摻粉煤灰再生混凝土吸濕過程與預測模型研究

蔣建華， 吳 琦， 付用全， 林明益， 眭 源

（河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210024）

再生混凝土技術將廢舊混凝土進行二次利用，有利于維護生態(tài)環(huán)境的平衡和社會的可持續(xù)發(fā)展.但現(xiàn)有研究表明再生混凝土的耐久性往往低于天然混凝土，如何改善再生混凝土的耐久性能已成為學術界關注的熱點［1-3］.

混凝土內(nèi)部濕度環(huán)境是影響混凝土耐久性能的主要因素之一［4-6］.混凝土內(nèi)部的含濕狀態(tài)很大程度上取決于對外部氣候環(huán)境的響應.Zhang 等［7］和Min等［8］研究了人工恒定氣候環(huán)境下荷載損傷普通混凝土的內(nèi)部濕度響應規(guī)律.Andrade 等［9］和王衛(wèi)侖等［10］開展了自然氣候環(huán)境下普通混凝土的內(nèi)部濕度響應規(guī)律研究.Liu 等［11-12］研究了不同溫度及荷載條件下再生混凝土的內(nèi)部濕度響應規(guī)律和機理.由此可見，目前關于混凝土內(nèi)部濕度響應的研究主要集中于普通混凝土，再生混凝土濕度響應的研究還有待進一步完善.

本文在前期研究成果［13］的基礎上，基于恒定氣候環(huán)境條件的吸水試驗和濕度響應試驗，進一步研究了考慮再生粗骨料取代率、粉煤灰摻量和再生粗骨料初始含水率3 種影響因素對混凝土內(nèi)部濕度響應的影響，并進行了模型預測，以期為后續(xù)再生混凝土結構的耐久性定量分析提供理論基礎.

1 試驗

1.1 原材料與試件設計

水泥為P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥；粉煤灰（FA）為Ⅱ級F 類粉煤灰；細骨料為河砂（中砂），細度模數(shù)為2.7；天然粗骨料（NCA）為粒徑5～15 mm 的碎石；再生粗骨料（RCA）產(chǎn)自南京富源資源利用有限公司，粒徑范圍為5～15 mm；拌和水為普通自來水；減水劑（WR）為聚羧酸系液態(tài)減水劑.立方體試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，其水膠比為0.40（質(zhì)量比，文中涉及的水膠比、含水率等均為質(zhì)量比或質(zhì)量分數(shù)）.本文設計3 組試驗工況：（1）固定粉煤灰摻量ρF為20%、再生粗骨料初始含水率ωR為4.50%，考慮不同再生粗骨料取代率ρR（0%、25%、50%、75%、100%）的影響；（2）固定ρR為100%、ωR為4.50%，考慮不同ρF（0%、10%、20%、30%）的影響；（3）固定ρR為100%、ρF為20%，考 慮 不 同ωR（0%、3.56%、5.76%、7.83%）的影響.混凝土試件配合比如表1所示.

表1 混凝土試件配合比Table 1 Mix proportions of concrete specimens kg/m3

1.2 試件制作與養(yǎng)護

本文采用PVC 管預留孔洞埋置濕度傳感器來測量混凝土的內(nèi)部相對濕度.澆筑混凝土時，為避免水泥漿滲入管內(nèi)，預先將尼龍棒插入PVC 管中.試件制作前，為使再生粗骨料具有一定梯度的初始含水率，先將再生粗骨料于105 ℃下烘干24 h，再滿水浸泡12 h；然后將粗骨料分為4 組，再次進行烘干處理，每組烘干時間分別為0、1、3、5 h；最后靜置至室溫后稱重，計算得到4 組再生粗骨料的含水率，分別為0%、3.56%、5.76%、7.83%.考慮到4 組再生粗骨料初始含水率的不同，為保持試件水膠比一定，混凝土攪拌時減少相應拌和水的用量.

吸水試件采用普通塑料模具進行澆筑；濕度響應試件采用側面開孔的木模具進行澆筑.試件澆筑24 h 后拆模，然后在標準養(yǎng)護條件（（20±2）℃，相對濕度95%以上）下養(yǎng)護28 d，最后在室內(nèi)靜置60 d，待水泥充分水化.

1.3 試驗方法

1.3.1 吸水試驗

混凝土的吸水特性與材料自身的孔隙結構及分布密切相關.為便于分析相關因素對混凝土內(nèi)部濕氣傳輸?shù)挠绊憴C理，本文先開展混凝土的吸水試驗.試驗前，為模擬混凝土試件處于完全干燥狀態(tài)，先將試件置于105 ℃的電熱恒溫干燥箱中進行干燥處理，每隔24 h 記錄1 次試件的質(zhì)量變化，當連續(xù)2 次的質(zhì)量差小于1 g 時，視為試件完全干燥，將試件此時的質(zhì)量記為m0.試件干燥完成后，在相同工況下選取2個試件進行吸水試驗，取吸水量的平均值作為代表值.試驗裝置采用設有固定圓柱體支架的水箱，為保證試件暴露面與水能夠充分接觸，控制水面高于混凝土暴露面3 mm 左右，水溫為（20±2）℃，混凝土吸水試驗示意圖如圖1 所示.為反映試件早期吸水特性，在試驗初期的7 h 內(nèi)每隔1 h 稱重1 次；隨后每隔24 h 稱重1 次，連續(xù)測量10 次，共17 次；試件質(zhì)量記為mi，質(zhì)量差即吸水量Δmi=mi-m0（1 h＜i≤240 h）.

圖1 混凝土吸水性試驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of water absorption test of concrete（size：mm）

1.3.2 濕度響應試驗

濕度響應試驗前，為控制試件的初始相對濕度，同樣先將試件置于105 ℃的干燥箱中烘干處理；然后置于恒定溫濕度環(huán)境中，采用溫濕度傳感器監(jiān)測混凝土內(nèi)部溫濕度條件；最終使混凝土內(nèi)部的初始相對濕度在試驗溫度下達到（50±3）%.試件干燥完成后，拔出PVC 管中的尼龍棒，插入濕度探頭（測量范圍0%～100%，測量精度±（2～3）%，分辨率0.1%），先用帶槽口的橡皮塞密封PVC 管口，再用生料帶和鋁箔膠帶進行密封；為模擬一維吸水和濕度響應過程，將試件除暴露面外的其余5 個面用鋁箔膠帶密封；最后將濕度探頭與記錄儀連接，如圖2 所示.試件處理完成后，將其置于恒溫恒濕箱中進行濕度響應試驗.模擬混凝土試件吸濕過程的濕度響應條件為：試件初始相對濕度H0=50%，環(huán)境相對濕度He=90%，環(huán)境溫度T=25 ℃.濕度記錄儀設置為每隔6 h記錄1 次，記錄時長30 d.

圖2 混凝土濕度響應試驗示意圖Fig.2 Schematic diagram of humidity response test of concrete（size：mm）

2 吸水試驗結果與分析

2.1 吸水量的時變規(guī)律

在水膠比為0.40 的條件下，分別研究再生粗骨料取代率（ρR）、粉煤灰摻量（ρF）及再生粗骨料初始含水率（ωR）對混凝土吸水量的影響.3 種影響因素下混凝土的吸水量時變曲線如圖3 所示.由圖3 可知：3 種影響因素下混凝土早期吸水量均增長較快，隨著吸水時間（tw）的延長，混凝土的吸水量增速逐漸減慢，最終趨向穩(wěn)定；當吸水時間（tw）一定時，ρR為25%的混凝土吸水量最小，ρR為0%、50%、75%和100%的混凝土吸水量依次增大；ρF為10%的混凝土吸水量最小，ρF為0%、20%和30%的混凝土吸水量依次增大；隨著ωR的增大，混凝土的吸水量逐漸增大.

圖3 混凝土吸水量時變曲線Fig.3 Time-dependent curves of water absorption of concrete

2.2 毛細吸水系數(shù)

圖4為混凝土單位面積（A）吸水量（Δmi/A）與吸水時間（tw）平方根的關系曲線.根據(jù)該關系曲線，進一步研究3 種影響因素對混凝土毛細吸水系數(shù)（S，kg/（m2·h0.5））的影響.混凝土吸水量與其毛細吸水系數(shù)的關系式如（1）所示［14］.

由式（1）可知，混凝土單位面積吸水量與吸水時間的平方根之比即為混凝土毛細吸水系數(shù).在實際混凝土吸水過程中，毛細吸水系數(shù)隨吸水時間而變化.為定量分析混凝土的吸水特性，將毛細吸水系數(shù)視為常數(shù)，根據(jù)式（1），由兩者關系曲線（圖4）前期線性段的斜率即可得到混凝土的毛細吸水系數(shù)，結果如圖5 所示.

圖4 混凝土單位面積吸水量與吸水時間平方根的關系曲線Fig.4 Curves of water absorption per unit area vs square root of time of concrete

由圖5（a）可知：（1）隨著ρR的增大，混凝土的毛細吸水系數(shù)先減小后增大.（2）當ρR小于25%時，混凝土的毛細吸水系數(shù)隨著ρR的增大而減小；當ρR大于25%后，混凝土的毛細吸水系數(shù)隨著ρR的增大而增大.（3）ρR為0%、50%、75%和100%的混凝土毛細吸水系數(shù)較ρR為25% 時分別增大了28.4%、44.8%、46.9%和52.9%.這說明ρR為25%的混凝土微觀結構最為致密，而ρR為0%、50%、75%和100%的混凝土內(nèi)部孔隙依次增大.

圖5 混凝土的毛細吸水系數(shù)Fig.5 Capillary water absorption coefficient of concrete

由圖5（b）可知：（1）隨著ρF的增大，混凝土的毛細吸水系數(shù)先減小后增大.（2）當ρF小于10%時，混凝土的毛細吸水系數(shù)隨著ρF的增大而略有降低；當ρF大于10%時，混凝土的毛細吸水系數(shù)隨著ρF的增大而顯著增大.（3）ρF為0%、20%和30%的混凝土毛細吸水系數(shù)較ρF為10%時分別增大了8.0%、15.2%和23.6%.這說明ρF為10%的混凝土微觀結構最為致密，ρF為0%、20%和30%的混凝土孔隙率依次增大.

由圖5（c）可知：（1）隨著ωR的增大，混凝土的毛細 吸 水 系 數(shù) 逐 漸 增 大.（2）ωR為3.56%、5.76% 和7.83%的混凝土毛細吸水系數(shù)較ωR為0%時分別增大了13.7%、24.9%和27.1%.這說明混凝土的孔隙率隨著ωR的增大而增大.

3 濕度響應試驗結果與分析

3.1 相對濕度的時變規(guī)律

在水膠比為0.40 的條件下，分別研究再生粗骨料取代率（ρR）、粉煤灰摻量（ρF）及再生粗骨料初始含水率（ωR）對混凝土濕度響應的影響.同種工況下選取2 個試件濕度響應試驗值的平均值作為代表值.混凝土內(nèi)部相對濕度（H）響應曲線如圖6 所示.由圖6可知：（1）3 種影響因素下混凝土內(nèi)部相對濕度均嚴重滯后于環(huán)境相對濕度（He=90%），且混凝土內(nèi)部相對濕度增長速率均隨試驗的進行逐漸下降.（2）當濕度響應時間（t）一定時，ρR為25%的混凝土內(nèi)部相對濕度值最小，ρR為0%、50%、75%和100%的混凝土內(nèi)部相對濕度依次增大；ρF為10%的混凝土內(nèi)部相對濕度最低，ρF為0%、20%和30%的混凝土內(nèi)部相對濕度依次增大；混凝土內(nèi)部相對濕度隨ωR的增大而增大.

圖6 混凝土內(nèi)部濕度響應曲線Fig.6 Humidity response curves inside concrete

3.2 濕度響應速率

為進一步定量分析3 種因素對粉煤灰再生混凝土濕度響應的影響，定義濕度響應速率Δv=ΔH/t.ΔH為t時間內(nèi)混凝土內(nèi)部相對濕度變化量.3 種影響因素下混凝土濕度響應速率曲線如圖7 所示.

由圖7（a）可知：（1）混凝土的濕度響應速率隨著ρR的增大呈先減小后增大的趨勢.（2）當ρR小于25%時，混凝土濕度響應速率隨ρR增大而減小；當ρR大于25%時，混凝土濕度響應速率隨ρR的增大而增大.這是因為ρR較小時，再生粗骨料吸取部分拌和水，導致混凝土實際水膠比降低，混凝土內(nèi)部結構變得致密；但是隨著ρR的增大，其吸水量顯著增大，影響水泥的水化進程；同時ρR的增大也會使混凝土內(nèi)部原始損傷增大，導致混凝土內(nèi)部孔隙率增大.濕度響應進行至5 d 時，ρR為0%、50%、75%和100%的混凝土試件較ρR為25%時分別增大了36.1%、80.6%、77.8%和94.4%；第30 d 時，分別增大7.6%、19.1%、41.8%和63.5%.由此可見，濕度響應的早期，再生粗骨料取代率對混凝土濕度響應的影響較大；隨著濕度響應的進行，影響逐漸減小.

圖7 混凝土濕度響應速率曲線Fig.7 Moisture response rate of concrete

由圖7（b）可知：（1）隨著ρF的增大，再生混凝土的濕度響應速率先減小后增大.（2）當ρF小于10%時，再生混凝土濕度響應速率隨ρF的增大而減小；當ρF大于10%后，濕度響應速率隨ρF的增大而增大.這主要因為粉煤灰作為活性摻和料可與水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2進行二次水化，所生成的凝膠物質(zhì)填充孔隙，使混凝土內(nèi)部孔隙更為致密.10%的粉煤灰摻量會改善再生混凝土內(nèi)部孔隙狀態(tài)，延緩外界濕氣滲入速率；當粉煤灰摻量超過10%后，粉煤灰等量取代水泥過多，使得混凝土中水化產(chǎn)物減少，混凝土平均孔徑增加［15］.（3）當濕度響應進行至第5 d 時，ρF為0%、20%和30%的混凝土試件較ρF為10%時分別增大了16.7%、20.0%和80.0%；第30 d 時，分別增大15.0%、25.0%和50.0%.分析以上數(shù)據(jù)可知，在濕度響應的早期，粉煤灰摻量對混凝土濕度響應速率影響較大；且粉煤灰摻量越大，不同時段的濕度響應速率差異越明顯.

由圖7（c）可知：（1）再生混凝土的濕度響應速率隨著ωR的增大而增大.一方面，這是因為再生粗骨料中的孔隙水在混凝土振搗過程中易析出，未及時水化的水分在骨料周邊形成小水囊，影響混凝土的致密性；另一方面，由吸水性試驗可知，隨著ωR的增大，混凝土內(nèi)部的孔隙結構逐漸變差，孔隙率逐漸增大.（2）濕度響應進行至第5 d 時，ωR為3.56%、5.76%和7.83%的混凝土試件濕度響應速率較ωR為0%的試件分別增大了106.7%、143.3%和166.7%；第30 d時，分別增大79.8%、100.0%和113.2%.由此表明，在濕度響應的早期，ωR對混凝土濕度響應速率的影響較大；且隨著ωR的增加，不同時段的混凝土濕度響應速率差距增大.

4 粉煤灰再生混凝土濕度響應預測模型

4.1 表層混凝土濕氣擴散系數(shù)

混凝土濕度響應試驗結果表明，混凝土內(nèi)部相對濕度隨響應時間而變化，即混凝土內(nèi)濕度傳輸可以歸為非穩(wěn)態(tài)擴散問題.于是，根據(jù)變值擴散系數(shù)情形下的擴散方程，得到混凝土濕氣擴散系數(shù)（D）的計算表達式［13］：

式中：η稱為Boltzmamn 變量（η=xt-0.5），當混凝土內(nèi)部深度x一定時，其為時間t的函數(shù)；Hf代表響應時刻末混凝土內(nèi)部相對濕度，%.

根據(jù)式（2）計算得到3 種影響因素下的再生混凝土濕氣擴散系數(shù)隨相對濕度的變化規(guī)律，如圖8所示.

圖8 混凝土濕氣擴散系數(shù)演變規(guī)律Fig.8 Evolution law of moisture diffusion coefficient of concrete

由圖8 可知，隨著混凝土內(nèi)部相對濕度的增加，3種影響因素下混凝土的濕氣擴散系數(shù)（D）均逐漸減小.這是由于混凝土濕氣傳輸?shù)尿?qū)動力是混凝土內(nèi)外濕度梯度，混凝土內(nèi)部相對濕度增大，導致混凝土內(nèi)外濕度梯度減小.混凝土內(nèi)部相對濕度相同時，3種工況下的濕氣擴散系數(shù)表現(xiàn)為：ρR為25%的混凝土D值最小，ρR為0%、50%、75%和100%的D值依次增大；ρF為10%的混凝土的D值最小，ρF為0%、20%和30%的D值依次增大；混凝土的D值隨著ωR的增大而增大.

4.2 再生混凝土相對濕度響應預測模型

4.2.1 相對濕度響應理論模型

混凝土內(nèi)的傳質(zhì)過程由Fick 第二定律決定.根據(jù)Fick 第二定律可獲得混凝土內(nèi)部任意時間、任意位置的相對濕度H（x，t），其表達式如式（3）所示［13］.

由式（3）可以看出，混凝土的等效濕氣擴散系數(shù)對混凝土內(nèi)部相對濕度響應的過程具有決定性的作用.因此，為確定再生混凝土內(nèi)部相對濕度響應預測模型，應首先建立再生混凝土等效濕氣擴散系數(shù)的計算模型.

4.2.2 再生混凝土等效濕氣系數(shù)的計算模型

根據(jù)傳質(zhì)的相關理論，在同一個傳質(zhì)系統(tǒng)中，擴散系數(shù)和擴散時間的乘積為常數(shù)［13］.在混凝土濕度響應時間（0，t）內(nèi)，對該時間段內(nèi)的濕氣擴散系數(shù)進行積分，并取平均值，即可得到等效濕度擴散系數(shù)，如式（4）所示.

利用式（4）及混凝土濕氣擴散系數(shù)數(shù)據(jù)，計算得到不同再生骨料取代率、不同粉煤灰摻量和不同再生骨料初始含水率混凝土的等效濕氣擴散系數(shù)，結果如圖9 所示.

圖9 混凝土等效濕氣擴散系數(shù)Fig.9 Equivalent moisture diffusion coefficient of concrete

根據(jù)上述計算結果，將ρR、ρF和ωR作為影響混凝土濕氣擴散系數(shù)的重要因素進行數(shù)值擬合，得到再生混凝土等效濕氣擴散系數(shù)的預測模型公式，如式（5）所示.

4.2.3 濕度響應模型的驗證

在混凝土內(nèi)部相對濕度響應預測模型的驗證過程中，式（3）中誤差函數(shù)的計算可選用雙曲正切函數(shù)的近似算法［13］，如式（6）所示.

以濕度響應過程R75 工況為例，介紹混凝土內(nèi)部相對濕度的計算過程.混凝土水膠比為0.40，距混凝土表面深度x=0.05 m，混凝土內(nèi)部實際初始相對濕度H0=50%，外界環(huán)境實際相對濕度He=90%，環(huán)境溫度T=25 ℃，具體計算過程如下.

（1）首先，利用再生混凝土等效濕氣擴散系數(shù)的預測模型（式（5））計算R75 的等效濕氣擴散系數(shù)，其中ρR=75%、ρF=20%、ωR=4.5%.

（3）最后，將x=0.05 m、H0=50%、He=90%，以及不同時刻的誤差函數(shù)值代入式（3），得到不同時刻的混凝土內(nèi)部相對濕度的計算值.

將R75 工況的濕度響應試驗值與計算值進行對比，如圖10 所示.由圖10 可知，以等效濕氣擴散系數(shù)的計算模型為基礎，采用雙曲正切函數(shù)的近似算法計算誤差函數(shù)，計算得到的再生混凝土內(nèi)部相對濕度計算值與試驗值的最大誤差為4.65%，誤差小于5%，表明計算結果與試驗結果吻合較好，本文提出的再生混凝土相對濕度響應預測模型可行.

圖10 混凝土濕度響應試驗值與計算值的對比（R75）Fig.10 Comparison of test values and calculated values for humidity response（R75）

5 結論

（1）再生粗骨料取代率為25%的混凝土毛細吸水系數(shù)最小，取代率為0%、50%、75%、100%的混凝土毛細吸水系數(shù)依次增大；粉煤灰摻量為10%的混凝土毛細吸水系數(shù)最小，摻量為0%、20%、30%的混凝土毛細吸水系數(shù)依次增大；混凝土的毛細吸水系數(shù)隨再生粗骨料初始含水率增大而增大.

（2）混凝土的濕度響應嚴重滯后于環(huán)境濕度，上述3 種影響因素對再生混凝土濕度響應速率的影響規(guī)律與毛細吸水系數(shù)一致.

（3）建立了考慮3 種影響因素的再生混凝土等效濕氣擴散系數(shù)的計算模型，提出了再生混凝土內(nèi)部相對濕度響應預測方法.