凍融循環(huán)過程中混凝土內(nèi)部溫度－相對(duì)濕度關(guān)系

侯云芬，司武保，王 玲，吳越愷，王振地

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

混凝土中的濕度變化對(duì)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(dǎo)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(duì)均勻地分布在混凝土內(nèi)部.因此，許多研究者針對(duì)混凝土內(nèi)部濕度分布特點(diǎn)、濕度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化、濕度變化對(duì)混凝土體積變形及強(qiáng)度等的影響、不同強(qiáng)度等級(jí)和不同骨料對(duì)混凝土濕度分布的影響以及濕度測定方法等進(jìn)行了研究.另外的研究還發(fā)現(xiàn)，混凝土內(nèi)部濕度的變化也會(huì)對(duì)混凝土的微觀結(jié)構(gòu)造成影響.但是，以上各項(xiàng)關(guān)于混凝土內(nèi)部濕度的研究主要是基于常溫條件，檢索發(fā)現(xiàn)，有關(guān)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(huán)作用下，隨著溫度的變化，尤其是在結(jié)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(guī)律、濕度變化與混凝土孔結(jié)構(gòu)和孔溶液的關(guān)系等等都是十分重要的.為此，本文研究了凍融循環(huán)過程中混凝土內(nèi)部溫度－相對(duì)濕度（以下簡稱為濕度）關(guān)系，獲得該條件下的濕度分布規(guī)律，為進(jìn)一步研究濕度變化對(duì)混凝土其他性能的影響提供借鑒.

1 原材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

為了控制材料對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，本文采用傳統(tǒng)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(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)為2.6；碎石，顆粒級(jí)配為5～20mm.

表1 水泥技術(shù)性能Table 1 Properties of cement

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 配合比

為了比較混凝土的孔隙率和孔隙特征對(duì)凍融循環(huán)作用下混凝土內(nèi)部溫度－濕度關(guān)系的影響，設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1d后拆模，繼續(xù)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28d.

1.2.2 傳感器選擇及布置

試驗(yàn)中需要在混凝土試件內(nèi)部埋設(shè)溫度、濕度傳感器來收集混凝土內(nèi)部濕度隨溫度的變化情況.混凝土試件需經(jīng)過澆注成型、養(yǎng)護(hù)脫模和后期測試等環(huán)節(jié)，所以在選擇與試件匹配的傳感器時(shí)主要考慮傳感器埋設(shè)的穩(wěn)定性與可操作性，以及數(shù)據(jù)傳遞的準(zhǔn)確性和及時(shí)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(zhǔn)確度為±0.5℃；濕度量程為0%～100%，準(zhǔn)確度為±3%.傳感器探頭部分為棒狀，外徑約12mm，材質(zhì)為復(fù)合金屬材料，能夠與試件澆注時(shí)預(yù)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(dá)到將其固定在混凝土試件內(nèi)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(nèi)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(shè)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(jì)算

混凝土是固、液、氣三相結(jié)合體，在凍融循環(huán)的溫度變化范圍內(nèi)，混凝土的固相部分變化很小，而液相會(huì)有很大變化，并導(dǎo)致其氣相發(fā)生變化，所以通過測定混凝土內(nèi)部空氣的相對(duì)濕度來表征其內(nèi)部濕度隨溫度的變化.因此，混凝土內(nèi)部濕度RH 的計(jì)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(huán)試驗(yàn)

采用中國建筑材料科學(xué)研究總院自行研制的混凝土耐久性研究多功能試驗(yàn)機(jī)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的試件進(jìn)行凍融試驗(yàn)，在凍融循環(huán)試驗(yàn)過程中同時(shí)監(jiān)測試件內(nèi)部的溫度和濕度變化.因?yàn)槌Ｒ?guī)快速凍融循環(huán)試驗(yàn)所用試件高度為300mm，本試驗(yàn)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(yù)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(tài)，下面部分處于水中.

試驗(yàn)設(shè)定的凍融循環(huán)溫度區(qū)間為－15～10℃.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 凍融循環(huán)作用下混凝土內(nèi)部溫度－濕度關(guān)系曲線

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

圖3 經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的R1組試件在內(nèi)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－h(huán)umidity 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(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的R1 組試件，其內(nèi)部濕度均隨著溫度的變化呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律.根據(jù)溫度－濕度曲線的變化趨勢，可以將該曲線劃分為4個(gè)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(nèi)部孔隙中充滿液態(tài)水，由于體系溫度下降，使其飽和蒸汽壓降低，進(jìn)而使測得的濕度增大.當(dāng)溫度降到－5～－10℃時(shí)，試件內(nèi)部濕度變化出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，可以認(rèn)為是混凝土中毛細(xì)孔水開始結(jié)冰，使孔隙中液態(tài)水含量開始降低所致，因而認(rèn)定濕度轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度就是混凝土內(nèi)部水的結(jié)冰溫度.此后隨著溫度繼續(xù)降低至－15 ℃（降溫降濕段），存在于較小孔隙中的水分也開始結(jié)冰，混凝土內(nèi)部液態(tài)水含量迅速減小，濕度呈現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，混凝土內(nèi)部的結(jié)冰溫度并不是水的理論冰點(diǎn)（即0℃），而是－5～－10℃，即出現(xiàn)了過冷現(xiàn)象.原因是混凝土內(nèi)部存在著大量的微小孔隙，其中的水分要在0℃以下才會(huì)結(jié)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(dǎo)致了過冷現(xiàn)象的出現(xiàn).

溫度為－15～－5 ℃時(shí)屬增溫增濕段.此時(shí)試件內(nèi)部濕度隨溫度升高而增大.在此溫度范圍內(nèi)，盡管混凝土內(nèi)部孔隙的水分仍然以冰的形態(tài)存在，但由于溫度升高，混凝土內(nèi)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(xiàn)隨溫度升高而增大的趨勢.

溫度為－5～0℃時(shí)屬增溫降濕段.此時(shí)混凝土中的冰開始融化，使其內(nèi)部濕度狀態(tài)發(fā)生改變，濕度曲線出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，這一溫度可以認(rèn)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(nèi)部的水分含量增多，液態(tài)水的數(shù)量也相對(duì)穩(wěn)定，所以濕度基本恢復(fù)到凍融循環(huán)開始時(shí)的狀態(tài).又因?yàn)榭讖皆酱蟮目字兴慕Y(jié)冰溫度越高，孔徑越小的孔中水的結(jié)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(xù)性，導(dǎo)致試件濕度不斷增大.

綜上所述，可以通過凍融循環(huán)過程中試件內(nèi)部濕度隨溫度變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)來確定經(jīng)歷凍融循環(huán)的混凝土中水分結(jié)冰和冰晶融化溫度.

2.2 凍融循環(huán)過程中濕度在不同深度處的分布特點(diǎn)

比較圖3（a）～（c）可以發(fā)現(xiàn)，隨著深度的增大，經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的試件濕度整體表現(xiàn)出增大的趨勢.為了進(jìn)一步比較，將R1組試件在不同深度處的最大濕度（對(duì)應(yīng)于結(jié)冰溫度）平均值RH1和最小濕度（對(duì)應(yīng)于試驗(yàn)設(shè)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?yàn)樵趦鋈谠囼?yàn)時(shí)，試件的表面處于氣凍狀態(tài)，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(nèi)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(rèn)為，這一方面是和溫濕度傳感器的埋置深度有關(guān)，當(dāng)埋置深度較淺時(shí)，測定結(jié)果會(huì)受試件成型時(shí)的影響而波動(dòng)較大，當(dāng)深度達(dá)50.0mm 時(shí)，傳感器埋置的穩(wěn)定性更好，測定結(jié)果更為穩(wěn)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(huì)使測定結(jié)果出現(xiàn)差異.

研究發(fā)現(xiàn)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(xiàn)了異常.

總體而言，雖然個(gè)別凍融循環(huán)曲線出現(xiàn)了差異，但總的曲線變化趨勢基本一致，即凍融循環(huán)過程中，試件內(nèi)部的溫度－濕度變化符合4個(gè)階段規(guī)律.

2.3 水灰比對(duì)凍融循環(huán)過程中溫度－濕度關(guān)系的影響

R1，R2，R3 組試件在16.7，50.0mm 深度處，凍融循環(huán)第1次時(shí)的溫度－濕度曲線見圖4.

圖4 第1次凍融循環(huán)時(shí)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－h(huán)umidity 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(jié)冰溫度和融化溫度也呈現(xiàn)增大的趨勢.如16.7mm 深度處R1，R2和R3這3組試件的結(jié)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(huì)使試件的孔隙率增大，孔隙尺寸增大.表4為通過壓汞試驗(yàn)測得的試件凍融前和經(jīng)歷25次凍融循環(huán)后的孔隙率和孔徑數(shù)據(jù).大孔數(shù)量的增大會(huì)使試件結(jié)冰和融化溫度提高.

進(jìn)一步觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，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(yuǎn)少于另2組試件.在純水泥配比中，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d內(nèi)，由于水泥的水化程度很高，使得混凝土內(nèi)部水分很少，濕度很低.由張君等［6］的研究可知，相對(duì)濕度被認(rèn)為是混凝土自收縮和干縮的統(tǒng)一內(nèi)因.可以推定，水灰比小的混凝土，由于其內(nèi)部濕度較低，毛細(xì)孔的充水程度達(dá)不到飽和狀態(tài)，所以在受凍時(shí)產(chǎn)生的凍脹作用較小，但是內(nèi)部濕度的降低會(huì)增大其自收縮量.綜合以上分析認(rèn)為，對(duì)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(nèi)部濕度低，毛細(xì)孔的充水程度低，由自干燥產(chǎn)生的自收縮影響程度可能會(huì)大于受凍時(shí)產(chǎn)生的凍脹應(yīng)力的影響程度，對(duì)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(jié)構(gòu)Table 4 Pore structure of specimens before and after freezing and thawing cycles

3 結(jié)論

（1）在降溫過程中，隨著混凝土溫度降低其濕度增大，當(dāng)濕度出現(xiàn)轉(zhuǎn)折表現(xiàn)為降低趨勢時(shí)，表明混凝土內(nèi)部開始結(jié)冰；在升溫過程中，隨著混凝土溫度升高其濕度增大，當(dāng)濕度出現(xiàn)轉(zhuǎn)折表現(xiàn)為降低趨勢時(shí)，表明混凝土內(nèi)部的冰晶開始融化.

（2）根據(jù)凍融循環(huán)過程中濕度的變化，可以確定混凝土的結(jié)冰溫度和融化溫度.據(jù)此特點(diǎn)可以將溫度－濕度關(guān)系劃分為4個(gè)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(dāng)混凝土的水灰比相同時(shí)，隨著深度的增大，試件內(nèi)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(jié)冰溫度和融化溫度呈現(xiàn)減小的趨勢.低水灰比混凝土內(nèi)部較低的濕度可能會(huì)導(dǎo)致更大的自收縮和較小的凍脹作用力.

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