，沸煮法合格。細(xì)骨料采用天然河砂(中砂)，細(xì)度模數(shù)Mx=2.42。粗骨料石子采用為徐州漢王采石場生產(chǎn)的碎石，粒徑為5～20mm。

粉煤灰混凝土配合比設(shè)計采用超量取代法，超量系數(shù)取1.2。本試驗考慮C20，C30和C40 3種強度等級混凝土，粉煤灰摻量分別取0%(基準(zhǔn)混凝土)，15%，30%和45%，對應(yīng)編號分別為FA0，F(xiàn)A15，F(xiàn)A30，F(xiàn)A45。這里只給出了C30粉煤灰混凝土配合比(質(zhì)量比)如表2所示，通過添加江蘇博特SBTJM-Ⅷ萘系高效減水劑(減水率28%)控制各配合比混凝土坍落度均在(90±5) mm范圍內(nèi)。

2.2 試驗過程

采用標(biāo)準(zhǔn)試驗方法制作各種粉煤灰摻量的混凝土立方體試塊100mm×100mm×100mm若干，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至30 d左右后取出，用砂輪進行切割，假設(shè)立方體試塊澆筑面為上面，則從試塊側(cè)立面切割得到切片，并加工成厚約為15mm的切片(圖1)。在切割過程中用澆水方法對砂輪進行降溫，并用砂輪將切片切面磨平。每類配合比混凝土得到的切片不少于10片。試驗過程如下：1)將試件切片再標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至90 d左右后，放入水中浸泡若干天后稱其飽水質(zhì)量Gw。浸泡時間按以下方法確定：每周用精度為0.1mg的電子分析天平測定試塊質(zhì)量1次，當(dāng)2次測定質(zhì)量差不超過±1‰時,認(rèn)為混凝土已處于完全飽水狀態(tài)；2)將飽水切片放入105℃的烘箱中烘干，稱取干質(zhì)量Gg，烘干時間的確定方法與上相同；3)將烘干的混凝土切片放入設(shè)定好溫濕度的SN-90氙燈耐氣候試驗箱內(nèi)，該儀器主要是通過控制箱內(nèi)溫濕度來模擬外界環(huán)境，又稱人工氣候箱，溫度范圍為0～70℃，濕度范圍為50%～98%。當(dāng)混凝土含水率與環(huán)境相對濕度達到平衡時，稱取該溫度、相對濕度組合下試塊的質(zhì)量Gi。這里混凝土微環(huán)境與環(huán)境相對溫濕度達到平衡的確定方法同上。根據(jù)式(6)計算各溫濕度控制下對應(yīng)孔隙水飽和度S：

表1 粉煤灰和水泥的化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table1 Chem ical composition of fly ash and cement%

表2 C30混凝土質(zhì)量比Tab le 2 M ix proportions of C30 concrete

2.3 試驗結(jié)果分析

根據(jù)不同溫濕度控制條件下測得的粉煤灰混凝土孔隙水飽和度，分析微環(huán)境溫度、微環(huán)境相對濕度、水膠比及粉煤灰摻量對孔隙水飽和度的影響。

圖1 試件切割位置示意圖Fig.1 Sketchmap of specimen cutting

分別控制混凝土微環(huán)境溫度為20℃和40℃，C20，C30，C40粉煤灰混凝土孔隙水飽和度(S)隨微環(huán)境相對濕度(H)的變化規(guī)律如圖2所示。由圖2可知：在微環(huán)境溫度一定的條件下，粉煤灰混凝土孔隙水飽和度都隨著混凝土微環(huán)境相對濕度的增大而逐漸增大。由圖2(f)可知：C40混凝土控制微環(huán)境溫度為40℃，基準(zhǔn)混凝土(FA0)在微環(huán)境相對濕度為58%，77%，92%和100%時的孔隙水飽和度分別為相對濕度42%時的1.35倍、1.92倍、2.53倍和2.94倍，30%粉煤灰摻量混凝土(FA30)在微環(huán)境相對濕度58%，77%，92%和100%時的孔隙水飽和度分別是相對濕度42%時的1.34倍、1.89倍、2.48倍和2.88倍。

圖2 微環(huán)境相對濕度對粉煤灰混凝土孔隙水飽和度的影響Fig.2 Effectofmicro-environment relativehum idity on porewater saturation of fly ash concrete

分別控制混凝土微環(huán)境相對濕度為H=42%，77%及100%，C20，C30，C40粉煤灰混凝土孔隙水飽和度(S)隨微環(huán)境溫度的變化規(guī)律，如圖3所示。由圖3可知：在混凝土內(nèi)微環(huán)境相對濕度一定時，相同摻量和強度等級的粉煤灰混凝土的孔隙水飽和度隨微環(huán)境溫度的升高而下降。圖3(e)中，控制C30混凝土微環(huán)境相對濕度H=77%，粉煤灰摻量分別為0，15%，30%和45%的各混凝土試件，40℃時孔隙水飽和度比20℃時分別降低17.2%，17.4%，17%，16.9%。

圖3 微環(huán)境溫度對粉煤灰混凝土孔隙水飽和度的影響Fig.3 Effectofm icro-environment tem perature on pore water saturation of fly ash concrete

圖4 粉煤灰摻量對混凝土孔隙水飽和度的影響Fig.4 Effectof fly ash replacementon porewater saturation of concrete

圖5 水膠比對粉煤灰混凝土孔隙水飽和度的影響Fig.5 Effect ofwater-binder ratio on porewater saturation in fly ash concrete

在恒定混凝土微環(huán)境溫濕度條件下，粉煤灰摻量對C20，C30，C40粉煤灰混凝孔隙水飽和度的影響規(guī)律如圖4所示。從圖4可知：在混凝土內(nèi)微環(huán)境相對溫濕度恒定情況下，當(dāng)粉煤灰摻量不超過15%時，混凝土內(nèi)孔隙水飽和度隨粉煤灰摻量的增加而增大；當(dāng)粉煤灰摻量超過15%時，混凝土內(nèi)孔隙水飽和度隨粉煤灰摻量的增大而降低。如圖4(c)中C30混凝土，控制混凝土微環(huán)境溫濕度為20℃，H=92%，粉煤灰摻量為15%時混凝土孔隙水飽和度分別較基準(zhǔn)混凝土增大了8.8%，而粉煤灰摻量為30%和45%時混凝土孔隙水飽和度較基準(zhǔn)混凝土分別下降了8.0%和15.1%。這是由于15%粉煤灰摻量使混凝土有害孔及多害孔(孔徑＞50 nm的孔)的分孔隙率略有增大，30%和45%粉煤灰摻量使混凝土總孔隙率、有害孔及多害孔的分孔隙率明顯增大[15]，即粉煤灰摻量提高使混凝土總孔隙率或孔隙孔徑增大，混凝土孔隙內(nèi)越不容易發(fā)生毛細(xì)管凝聚現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土內(nèi)孔隙水飽和度減小。

圖5所示為在粉煤灰摻量相同條件下，控制混凝土微環(huán)境溫濕度，水膠比對粉煤灰混凝孔隙水飽和度的影響規(guī)律。從圖5可知：在相同的溫度和濕度條件下，水膠比越小，混凝土孔隙水飽和度越大。如圖5(a)所示，對于基準(zhǔn)混凝土，控制微環(huán)境條件20℃，H=77%，水膠比0.49時的孔隙水飽和度分別比水膠比為0.60和0.74時提高了11.2%和27.2%。

3 混凝土孔隙水飽和度的預(yù)計方法

由機理分析及試驗研究可知，對于給定的微環(huán)境溫濕度條件，混凝土孔隙水飽和度取決于孔隙分布情況。混凝土孔徑分布情況可以用由壓汞法測定的孔半徑分布函數(shù)表示：

式中：()f r為孔半徑分布函數(shù)(即半徑為r的孔隙體積占所有開孔孔隙總體積的百分比)；V為開孔孔隙總體積；Vr為半徑小于r的所有開孔體積；p為汞的附加壓力。由式(5)可知：恒定微環(huán)境條件下，混凝土中孔徑小于rk的孔隙處于飽和狀態(tài)，則其孔隙率kε可表示為

混凝土中孔徑大于rk的孔隙表面被一層厚度為w的水膜覆蓋，水膜厚度計算式為[6]

式中：C為BET常數(shù)；dw為水分子直徑。由式(9)可知孔徑大于rk的孔隙水填充率uε可表示為

根據(jù)式(8)和(10)可知，孔隙水飽和度計算式可表示為

式中：S為孔隙水飽和度；ε為混凝土總孔隙率；kε為某一微環(huán)境條件下水飽和孔隙的孔隙率，由式(8)確定；uε為某一微環(huán)境條件下不飽和孔隙的水填充率，由式(10)確定。由式(11)可知，只要已知混凝土微環(huán)境溫度和濕度條件及孔徑分布情況，就可以確定混凝土孔隙水飽和度的理論值。

根據(jù)在不同微環(huán)境溫濕度組合控制條件下測得的不同摻量和水膠比的粉煤灰混凝土孔隙水飽和度，擬用線性函數(shù)、冪數(shù)函數(shù)和指數(shù)函數(shù)3種回歸方程進行數(shù)據(jù)回歸分析，并計算各函數(shù)的相對誤差，得到粉煤灰混凝土孔隙水飽和度與微環(huán)境相對濕度、微環(huán)境溫度、粉煤灰摻量和水膠比之間的關(guān)系式，如表3所示。

由表3可知：在不同微環(huán)境溫濕度組合條件下測得的不同摻量和水膠比的粉煤灰混凝土孔隙水飽和度的3種回歸方程中，指數(shù)函數(shù)具有良好的擬合性，相對誤差較小，回歸精度較高，而線性函數(shù)和冪數(shù)函數(shù)的相對誤差比指數(shù)函數(shù)大的多。因此，粉煤灰混凝土孔隙水飽和度與微環(huán)境相對濕度、微環(huán)境溫度、粉煤灰摻量和水膠比之間的關(guān)系可以用下式擬合(相關(guān)系數(shù)R2=0.996 1)：

表3 粉煤灰混凝土孔隙水飽和度的回歸方程Table3 Regression equationsof porewater saturation in fly ash concrete

4 結(jié)論

1)在混凝土微環(huán)境溫度一定時，粉煤灰混凝土孔隙水飽和度隨微環(huán)境相對濕度的增大而逐漸增大。

2)在混凝土微環(huán)境相對濕度一定時，隨著溫度升高，混凝土內(nèi)孔隙飽和水蒸汽壓增大，水蒸汽壓必然隨飽和水蒸汽壓的增大而增大，這導(dǎo)致混凝土內(nèi)將有更多的水分以氣態(tài)水的形式存在于混凝土孔隙中，液態(tài)水含量減小，導(dǎo)致孔隙水飽和度減小。

3)在混凝土微環(huán)境溫濕度條件一定時，混凝土越密實，混凝土內(nèi)可能飽和的孔隙相對就越多，孔隙水飽和度也就越大。因此，混凝土水膠比越小，其孔隙水飽和度越大；當(dāng)粉煤灰摻量不超過15%時，混凝土孔隙水飽和度隨粉煤灰摻量的增大而增大；當(dāng)粉煤灰摻量超過15%時，混凝土孔隙水飽和度隨粉煤灰摻量的增大而降低。

4)粉煤灰混凝土孔隙水飽和度與微環(huán)境相對濕度、微環(huán)境溫度、粉煤灰摻量和水膠比之間的關(guān)系可以用指數(shù)函數(shù)較好地擬合。

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(編輯 趙俊)

Prediction of porewater saturation based on m icro-environment tem peratureand relativehum idity in concrete

LU Caifeng1,2,ZHANG Yanlong3,JIYongsheng1,2,JIANG Jianhua4

(1.State Key Laboratory forGeomechanics&Deep Underground Engineering, China University of Mining&Technology,Xuzhou 221116,China; 2.Jiangsu Key Laboratory of Environmental Impactand Structural Safety in Engineering, China University of M ining&Technology,Xuzhou 221008,China; 3.Xuzhou Yuantu Architectural Design Co.Ltd.,Xuzhou 221008,China; 4.College of Civiland Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China)

The effectmechanism ofmicro-environment temperature,relative hum idity andm icrostructure on pore water saturation of fly ash concretewas studied,and was verified throughmeasuring porewater saturation of fly ash concrete in constantartificial climate conditions,and then the predictionmodel of porewater saturation based onmicro-environment tem perature and hum idity w as established.The results show thatw ater-binder ratio of fly ash concrete is smaller,and the porewater saturation is higher.Porew ater saturation of fly ash concrete increasesw ith the increase ofm icro-environment relative hum idity,but decreases w ith the increase of m icro-environment temperature.The pore w ater saturation in concrete increases with fly ash replacement at constantmicro-environment temperature and under humidity conditions when fly ash replacement is less than 15%,but the porewater saturation decreasesw ith fly ash replacement that ismore than 15%.The relationship between porewater saturation in fly ash concreteand parameters(includingm icro-environmental relativehum idity,temperature,fly ash contentand water to binder ratio)can be fitted by an exponential function.

pore water saturation;m icro-environment tem perature;m icro-environment relative hum idity;fly ash concrete;ratio ofw ater to binder

TU528

A

1672?7207(2017)03?0761?08

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.03.026

2016?03?05；

2016?05?20

國家自然科學(xué)基金資助項目(51178455)(Project(51178455)supported by the NationalNatural Science Foundation of China)通信作者：魯彩鳳，博士，副教授，從事混凝土耐久性及建筑結(jié)構(gòu)檢測鑒定加固的研究；E-mail:lucaifeng@cum t.edu.cn