模擬干濕環(huán)境對混凝土內(nèi)水分影響深度的影響*

劉鵬 宋力 余志武

(中南大學土木工程學院∥高速鐵路建造技術(shù)國家工程試驗室，湖南長沙410075)

式中:D0w為混凝土完全干燥時的擴散系數(shù)，m2/s; Dw(Θ)為水分在混凝土飽和度為Θ的條件下的擴散系數(shù)，m2/s;S0為完全干狀態(tài)混凝土的吸水率，m/s1/2;φ為混凝土的毛細孔隙率，%;mw為混凝土完全飽水時的質(zhì)量，kg;md為混凝土完全干燥時的質(zhì)量，kg;ρw為水的密度，kg/m3;ρc為混凝土完全干燥時的密度，kg/m3;n為回歸系數(shù)，一般取6～8.

初始含水率均勻分布的混凝土濕潤過程中的吸水量與時間平方根理論上成正比［20］，如式(5)所示:

準確預測新建和既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在氯鹽環(huán)境下的使用壽命是混凝土耐久性研究的難點.傳統(tǒng)研究多基于電化學加速和鹽水浸泡的室內(nèi)加速腐蝕試驗，如文獻［1-3］中均采用通電試驗方法快速測定混凝土中氯離子的滲透性能;文獻［4-7］根據(jù)環(huán)境、載荷和材料等對擴散的影響提出了基于Fick第二定律的修正模型.上述研究成果側(cè)重于侵蝕加速效果和模型分析，且引入了環(huán)境中不存在的因素(如電流等)，對實際環(huán)境中不同工況條件下混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部氯離子侵蝕機理及真實性研究不足;此外，亦缺乏對使用環(huán)境和室內(nèi)加速試驗條件下混凝土氯鹽侵蝕相關(guān)性的探討.為克服上述傳統(tǒng)研究方法的不足，一些研究者嘗試開展模擬加速試驗［8-15］.模擬加速試驗具有主要因素影響一致、試驗再現(xiàn)程度和真實性較高等優(yōu)點，但其相關(guān)性具有不確定性——不同方法、裝置和環(huán)境間缺乏相關(guān)性.因研究者基于不同的立足點來考慮參數(shù)、方法和側(cè)重點，所獲得的試驗結(jié)果差別較大，最終導致試驗結(jié)果的可比性差.事實上，研究成果間的分歧主要體現(xiàn)在如何確定模擬加速試驗的參數(shù)(模擬溫度、濕度、干濕時間、循環(huán)周期和鹽溶液濃度等);其中，關(guān)于模擬試驗關(guān)鍵參數(shù)之一的干濕時間的分歧最大.部分學者對其進行了研究，如李春秋［14］以潤濕0.5 d和干燥3.5、7.0、14.0d為條件研究了混凝土內(nèi)氯鹽的侵蝕，采用預估校正法模擬了混凝土內(nèi)水分的傳輸及其影響深度，并提出了平衡時間比概念;Sahmaran等［16］采用室溫浸泡6 d和100℃下干燥24 h的干濕交替制度研究了硫酸鹽侵蝕下混凝土性能的變化;盧振永［17］在噴霧與溫濕時間比為15∶15的情況下，以21 h為循環(huán)周期進行了室內(nèi)模擬試驗.干濕時間對模擬試驗結(jié)果的影響，最終以干濕影響深度的形式予以體現(xiàn)，干濕影響深度可通過傳感器直接測定，故可通過研究混凝土內(nèi)的干濕影響深度間接獲取干濕時間的影響效果.上述模擬試驗因選用的干濕時間和周期不同，導致了混凝土內(nèi)水分影響深度及水分分布不等，也使得氯鹽侵蝕結(jié)果無法定量對比.因此，亟需開展模擬環(huán)境中混凝土內(nèi)干濕影響深度的相關(guān)研究.

文中在已有研究成果基礎(chǔ)上，采用理論推導和試驗相結(jié)合的方法研究了混凝土表層內(nèi)水分的傳輸、分布及其影響深度的規(guī)律，并建立了平衡時間比和影響深度模型;此外，還分析了不同的混凝土平衡時間比的求解方法之間的差異，為確定氯鹽環(huán)境下模擬加速試驗的參數(shù)提供指導.

1 理論推導

模擬環(huán)境中干濕交替條件下混凝土表層內(nèi)水分的遷移是水分在潤濕和干燥兩階段之間的傳質(zhì)過程.本研究基于文獻［14］提出的預估-校正格式有限差分法進行混凝土內(nèi)濕度分布的數(shù)值求解.

1.1 混凝土潤濕過程中水分的傳輸機理

所述濕潤過程為混凝土表面始終接觸液態(tài)水，即邊界條件為飽和度Θ(x=0，t)=1或邊界毛細管壓力pc(x=0，t)=0.研究表明，混凝土潤濕過程可以飽和度為變量采用式(1)所示的擴散方程進行描述，而其擴散系數(shù)可用式(2)所示的指數(shù)函數(shù)表示［18］;但因擴散系數(shù)難以直接測定，多基于混凝土吸水率與擴散系數(shù)間顯式關(guān)系間接獲得［19］，如式(3).

式中:D0w為混凝土完全干燥時的擴散系數(shù)，m2/s; Dw(Θ)為水分在混凝土飽和度為Θ的條件下的擴散系數(shù)，m2/s;S0為完全干狀態(tài)混凝土的吸水率，m/s1/2;φ為混凝土的毛細孔隙率，%;mw為混凝土完全飽水時的質(zhì)量，kg;md為混凝土完全干燥時的質(zhì)量，kg;ρw為水的密度，kg/m3;ρc為混凝土完全干燥時的密度，kg/m3;n為回歸系數(shù)，一般取6～8.

初始含水率均勻分布的混凝土濕潤過程中的吸水量與時間平方根理論上成正比［20］，如式(5)所示:

式中:S為表面吸水率，m/s1/2;V(t)為時間t內(nèi)單位截面的累計吸水量，m3/m2.

若混凝土內(nèi)吸水率表達方式在初始非飽和濕潤過程中成立，則初始非飽和混凝土吸水率可用式(6)表示［21］:

式中:Θir為混凝土初始飽和度;Θ1和Θ0分別為混凝土飽和與完全干燥時的飽和度，可分別取1和0.

分析上述推導過程可知，若測定相應(yīng)飽和度下的表面吸水率，則可得混凝土潤濕過程中吸水量的變化曲線，從而間接獲取各飽和度對應(yīng)的水分擴散系數(shù).

1.2 混凝土干燥過程中水分的傳輸機理

干燥過程中水分在混凝土內(nèi)以汽-液兩相傳輸，其傳輸亦可采用Fick定律來描述［22］;當前已有研究的分歧主要集中在干燥非穩(wěn)態(tài)過程中內(nèi)部擴散系數(shù)取值方面.文獻［3］推薦的干燥過程中混凝土內(nèi)水分的擴散系數(shù)(為S曲線形式)如式(7);所述干燥過程的邊界條件為第一類邊界條件，如式(9)所示.

式中:Hs為混凝土內(nèi)表面相對濕度，%;He為環(huán)境相對濕度，%;其他變量符號的意義見文獻［3］.

從式(7)和(8)可知，若已知混凝土抗壓強度則可估算出相應(yīng)的混凝土干燥過程的水分擴散系數(shù).

1.3 混凝土內(nèi)的水分影響深度和平衡時間

研究混凝土內(nèi)水分變化范圍對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性估算和使用壽命預測具有實際意義.將混凝土表層含水量變化急劇的深度視為影響深度，且其值為相對量(與飽和度、干濕時間及周期等有關(guān))，如圖1中ΔX.若混凝土內(nèi)初始濕度均勻，則潤濕或干燥過程的水分影響深度可采用Fick定律描述，其定解可用式(10)表示;最終影響深度可表示為圖1中的ΔX0.

式中:C(x，t)為t時刻、距混凝土表面x處的水分濃度，mol/m3;x為距離表面的深度，m;Cs為混凝土表面的水分濃度，mol/m3;C0為混凝土內(nèi)部的初始水分濃度，mol/m3;D為水分在混凝土中的擴散系數(shù)，m2/s;t為過程持續(xù)時間為誤差函數(shù)，其邊界條件為C(0，t)=Cs、C(∞，t)=C0、C(x，0)=C0.

干濕交替過程中混凝土內(nèi)的水分表現(xiàn)為非均勻分布，故不能直接采用式(10)描述混凝土內(nèi)水分的分布.將水分影響深度定義為干濕過程中混凝土內(nèi)某深度處含水率變化超過定值(如1%等)所對應(yīng)的深度值，相應(yīng)的水分影響深度如圖1中的ΔX，其與ΔX0間的異同將在后文闡釋.

圖1 不同狀態(tài)下混凝土內(nèi)水分的飽和度曲線Fig.1 Water saturation curve in concrete under different conditions

干濕交替過程中混凝土表層內(nèi)失水與吸水的平衡時間對應(yīng)著失水與吸水量相等，相應(yīng)的干燥過程引起的干燥前鋒恰能被隨后的潤濕過程的吸水曲線覆蓋，而干燥前鋒未到達的深度則不受影響;兩個過程的時間比稱之為平衡時間比，如式(11)所示.事實上，因混凝土干燥過程的失水量和潤濕過程的吸水量與時間的平方根理論上應(yīng)成正比，故其平衡時間比亦可采用式(12)表示.

式中:ηeq為平衡時間比;td為干燥過程持續(xù)時間，s; tw為潤濕過程持續(xù)時間，s;td-w為試驗干濕交替過程周期時間，s;tw-eq、td-eq分別為潤濕過程和干燥過程中混凝土表層吸水與失水量相等時的潤濕時間及其干燥時間，s;Sw和Sd為表面等效吸水或失水率，m/s1/2.

2 試驗

2.1 試驗材料與設(shè)備

試驗所用主要材料有:湖南長沙平塘水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5級硅酸鹽水泥;湖南長沙黃騰外加劑廠生產(chǎn)的聚羧酸系列高效減水劑，湖南湘潭電廠產(chǎn)I級粉煤灰，湖南漣源鋼鐵集團有限公司產(chǎn)S95級礦粉;長沙本地產(chǎn)河砂;長沙本地產(chǎn)石灰?guī)r碎石，連續(xù)級配，粒徑5～20mm;自來水.試驗用混凝土配合比及抗壓強度如表1所示.

表1 混凝土配合比及抗壓強度Table 1 Mix proportion and compressive strength of concrete

試驗用濕度測定儀為湖南省長沙市三智電子科技有限公司生產(chǎn)的SHT10型溫濕度傳感器，所用環(huán)境模擬箱為武漢金亞泰儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)多功能環(huán)境模擬箱系統(tǒng).

2.2 試樣制作與試驗過程

按前述配合比拌制混凝土后澆筑尺寸為150mm× 150mm×150mm和150mm×150mm×400mm的試樣.從試樣側(cè)面取芯，制備φ100 mm×150 mm的圓柱體;在距混凝土表面不同深度處鉆孔，置入溫濕度傳感器;然后，將其置于杜瓦瓶中并用相同級配混凝土澆筑成型.干燥與潤濕試驗試樣留一側(cè)面，其余面采用環(huán)氧樹脂密封.潤濕試驗是將干燥恒重試樣暴露面放入塑料盆內(nèi)預設(shè)支架上，加水至液面高出試驗浸泡面約2 mm，浸泡不同時間后取出、擦干表面明水后稱重;干燥過程在20℃恒溫室內(nèi)進行，將試樣放置于支架上并用風扇吹風，定時稱重.試驗用混凝土試件示意圖如圖2所示.

圖2 混凝土試件示意圖(單位:mm)Fig.2 Schematic diagram of the concrete sample(Unit:mm)

3 分析與討論

3.1 混凝土潤濕過程

研究中混凝土內(nèi)濕度采用飽和度形式表征，為了將相對濕度值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的飽和度，試驗采用不同種類的鹽溶液來提供相應(yīng)的環(huán)境相對濕度［14］，從而建立混凝土內(nèi)飽和度與相對濕度的函數(shù)關(guān)系.不同相對濕度下混凝土內(nèi)水分脫附過程中飽和度的實測值及其擬合曲線如圖3所示;其中C20、C30、C40、C50混凝土水分脫附過程中飽和度擬合方程分別為y=9.03-8.97/(1+exp((x-1.36)/0.16))(r2= 0.96)、y=9.35-9.28/(1+exp((x-1.41)/ 0.18))(r2=0.95)、y=15.49-14.98/(1+exp((x-1.8)/0.28))(r2=0.92)、y=11.1-11.01/(1+exp ((x-1.63)/0.25))(r2=0.94).試驗測得的混凝土表面吸水量及其擬合曲線如圖4所示;其中C20、C30、C40、C50混凝土吸水量擬合方程分別為y= 0.143x+0.049(r2=0.97)、y=0.140x+0.128(r2= 0.91)、y=0.081x+0.012(r2=0.92)、y=0.075x+ 0.054(r2=0.90);試驗用混凝土內(nèi)水分初始飽和度約為0.9.

由圖3可見，在相同的相對濕度條件下，混凝土的飽和度隨強度等級的升高而增大，這是因為高強度等級混凝土內(nèi)微孔所占比例較高，根據(jù)汽-液平衡方程可知其微孔隙可被較多水填充.混凝土飽和度隨相對濕度的增加而增大，這是因相對濕度增加使得可填充混凝土內(nèi)微孔的水量增多造成的.同時，圖3表明，指數(shù)函數(shù)形式的擬合曲線與實測值吻合較好，以下均采用該擬合曲線來換算環(huán)境濕度，并將其應(yīng)用于水分傳輸模型中.

圖3 混凝土內(nèi)相對濕度與飽和度的關(guān)系Fig.3 Relationship between relative humidity and saturation in concrete

圖4 混凝土表面吸水量隨時間的變化Fig.4 Change of water absorption of concrete surface with time

由圖4可見:混凝土表面吸水量隨時間的延長而增大，且與時間的平方根成線性關(guān)系;混凝土表面吸水量隨混凝土強度等級升高而降低，混凝土表面吸水量實測值與擬合曲線吻合較好.基于混凝土表面吸水量擬合曲線的斜率值和上述式(5)，可得出混凝土表面的吸水率S0和完全干燥狀態(tài)下的水分擴散系數(shù)D0w，如表2所示.

由表2可見，S0和D0w均隨混凝土強度等級的升高而降低，這是因為混凝土強度越高相應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)越致密，其所含孔隙量降低，相應(yīng)的毛細孔比例增加，且部分孔隙成為非連通孔隙，使得水分擴散更加困難.

表2 混凝土水分傳輸參數(shù)Table 2 Parameters of water transmission in concrete

3.2 混凝土干燥過程

通常的模擬試驗一般采用人工方式加速混凝土的干燥，其干燥時間受環(huán)境、濕度梯度、混凝土強度和初始飽和度等因素影響.文中通過混凝土干燥試驗來驗證混凝土干燥過程規(guī)律及其平衡時間比的合理性，施加于混凝土表面的環(huán)境濕度對應(yīng)的混凝土內(nèi)飽和度約為0.4.干燥過程中混凝土失水量隨時間的變化如圖5所示，其中C20、C30、C40、C50混凝土表面失水量擬合方程分別為 y=0.0295x+ 0.4017(r2=0.96)、y=0.032x+0.448 7(r2= 0.97)、y=0.0155x+0.2713(r2=0.99)、y=0.0145x+ 0.3077(r2=0.98).

圖5 干燥過程中混凝土失水量隨時間的變化Fig.5 Change of water loss of concrete with time in drying process

由圖5可見:干燥過程中混凝土失水量隨時間延長而增加，混凝土強度越低其失水量曲線斜率越大，故失水系數(shù)越大;混凝土干燥過程中失水量與時間平方根成線性關(guān)系，這表明混凝土干燥過程中的失水量可用擴散方程描述［18］.通過混凝土干燥過程中失水量與時間平方根間的線性擬合可得到相應(yīng)的失水率——可用來衡量混凝土失水的快慢.

3.3 混凝土平衡時間比及其影響深度

模擬試驗中干燥與潤濕時間比是試驗制度的重要參數(shù)之一，獲取該值的方法和取值精度是決定模擬試驗合理與否的關(guān)鍵.下面對基于式(12)的求解法和混凝土內(nèi)水分傳輸模型的數(shù)值模擬法(即采用預估-校正格式有限差分法進行混凝土內(nèi)濕度分布的數(shù)值求解法)之間的異同進行分析;試驗以試樣重量及其內(nèi)部相對濕度變化為基準，來衡量潤濕與干燥平衡時間比.

基于公式(12)求出C20-C50混凝土的平衡時間比分別約為19、21、27和26，而按混凝土內(nèi)水分傳輸模型數(shù)值模擬法所求相應(yīng)值分別約為16、18、26和22;兩種方式解得的數(shù)值大體一致，這表明在無法獲取混凝土內(nèi)水分擴散系數(shù)時，可通過簡單地測定混凝土表面吸水和失水系數(shù)來求解混凝土的平衡時間比.兩者間的差異可能是因混凝土表層與內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)不同引起水分傳輸效果差異造成的.文獻［14］給出的混凝土潤濕過程吸水率與干燥過程失水率分別為3.75 g/h1/2、0.331 g/h1/2;若基于式(12)可求出其平衡時間比約為128，而基于水分傳輸模型數(shù)值模擬法求得該值約為120，這也間接證明了混凝土平衡時間比法的合理性;至于兩者之間的差異可能是因?qū)嶋H混凝土初始濕度與假設(shè)值不等、S曲線求解混凝土飽和度時的擴散系數(shù)存在誤差等因素造成的.盡管基于式(12)求解平衡時間比方法簡單、易行，但其不能實時直觀地描述混凝土內(nèi)的水分分布和影響深度等，采用水分傳輸模型數(shù)值模擬法則可彌補上述不足.以下將利用水分傳輸模型數(shù)值模擬法來探討混凝土干濕交替條件下的水分傳輸.

文中對不同干濕交替條件下的混凝土內(nèi)部飽和度進行了數(shù)值模擬計算，并通過試驗驗證其合理性.以混凝土初始飽和度(Θe)為0.8、混凝土表面的環(huán)境飽和度為0.4和表2中的參數(shù)進行模擬計算，以混凝土試樣重量變化為依據(jù)來衡量干濕時間;試驗實測的干燥平衡時間及其數(shù)值模擬曲線如圖6所示，其中C20、C30、C40、C50混凝土平衡干燥時間擬合方程分別為y=87x(r2=0.99)、y=100x(r2= 0.99)、y=136x(r2=0.99)、y=157x(r2=0.99).

圖6 混凝土的潤濕時間與平衡干燥時間Fig.6 Wetting time and equilibrium drying time of concrete

由圖6可見，特定條件下混凝土的平衡時間比為定值且不受限于干濕周期長短，平衡時間比隨混凝土強度等級升高而增大，混凝土平衡時間比實測值與數(shù)值模擬曲線基本一致.為更好地研究混凝土平衡時間比的變化規(guī)律，以下分別探討混凝土初始飽和度、混凝土表面的環(huán)境飽和度和水灰比(W/C)對平衡時間比的影響.混凝土表面的環(huán)境飽和度對混凝土平衡時間比的影響如圖7所示，其中:混凝土初始飽和度為0.9時，C20、C30、C40、C50混凝土干濕平衡時間比擬合方程分別為y=3.2exp(x/0.305)+3.63、y= 0.93exp(x/0.187)+10.09、y=0.094exp(x/0.109)+ 17.73、y=1.54exp(x/0.208)+15.47;混凝土初始飽和度為0.8時，C20、C30、C40、C50混凝土干濕平衡時間比擬合方程分別為y=1.14exp(x/0.149)+25.69、y=0.8exp(x/0.137)+33.02、y=0.397exp(x/0.112)+ 49.1、y=0.376exp(x/0.108)+58.6;混凝土初始飽和度為0.7時，C20、C30、C40、C50混凝土干濕平衡時間比擬合方程分別為y=2.304exp(x/0.135)+ 40.66、y=1.84exp(x/0.122)+57.3、y=159.78exp (x/0.552)-90.5、y=198.5exp(x/0.623)-103.3.

由圖7可知，混凝土平衡時間比與混凝土表面的環(huán)境飽和度之間成指數(shù)函數(shù)關(guān)系.若混凝土初始飽和度相同，平衡時間比則隨混凝土表面的環(huán)境飽和度和混凝土強度增加而增大;若混凝土強度等級相同，平衡時間比則隨混凝土初始飽和度降低而增大，隨混凝土表面的環(huán)境飽和度減小而降低;若混凝土表面的環(huán)境飽和度相同，平衡時間比則隨混凝土強度等級增加而增大，隨混凝土初始飽和度增加而降低.這是因為混凝土強度等級越高其微觀結(jié)構(gòu)越致密，所含孔隙率、連通孔數(shù)量和大孔比例越少，體系的水分擴散通道和水分擴散系數(shù)較小;混凝土表面的環(huán)境飽和度越低，則混凝土內(nèi)外飽和度梯度也越大——水分擴散驅(qū)動力較強.

水灰比對混凝土平衡時間比的影響如圖8所示，其中:混凝土表面的環(huán)境飽和度為0.6時，初始飽和度為0.9、0.8、0.7的混凝土的干濕平衡時間比擬合方程分別為y=1 783exp(-x/0.151)+185、y=41513exp(-x/0.048)+88.5、y=127.6exp(-x/ 0.198)+16.4;混凝土表面的環(huán)境飽和度為0.4時，初始飽和度為0.9、0.8、0.7的混凝土的干濕平衡時間比擬合方程分別為y=7 434exp(-x/0.047)+ 15.8、y=14 086exp(-x/0.051)+42.9、y= 22275exp(-x/0.066)+70.8;混凝土表面的環(huán)境飽和度為0.2時，初始飽和度為0.9、0.8、0.7的混凝土的干濕平衡時間比擬合方程分別為y= 128.6exp(-x/0.135)+6.76、y=2819.4exp(-x/ 0.069)+28.5、y=18657exp(-x/0.062)+43.9.

圖7 混凝土表面的環(huán)境飽和度對平衡時間比的影響Fig.7 Influence of environment saturation around concrete surface on equilibrium time ratio

由圖8可知，水灰比對混凝土平衡時間比的影響規(guī)律與混凝土表面的環(huán)境飽和度對混凝土平衡時間比的影響規(guī)律相似，影響規(guī)律亦可采用指數(shù)函數(shù)描述;平衡時間比隨水灰比增加而降低，隨混凝土初始飽和度降低而增加，亦隨施加于混凝土表面環(huán)境飽和度降低而減小.從圖8還可知，若混凝土表面的環(huán)境飽和度相同，則混凝土初始飽和度越低，水灰比對平衡時間比影響越顯著.

圖8 水灰比對混凝土平衡時間比的影響Fig.8 Influence of water-to-cement ratio on equilibrium time ratio of concrete

混凝土初始飽和度對平衡時間比的影響規(guī)律如圖9所示，其中:混凝土表面的環(huán)境飽和度為0.6時，C20、C30、C40、C50混凝土干濕平衡時間比擬合方程分別為y=158290exp(-x/0.109)-15.8、y= 1.19×106exp(-x/0.0845)+4.82、y=465524exp (-x/0.099)-11.2、y=172287exp(-x/0.118)-38.8;混凝土表面的環(huán)境飽和度為0.4時，C20、C30、C40、C50混凝土干濕平衡時間比擬合方程分別為y=3 998exp(-x/0.195)-24.1、y=1.06× 106exp(-x/0.156)-15.4、y=2.93×106exp(-x/ 0.074)+4.6、y=4.18×106exp(-x/0.072)+ 10.6;混凝土表面的環(huán)境飽和度為0.2時，C20、C30、C40、C50混凝土干濕平衡時間比擬合方程分別為y=489.7exp(-x/1.316)-236.9、y=853exp (-x/0.373)-63.9、y=1.15×105exp(-x/0.105)-2.6、y=1.66×105exp(-x/0.102)-4.4.

圖9 混凝土初始飽和度對平衡時間比的影響Fig.9 Influence of initial saturation in concrete on equilibrium time ratio

由圖9可見:混凝土初始飽和度對平衡時間比影響顯著，隨混凝土初始飽和度增加而減小;兩者間的函數(shù)關(guān)系也可用指數(shù)函數(shù)描述;混凝土表面的環(huán)境飽和度相同時，平衡時間比隨混凝土強度等級的升高而增大;混凝土強度和初始飽和度相同時，平衡時間比隨混凝土表面的環(huán)境飽和度降低而減小.

除采用試算法求解混凝土干濕交替過程的平衡時間比，文中還以混凝土表面的環(huán)境飽和度為0.4和混凝土初始飽和度為1.0、0.8為例，探討了干濕時間比對混凝土內(nèi)水分濕度分布的影響規(guī)律;干濕時間比對混凝土內(nèi)水分飽和度分布的影響規(guī)律如圖10所示，其值基于混凝土內(nèi)水分傳輸模型數(shù)值模擬法求得.圖中所述潤濕過程和干燥過程各1次即為1周期干濕循環(huán)過程(簡稱1周期)，依次類推.由圖10(a)可見，對于初始處于飽和狀態(tài)的混凝土，若(即潤濕時間大于干燥失水所需時間)，則干燥前鋒未影響區(qū)域?qū)⒕S持飽和狀態(tài)——效果與一致，且影響深度將由干燥時間決定;若(即潤濕時間小于干燥失水所需時間)，則潤濕前鋒未能到達上次干燥前鋒產(chǎn)生的影響深度，故干燥前鋒將逐漸深入混凝土內(nèi)部且降低混凝土飽和度.對于初始處于非飽和狀態(tài)的混凝土，若(即潤濕時間等于燥失水所需時間)，則混凝土內(nèi)飽和度曲線呈準穩(wěn)定狀態(tài)——水分影響深度趨于定值，如圖10(b)所示;若，則潤濕前鋒將逐漸深入混凝土內(nèi)部，且潤濕過程將使得混凝土內(nèi)部飽和度增加，如圖10(c)所示;若，則干燥前鋒將逐漸深入混凝土內(nèi)部，且干燥過程將降低混凝土表層飽和度，如圖10(d)所示.簡言之，若干濕時間比與平衡時間比不等，則最終將改變原有混凝土內(nèi)的初始飽和度狀態(tài)，并將不斷持續(xù)進行，直至達到與干燥/潤濕時間比相匹配的混凝土新的飽和度準穩(wěn)態(tài)，相應(yīng)的時間比將成為新穩(wěn)態(tài)下混凝土的平衡時間比.從圖10中還可知，干濕交替過程持續(xù)一定時間時，混凝土內(nèi)水分影響深度將趨于定值，這可能與集膚效應(yīng)有關(guān)，與熱集膚層厚度相似，文中稱其為濕集膚層厚度.從上述研究可知，水分影響深度主要與混凝土強度等級、混凝土初始飽和度、混凝土表面的環(huán)境飽和度、干濕循環(huán)周期和平衡時間比等因素有關(guān).為探討這些因素相互間的內(nèi)在聯(lián)系，在Θin=0.8、Θe=0.2，0.4，0.6的條件下，探討了混凝土強度等級和混凝土表面的環(huán)境飽和度對混凝土內(nèi)水分影響深度的影響.恒時間比條件下混凝土內(nèi)水分影響深度與潤濕時間之間的關(guān)系如圖11所示，其中:Θe為0.2、0.4、0.6時影響深度擬合方程分別為 y= 17.66x+0.31、y=19.36x+0.54、y=25.83x+ 0.01;C20、C30、C40、C50混凝土影響深度的擬合方程分別為y=20.32x-0.25、y=18.63x+0.52.y= 18.93x+0.16、y=18.36x+0.03.

圖10 干濕時間比對混凝土內(nèi)水分飽和度分布的影響Fig.10 Influence of drying-wetting time ratio on saturation distribution in concrete

圖11 潤濕時間對混凝土內(nèi)水分影響深度的影響Fig.11 Influence of wetting time on water influence depth in concrete

由圖11可見:在混凝土平衡時間比制度下，混凝土內(nèi)水分的影響深度與潤濕時間的平方根成線性關(guān)系;混凝土內(nèi)水分的影響深度隨潤濕時間延長而增加，這是因時間越長進入混凝土內(nèi)部的水分越多造成的;若混凝土內(nèi)初始飽和度相同，則影響深度隨混凝土表面的環(huán)境飽和度增加而降低，這是因混凝土與環(huán)境間濕度梯度驅(qū)動力降低引起的;若混凝土內(nèi)初始飽和度和施加于其表面的環(huán)境飽和度相同，則影響深度隨混凝土強度等級的升高而降低，這是因混凝土強度等級越高其致密性越好，相應(yīng)的水分擴散系數(shù)越低.

4 結(jié)論

通過模擬干濕環(huán)境對混凝土內(nèi)水分影響深度和混凝土平衡時間比的影響研究，得出以下主要結(jié)論:

(1)模擬干濕環(huán)境和混凝土自身特性對混凝土平衡時間比影響顯著.數(shù)值模擬結(jié)果表明，混凝土水灰比、混凝土內(nèi)初始飽和度及表面的環(huán)境飽和度與混凝土平衡時間比間存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系;平衡時間比隨混凝土表面的環(huán)境飽和度和混凝土強度等級的增加而增大，隨混凝土內(nèi)初始飽和度增加而降低.基于混凝土表層吸水和失水系數(shù)比值法(式(12))求出的混凝土平衡時間比與按混凝土內(nèi)水分傳輸模型數(shù)值模擬法所求值大體一致.

(2)特定模擬環(huán)境條件下，混凝土存在確定的干濕平衡時間比與之相對應(yīng).干濕時間比與平衡時間比相等時，混凝土內(nèi)飽和度曲線呈現(xiàn)為準穩(wěn)定狀態(tài);反之，若干濕時間比與平衡時間比不等，則最終效果為改變原有混凝土內(nèi)初始飽和度狀態(tài)，并將不斷持續(xù)進行，直至構(gòu)筑出與干燥/潤濕時間比相匹配的混凝土新的飽和度準穩(wěn)態(tài)，相應(yīng)的時間比將成為新穩(wěn)態(tài)下混凝土的平衡時間比.

(3)混凝土內(nèi)水分的影響深度主要與混凝土強度等級、混凝土初始飽和度、混凝土表面的環(huán)境飽和度、干濕循環(huán)周期和平衡時間比等因素有關(guān)，且與潤濕時間平方根成線性關(guān)系.

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