干燥條件對(duì)混凝土強(qiáng)度影響試驗(yàn)研究

張國(guó)輝，李宗利，張林飛，呂從聰

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

混凝土中孔隙水及其遷移對(duì)混凝土的耐久性有重要影響［1－2］，在濕態(tài)混凝土力學(xué)特性研究中，需對(duì)混凝土試件進(jìn)行干燥處理以確定其含水率，但文獻(xiàn)［3］并沒有規(guī)定具體的干燥溫度和控制條件，因而各研究者所設(shè)置的干燥條件有所不同.王海龍等［4］在研究干燥與飽和混凝土力學(xué)性能變化規(guī)律時(shí)，設(shè)定了2個(gè)干燥條件：（1）將混凝土分別在30，50℃下烘烤2d，然后在65 ℃下烘烤6d；（2）先將混凝土在50℃下烘烤1d，逐漸升至65，75℃下烘烤3d，然后在85℃下烘烤直至質(zhì)量不發(fā)生變化［5］.研究者在探討含水率對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律時(shí)，需使混凝土達(dá)到完全干燥狀態(tài).劉保東等［6］把混凝土試件放入烘箱中在45 ℃下進(jìn)行烘干，直至質(zhì)量不再變化；李鑫鑫［7］先將混凝土試件分別在30，50℃下烤烘2d，然后在110℃下烤烘直到質(zhì)量不變.同樣的混凝土干燥過程，采用不同的干燥條件，勢(shì)必導(dǎo)致混凝土的干燥時(shí)間、失水量、含水率以及所達(dá)干燥狀態(tài)存在差異.干燥過程也是混凝土內(nèi)水分逸出過程，過快的水分逸出將導(dǎo)致混凝土微裂紋萌生、匯聚和擴(kuò)展等損傷現(xiàn)象的產(chǎn)生［8］，且非均質(zhì)材料的混凝土中粗細(xì)骨料和水泥膠結(jié)材料的熱工性能不同，這些材料間的物理化學(xué)作用錯(cuò)綜復(fù)雜，使混凝土力學(xué)性能變化較大［9］，最終導(dǎo)致在不同干燥條件下混凝土力學(xué)性能存在差異，影響干燥混凝土的強(qiáng)度評(píng)價(jià).

目前，關(guān)于混凝土遭受火災(zāi)或其他形式高溫作用后物理力學(xué)特性變化規(guī)律研究［10］的溫度范圍為200～900 ℃，且較少考慮溫度持續(xù)和間歇作用的機(jī)制影響，因而高溫作用后混凝土力學(xué)性能的變化規(guī)律無(wú)法直接應(yīng)用于60～150 ℃混凝土力學(xué)性能變化的研究以及混凝土干燥工藝的確定.本文主要通過物理試驗(yàn)，研究混凝土在不同干燥條件（持續(xù)或間歇）下的干燥過程和結(jié)果差異，分析不同干燥條件對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律，探究混凝土零損傷或低損傷且干燥效率適宜的混凝土干燥工藝，為濕態(tài)混凝土力學(xué)性能研究提供依據(jù).

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：陜西冀東水泥廠產(chǎn)盾石牌P·C 32.5R級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量28.6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的含量、水灰比等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比），安定性合格，初凝時(shí)間4.2h，終凝時(shí)間5.3h，28d抗壓強(qiáng)度48.58MPa；砂子：陜西渭河砂場(chǎng)的天然中砂，細(xì)度模數(shù)為2.43，級(jí)配良好，含泥量0.8%，表觀密度2.59g／cm3，堆積密度1 540kg／m3，有害物質(zhì)含量均在規(guī)定值以下；粗骨料：陜西渭河卵石，粒徑5～20mm，20～40mm，含泥量0.6%，表觀密度2.65g／cm3，堆積密度1 563kg／m3，最大粒徑40mm.

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與試件制備

天津市實(shí)驗(yàn)儀器廠產(chǎn)電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，調(diào)溫范圍為室溫－300℃，工作尺寸為800mm×800mm×1 000mm，溫度均勻性≤±2.5%，溫度波動(dòng)度為±1℃；電子天平精度為1g；微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)，最大試驗(yàn)力為1 000kN，試驗(yàn)力準(zhǔn)確度為1%.混凝土試件為150 mm×150 mm×150mm 立方體試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，拌和過程按SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，其配合比及主要參數(shù)見表1.

表1 混凝土試件的配合比及主要參數(shù)Table 1 Mix proportion and major parameters of concrete specimen

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)控制因素為干燥溫度和干燥機(jī)制，其中干燥溫度通過設(shè)置干燥箱工作溫度（60，85，105，120，150℃）來(lái)實(shí)現(xiàn)；干燥機(jī)制為持續(xù)干燥和間歇循環(huán)干燥，其中持續(xù)干燥是在預(yù)設(shè)干燥條件下連續(xù)干燥直至試件達(dá)到干燥狀態(tài)，間歇循環(huán)干燥是在預(yù)設(shè)干燥條件下持續(xù)干燥4h后，關(guān)閉干燥箱加熱和鼓風(fēng)功能，使試件在箱內(nèi)自然冷卻至室溫后再持續(xù)干燥4h，如此往復(fù)循環(huán)直至試件達(dá)到干燥狀態(tài).

將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后的混凝土立方體試件，按照預(yù)設(shè)的控制因素水平劃分為11組，其中第1組為標(biāo)準(zhǔn)組，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后不進(jìn)行干燥處理直接檢測(cè)試件強(qiáng)度，其余試驗(yàn)分組（2～11組）見表2.每組6塊試件中3塊試件用于檢測(cè)抗壓強(qiáng)度，另外3塊用于檢測(cè)劈裂抗拉強(qiáng)度.試件從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中取出后，用干布擦拭表面，使表面不存在明水，隨之進(jìn)行稱重，記錄每組試件開始干燥前的質(zhì)量.啟動(dòng)干燥箱進(jìn)行預(yù)熱，達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后，將試件分組放入干燥箱中的不銹鋼網(wǎng)板上，網(wǎng)板工作尺寸為800mm×800mm，每次干燥1組試件，試件均勻分布在網(wǎng)板上，四周保持間距85mm，以保證受熱的均勻性.在混凝土試件水分散失量較大的干燥前期，每隔1h測(cè)量1次試件質(zhì)量，測(cè)量過程中干燥箱保持工作狀態(tài)，將試件取出檢測(cè)質(zhì)量后迅速放入干燥箱，以減小試驗(yàn)誤差，每次質(zhì)量檢測(cè)所需時(shí)間約為5min；干燥后期適當(dāng)延長(zhǎng)質(zhì)量檢測(cè)的間隔時(shí)間，每隔4～8h測(cè)量1次試件質(zhì)量，直到試件達(dá)到干燥狀態(tài).待試件達(dá)到干燥狀態(tài)且經(jīng)自然冷卻后，進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度檢測(cè).

表2 試驗(yàn)分組Table 2 Test group

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 混凝土干燥特性分析

本文所涉及的含水率均為混凝土濕基含水率.干燥速率是指混凝土試件在單位時(shí)間內(nèi)、單位表面積上汽化的水分質(zhì)量，單位為kg／（h·m2）；干燥時(shí)間、干燥速率、失水量、含水率均為每組6塊試件的平均值.混凝土試件經(jīng)60，85，105，120，150℃的持續(xù)干燥或間歇循環(huán)干燥后，試件的外觀顏色沒有變化，外表面沒有明顯裂縫，無(wú)掉皮、缺角和疏松現(xiàn)象.150℃持續(xù)干燥狀態(tài)下混凝土的干燥曲線和干燥速率曲線如圖1所示.

圖1 混凝土試件干燥曲線和干燥速率曲線Fig.1 Drying and drying rate curves of concrete specimens

根據(jù)圖1中的干燥速率曲線可將混凝土干燥過程分為3個(gè)階段：（1）AB 段為調(diào)整升速干燥階段.該階段混凝土吸收的熱量一部分用于加熱混凝土，另一部分用于將混凝土內(nèi)液態(tài)水轉(zhuǎn)化為氣態(tài)水，并形成一定能量勢(shì)，使水分向外逸出.隨著干燥時(shí)間的增加，混凝土本身溫度升高，失水速度大幅上升，干燥速率在B 點(diǎn)達(dá)到最大值0.355kg／（h·m2），AB段持續(xù)時(shí)間約為4h.（2）BCD 段為降速干燥階段.隨著干燥過程的進(jìn)行，混凝土內(nèi)部水分遷移到表面的速率已小于表面水分的汽化速率，混凝土試件表面出現(xiàn)部分“干區(qū)”，即實(shí)際汽化表面減少.當(dāng)混凝土試件全部表面都成為干區(qū)后，水分的汽化面逐漸向其內(nèi)部移動(dòng)，混凝土內(nèi)部的熱、質(zhì)傳遞路徑加長(zhǎng)，阻力增大，造成干燥速率下降.D 點(diǎn)干燥速率為0.003kg／（h·m2），僅為B 點(diǎn)的干燥速率0.85%，BCD 段持續(xù)時(shí)間約為31h.（3）DE 段為干燥狀態(tài).該階段干燥速率極小，隨著干燥時(shí)間的延續(xù)，干燥速率基本保持恒定.若定義混凝土試件干燥速率小于0.002kg／（h·m2）時(shí)即為干燥狀態(tài)，則混凝土試件在E 點(diǎn)（干燥速率為0.001kg／（h·m2））即達(dá)到干燥狀態(tài).各組混凝土試件在不同干燥條件下達(dá)到干燥狀態(tài)所需的干燥時(shí)間、失水量及含水率見表3.

表3 混凝土試件干燥結(jié)果Table 3 Drying results of concrete specimens

依據(jù)混凝土試件在干燥過程中質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化，得到不同干燥條件下混凝土含水率隨干燥時(shí)間的變化曲線，如圖2所示.

結(jié)合表3和圖2可知，相同混凝土試件在不同干燥溫度和干燥機(jī)制條件下，達(dá)到相應(yīng)干燥狀態(tài)時(shí)所需的干燥時(shí)間、失水量和含水率均不同.干燥溫度越高，干燥速率越大，其所需干燥時(shí)間越短，失水量越大.150℃持續(xù)干燥條件下試件（第6組）所需干燥時(shí)間、失水量和含水率分別是60℃持續(xù)干燥條件下試件（第2組）的0.21，1.69和1.70倍.相同溫度條件下，持續(xù)干燥較間歇循環(huán)干燥的干燥速率快，所需干燥時(shí)間短，失水量和含水率大.120℃持續(xù)干燥條件下試件（第5組）所需干燥時(shí)間、失水量和含水率分別是120℃間歇干燥條件下試件（第10組）的0.50，1.03 和1.03 倍.間歇循環(huán)干燥是一種帶有“緩蘇”階段的非連續(xù)性干燥過程.“緩蘇”期是無(wú)熱量繼續(xù)產(chǎn)生的時(shí)段，混凝土內(nèi)部水分在這一時(shí)段內(nèi)會(huì)自動(dòng)地?cái)U(kuò)散至試件表面，溫度也會(huì)隨著熱量的自動(dòng)傳遞而趨于平衡，改善了混凝土水分分布的不均勻性，但會(huì)降低干燥效率.

圖2 不同干燥條件下混凝土試件的干燥曲線Fig.2 Drying curves of concrete specimens under different drying conditions

2.2 干燥條件對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響分析

不同干燥條件對(duì)混凝土試件相對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響曲線見圖3.

圖3 不同干燥條件下混凝土試件的相對(duì)抗壓強(qiáng)度Fig.3 Relative compressive strength of concrete specimens under different drying conditions

由圖3可知，持續(xù)干燥和間歇循環(huán)干燥后，混凝土試件抗壓強(qiáng)度均隨溫度的升高呈先降后升趨勢(shì)，105℃為轉(zhuǎn)折點(diǎn)；相同干燥溫度下，間歇循環(huán)干燥后混凝土試件抗壓強(qiáng)度高于持續(xù)干燥試件；除第4組（105℃，持續(xù)干燥）混凝土試件抗壓強(qiáng)度稍低于標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度外，其余各組試件均高于標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度；105℃持續(xù)干燥和間歇循環(huán)干燥后混凝土試件抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最小值，且最接近標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度，其相對(duì)抗壓強(qiáng)度分別為0.99 和1.02；60 ℃持續(xù)干燥和150℃間歇循環(huán)干燥后混凝土試件強(qiáng)度達(dá)到最大值，增加比例均為23.68%.單從混凝土抗壓強(qiáng)度損傷最小方面考慮，105℃持續(xù)干燥和間歇循環(huán)干燥均能保證混凝土試件抗壓強(qiáng)度受干燥條件影響最小.

李衛(wèi)等［11］研究表明，100℃持續(xù)干燥48h后混凝土相對(duì)抗壓強(qiáng)度增加為1.06，且隨恒溫時(shí)間的延長(zhǎng)，強(qiáng)度值有所降低；王海龍等［12］將混凝土在200℃下恒溫2h，發(fā)現(xiàn)其抗壓強(qiáng)度增加11%；目前較一致的結(jié)論為400℃以內(nèi)混凝土抗壓強(qiáng)度在常溫強(qiáng)度附近上下波動(dòng)，先降后升［9］.本文以混凝土試件達(dá)到干燥狀態(tài)為目的，且與以前研究中的混凝土強(qiáng)度等級(jí)、骨料類型、配合比及升降溫機(jī)制等試驗(yàn)條件不同，因而研究結(jié)論存在一定差異，但基本一致.

混凝土電鏡掃描研究表明［13］，混凝土經(jīng)過略高于100℃作用后，其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)與常態(tài)時(shí)接近，水化硅酸鈣凝膠結(jié)構(gòu)完整、密實(shí)，氫氧化鈣結(jié)晶完整，水泥水化物較常溫條件下多，且水化硅酸鈣和鈣礬石較常溫下的略顯粗大，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)有益.隨著干燥溫度的升高，因水分蒸發(fā)速度加快，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部裂紋和孔隙增多，且這種劣化程度并未完全抵消溫度升高對(duì)抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生的增大效應(yīng)，從而使得混凝土在60～105℃這一干燥溫度區(qū)間內(nèi)持續(xù)干燥或間歇循環(huán)干燥后的抗壓強(qiáng)度雖有所下降，但仍高于標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度值.當(dāng)干燥溫度進(jìn)一步升高，由于水泥漿體的弱物理化學(xué)反應(yīng)，水泥漿體開始失去穩(wěn)定，水分蒸發(fā)使水化硅酸鈣凝膠發(fā)生脫水反應(yīng)，生成短而強(qiáng)度高、表面能大的產(chǎn)物，從而使水泥漿體產(chǎn)生緊縮，化學(xué)結(jié)合力和黏結(jié)強(qiáng)度提高，孔隙大小重新分布［14］，使得混凝土在105～150℃時(shí)抗壓強(qiáng)度又出現(xiàn)回升.另外，由于間歇循環(huán)干燥是一種帶有“緩蘇”階段的非連續(xù)性的干燥過程，能夠改善混凝土水分和溫度的不均勻性，減少溫度變形差和裂紋的產(chǎn)生，因而在相同干燥溫度下，間歇循環(huán)干燥后的抗壓強(qiáng)度高于持續(xù)干燥后的抗壓強(qiáng)度.

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，使用Gauss函數(shù)擬合得到不同溫度下持續(xù)干燥和間歇循環(huán)干燥后混凝土抗壓強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式（見式（1），（2）），其相關(guān)系數(shù)分別為0.98和0.99.

圖4 不同干燥條件下混凝土試件的相對(duì)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線Fig.4 Test data and fitted curves of relative compressive strength of concrete specimens under different drying conditions

由圖4可見，根據(jù)式（1），（2）計(jì)算得到的數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，可為工作溫度為60～150℃的混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)提供依據(jù).

2.3 干燥條件對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度影響分析

不同干燥條件對(duì)混凝土試件相對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響曲線見圖5.

圖5 不同干燥條件下混凝土試件的相對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度Fig.5 Relative splitting tensile strength of concrete specimens under different drying conditions

由圖5可知，不同干燥條件作用后，混凝土試件劈裂抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律不同，并不存在先降后升的現(xiàn)象；隨著干燥溫度的升高，混凝土試件劈裂抗拉強(qiáng)度基本呈線性降低趨勢(shì)；僅在60，85℃持續(xù)干燥條件下，混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度；60℃持續(xù)干燥時(shí)，混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，較標(biāo)準(zhǔn)劈裂抗拉強(qiáng)度值增大16%；150℃間歇循環(huán)干燥后混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到最小值，較標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度降低20%；105℃持續(xù)干燥和60 ℃間歇循環(huán)干燥后混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度恰與標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度一致；單從混凝土試件劈裂抗拉強(qiáng)度損傷最小角度考慮，105 ℃持續(xù)干燥與60℃間歇循環(huán)干燥均能保證干燥條件對(duì)混凝土試件劈裂抗拉強(qiáng)度影響最小.

干燥溫度和干燥機(jī)制對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度作用機(jī)理與抗壓強(qiáng)度基本相似，但由于混凝土裂紋對(duì)受壓與受拉的力學(xué)性能影響不同，導(dǎo)致兩者的變化規(guī)律存在差異.隨著干燥溫度的持續(xù)升高，水分蒸發(fā)速度加快，加速了混凝土裂紋的擴(kuò)展，從而引起混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度不斷減小.在溫度升高過程中雖能激發(fā)未水化的水泥顆粒繼續(xù)水化，提高密實(shí)性和強(qiáng)度，但其劈裂抗拉強(qiáng)度的降低效果高于增高效果，因而60～150℃持續(xù)和間歇循環(huán)干燥后，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)線性降低趨勢(shì).

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，利用最小二乘法擬合得到不同溫度下持續(xù)干燥和間歇循環(huán)干燥后混凝土試件劈裂抗拉強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式（見式（3），（4）），相關(guān)系數(shù)分別為0.96和0.95.

圖6為按式（3），（4）計(jì)算的混凝土試件相對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度與文獻(xiàn)［15］，［16］研究結(jié)果的對(duì)比圖.

由圖6可以看出，本文所得規(guī)律（式（3），（4））與文獻(xiàn)［15］，［16］研究規(guī)律基本吻合，說(shuō)明本文的研究結(jié)果較合理.

圖6 混凝土試件相對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度擬合曲線對(duì)比圖Fig.6 Comparison of relative splitting tensile strength fitted curves of concrete specimens

3 結(jié)語(yǔ)

（1）混凝土干燥過程大致分為3個(gè)階段：調(diào)整升速干燥階段、降速干燥階段和干燥狀態(tài)階段.并未出現(xiàn)一般物料干燥過程中的恒速干燥階段.

（2）混凝土在不同干燥溫度和機(jī)制條件下達(dá)到干燥狀態(tài)時(shí)，干燥溫度越高，所需干燥時(shí)間越短，干燥速率越快，水分散失量越大，所測(cè)含水率越高；相同溫度條件下，持續(xù)干燥較間歇循環(huán)干燥所用干燥時(shí)間短，水分散失量和含水率大.

（3）不同干燥條件作用后，混凝土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律不同.混凝土達(dá)到干燥狀態(tài)時(shí)，其抗壓強(qiáng)度隨溫度的升高呈先降后升趨勢(shì)，而劈裂抗拉強(qiáng)度基本呈線性減少趨勢(shì)；相同溫度條件下，混凝土間歇循環(huán)干燥后的抗壓強(qiáng)度較持續(xù)干燥后高，而劈裂抗拉強(qiáng)度較持續(xù)干燥后低；105℃持續(xù)干燥對(duì)混凝土試件抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度影響均最小，為合理的干燥控制條件.

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