不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土等溫干燥脫水規(guī)律

韓進(jìn)生, 李宗利, 張國(guó)輝, 譚 聰, 韓金家

(1.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；2.昆明理工大學(xué) 電力工程學(xué)院， 云南 昆明 650500)

混凝土內(nèi)部濕度大小對(duì)其力學(xué)性能具有顯著影響[1].在SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》和GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中，試件從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室取出后應(yīng)立即進(jìn)行測(cè)試，即意味著一般混凝土的強(qiáng)度是從濕態(tài)的試件獲取的；在試件取出后，測(cè)試前應(yīng)采用濕布覆蓋、防止干燥，說(shuō)明試件內(nèi)部的濕度變化會(huì)引起強(qiáng)度的變化.在研究混凝土內(nèi)部濕度效應(yīng)時(shí)需要得到干基混凝土，但是規(guī)范并沒(méi)有給出具體的干燥溫度和干燥方式，造成研究者所采用的干燥條件各不相同，勢(shì)必引起研究結(jié)果的差異.張永亮[2]將混凝土試件自然風(fēng)干后測(cè)試其力學(xué)性能.宋來(lái)忠等[3]將試件放入烘箱，分別采取50℃和100℃烘烤1d后再進(jìn)行水飽和處理.王海龍等[4]將飽水試件先用50℃的溫度烘烤1d，然后分別升溫至65℃和75℃烘烤3d，最后在85℃下烘烤至恒重.劉保東等[5]在45℃下將混凝土烘干至恒重.李鑫鑫[6]先將混凝土分別在 30℃ 和50℃下干燥2d，然后在110℃下干燥至恒重.馮馳等[7]在研究加氣混凝土等溫吸濕曲線時(shí)，將試件分別在70℃和105℃下烘干至恒重.Yurtdas等[8]采用的干燥溫度為60℃，而Cadoni等[9]采用 50℃.以上表明，實(shí)際研究中確實(shí)沒(méi)有統(tǒng)一的干燥標(biāo)準(zhǔn)，而不同干燥過(guò)程對(duì)混凝土的強(qiáng)度會(huì)造成影響.張國(guó)輝等[10]建議105℃為最佳干燥溫度，但其研究對(duì)象僅針對(duì)C20混凝土，并不能覆蓋工程上常用的混凝土強(qiáng)度等級(jí).不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土孔隙率及孔隙結(jié)構(gòu)不同，其飽和含水率也存在差異.本文采用不同溫度對(duì)不同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土開展干燥脫水試驗(yàn)，分析了干燥失水變化規(guī)律及其作用機(jī)理，為混凝土加熱干燥工藝設(shè)計(jì)提供參考.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1)文中涉及的用水量、含泥量等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù).

水泥：陜西冀東水泥廠產(chǎn)“盾石”牌P·O 42.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量1)28.78%；初、終凝時(shí)間分別為3.7，5.7h；28d抗壓、抗折強(qiáng)度分別為49.30，8.43MPa.砂：陜西渭河砂場(chǎng)的天然中砂，細(xì)度模數(shù)2.75，堆積密度1771.67kg/m3，表觀密度2.56g/cm3，含泥量1.2%.粗骨料：陜西渭河卵石，粒徑5～20mm，堆積密度1648.71kg/m3，表觀密度2.62g/cm3，含泥量0.33%.減水劑：青島虹夏聚羧酸高效減水劑.粉煤灰：河南藍(lán)科Ⅱ級(jí)粉煤灰，密度2.34g/cm3，勃氏比表面積360m2/kg，含水量0.5%，燒失量2.34%；三氧化硫含量2.14%，氧化鈣含量9.80%，二氧化硅含量51.49%，三氧化二鋁含量24.36%，三氧化二鐵含量5.49%.

1.2 試驗(yàn)儀器及試件制備

天津市試驗(yàn)儀器廠產(chǎn)電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；電子天平，精度為 1.0g.混凝土試件為 100mm×100mm×100mm的立方體，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，拌和過(guò)程按SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為C20，C30，C40，C50，配合比及主要參數(shù)見表1.

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的混凝土試件按照強(qiáng)度等級(jí)分為40組，每組6塊試件，其中20組作為對(duì)照組，20組作為試驗(yàn)組.對(duì)照組試件進(jìn)行破碎處理，每個(gè)破碎塊直徑不大于2倍的最大骨料粒徑，將對(duì)照組破碎塊裝入托盤后均勻平鋪，進(jìn)行干燥，稱量時(shí)注意不要將破碎塊拋灑出.分別在不同溫度下干燥試驗(yàn)組和對(duì)照組試件，干燥前用干布將試件表面的水擦拭干凈后測(cè)量其質(zhì)量并記錄數(shù)據(jù).

干燥方式為持續(xù)干燥，干燥溫度(θ)分別為60，80，105，120，150℃.干燥箱達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后，將試件放置于其中的不銹鋼網(wǎng)板上，每層2組，試件間隔 100mm 均勻放置.干燥前期每隔1h測(cè)量1次試件質(zhì)量，結(jié)果取6塊試件的平均值，測(cè)量在10min內(nèi)完成；后期每隔4h測(cè)量1次，直至試件達(dá)到完全干燥狀態(tài).對(duì)照組適當(dāng)延長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間間隔，以減少因測(cè)量過(guò)程導(dǎo)致的誤差.定義失水率(wL)為試件失水量和失水前總質(zhì)量之比，干燥速率為試件在單位時(shí)間和單位面積內(nèi)蒸發(fā)的水分質(zhì)量，單位為kg/(h·m2).

2 結(jié)果及分析

2.1 混凝土干燥速率分析

以150℃干燥條件為例，各強(qiáng)度等級(jí)試件的干燥速率隨干燥時(shí)間的變化如圖1所示.

圖1 150℃下不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的干燥速率曲線Fig.1 Drying rate curves of concretes with different strength grades at 150℃

由圖1可知，不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的干燥速率隨干燥時(shí)間的變化規(guī)律基本一致，可將其分為3個(gè)階段(以C50混凝土為例)：(1)AB段為升速干燥階段，該階段混凝土吸收的熱量一部分用于加熱混凝土，使得混凝土溫度升高，另一部分用于將混凝土表層的水分蒸發(fā)，隨著干燥時(shí)間的延長(zhǎng)，干燥速率逐漸增大并在B點(diǎn)達(dá)到最大值，升速干燥階段的持續(xù)時(shí)間約為3h；(2)BC段為降速干燥階段，隨著干燥的進(jìn)行，混凝土表層水分已經(jīng)基本蒸發(fā)，水分蒸發(fā)面逐漸向內(nèi)部移動(dòng)，混凝土內(nèi)部由于干燥路徑增長(zhǎng)，阻力增大，內(nèi)部水分遷移到表面的速率越來(lái)越小，且小于水分在表面的蒸發(fā)速率，因此C點(diǎn)的干燥速率僅為B點(diǎn)干燥速率的1%；(3)CD段為基本干燥階段，此階段混凝土干燥速率極低且數(shù)值保持不變，D點(diǎn)的干燥速率約為0.0007kg/(h·m2).若定義混凝土干燥速率小于0.001kg/(h·m2)時(shí)為完全干燥狀態(tài)，則混凝土試件在D點(diǎn)已達(dá)到完全干燥狀態(tài).

在不同干燥溫度θ下，不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土達(dá)到完全干燥狀態(tài)所需時(shí)間(td)、總失水量、失水率、最大干燥速率以及對(duì)照組失水率見表2.由表2可見，試驗(yàn)組與對(duì)照組試件的失水率基本吻合，可以認(rèn)為試驗(yàn)組已經(jīng)完全干燥.

表2 混凝土試件干燥結(jié)果

不同強(qiáng)度等級(jí)、不同干燥溫度混凝土濕基含水率隨干燥時(shí)間變化的規(guī)律如圖2，3所示.

由表2和圖2可知，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，完全干燥所需時(shí)間越長(zhǎng)，總失水量越少，最大干燥速率越小.以150℃為例，C20混凝土完全干燥所需時(shí)間、總失水量和最大干燥速率分別是C50混凝土的0.53，1.40和2.11倍.

結(jié)合表2和圖3可知，干燥溫度越高，混凝土完全干燥所需時(shí)間越短，總失水量越多，最大干燥速率越大.以C20混凝土為例，其在150℃下完全干燥所需時(shí)間、總失水量和最大干燥速率分別是在60℃下干燥時(shí)的0.08，1.42和11.88倍.

圖2 150℃下不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的濕基含水率變化Fig.2 Moisture content variation of concretes with different strength grades at 150℃

圖3 不同干燥溫度下C20混凝土的濕基含水率變化Fig.3 Moisture content variation of C20 concrete under different drying temperatures

2.2 干燥時(shí)間變化規(guī)律

不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土完全干燥所需時(shí)間td與干燥溫度θ的關(guān)系如圖4所示.

圖4 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土完全干燥所需時(shí)間與干燥溫度的關(guān)系Fig.4 Relationship between completely drying time and drying temperature of concretes with different strength grades

結(jié)合表2和圖4可知：對(duì)于相同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土，干燥溫度越高，完全干燥所需時(shí)間越短；相同干燥溫度下，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，完全干燥所需時(shí)間越長(zhǎng).當(dāng)干燥溫度為60℃時(shí)，不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土完全干燥所需時(shí)間均在400h以上，遠(yuǎn)高于其他干燥溫度下的完全干燥所需時(shí)間；當(dāng)干燥溫度在120℃以上時(shí)，混凝土完全干燥所需時(shí)間均小于100h，且不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土完全干燥所需時(shí)間差異較小，各級(jí)之間的差異值均小于24h.

水分蒸發(fā)是吸熱過(guò)程，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，1mol水分在一定溫度下蒸發(fā)所需的熱量稱為蒸發(fā)熱.蒸發(fā)熱與蒸發(fā)時(shí)的溫度和壓強(qiáng)有關(guān)，在相同大氣壓下，等質(zhì)量的液體蒸發(fā)時(shí)，溫度越高，所需熱量越少.因此，在相同大氣壓下，相同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土在干燥時(shí)，干燥溫度越高，水分吸熱速率越快，且水分蒸發(fā)所需熱量越少，完全干燥所需時(shí)間越短.在相同干燥溫度下，混凝土中水分吸熱速率和所需熱量相同，但是由于混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高，其內(nèi)部密實(shí)度加大，缺陷量減少，水分從混凝土內(nèi)部排出時(shí)所遇到的阻力增大，因此完全干燥所需時(shí)間增加.對(duì)不同干燥溫度下混凝土完全干燥所需時(shí)間進(jìn)行擬合，得到完全干燥所需時(shí)間td和干燥溫度θ的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如下：

C20：td=39.43501+13525.96×0.94273θ，

R2=0.998

(1)

C30：td=50.56242+13797.30×0.94290θ，

R2=0.993

(2)

C40：td=61.77485+16005.76×0.94254θ，

R2=0.991

(3)

C50：td=72.25158+15840.18×0.94485θ，

R2=0.986

(4)

2.3 混凝土完全干燥時(shí)失水率變化的分析

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同干燥溫度下混凝土完全干燥時(shí)的失水率存在差異.由表2可知：隨著干燥溫度θ的升高，混凝土達(dá)到完全干燥時(shí)的失水率逐漸增大；60℃下干燥所失去的水分最少，C20，C30，C40，C50混凝土在60℃下達(dá)到完全干燥時(shí)的失水率分別為150℃下的0.72，0.71，0.63，0.63倍.

不同干燥溫度下混凝土失水率的差異是由于脫水的形式不同造成的，下面從2個(gè)方面給予解釋.

一方面，混凝土內(nèi)不同類型的水分脫水溫度不同.混凝土中的水分存在形式主要有結(jié)晶水、吸附水和自由水3種形式[11].其中自由水與普通水的性質(zhì)相同，吸收一定的熱量即可蒸發(fā)；吸附水可分為凝膠水和毛細(xì)孔水，其結(jié)合力較弱，脫水溫度也較低；結(jié)晶水按照其結(jié)合力的強(qiáng)弱可以分為強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水，強(qiáng)結(jié)合水只有在較高溫度下晶格破壞時(shí)才能脫去，而部分弱結(jié)合水在100～200℃下即可脫去[12-13].混凝土的干燥過(guò)程主要是膠凝材料部分脫水的過(guò)程，粗細(xì)骨料基本不發(fā)生變化.硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物主要為水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)、氫氧化鈣(CH)和鈣礬石(AFt)等.在水泥凈漿中氫氧化鈣約占水化產(chǎn)物總質(zhì)量的20%，其脫水溫度一般為400～500℃[14]，因此在本文研究溫度范圍內(nèi)氫氧化鈣不會(huì)脫水.關(guān)于鈣礬石的相關(guān)研究表明[13]，在50℃時(shí)其有少量結(jié)晶水脫出，在74℃左右時(shí)其脫水相當(dāng)強(qiáng)烈，該溫度雖在本文設(shè)計(jì)的干燥溫度區(qū)間內(nèi)，但由于鈣礬石含量低于7%，因此可忽略其脫水量對(duì)結(jié)果的影響.水化硅酸鈣凝膠約占水化產(chǎn)物總質(zhì)量的70%，有文獻(xiàn)表明[15]，水化硅酸鈣凝膠是水泥漿體中最早受溫度影響的固相，且在80℃以后就開始發(fā)生變化，其結(jié)晶水脫落發(fā)生在 100℃ 左右[15].另外，水化硅酸鈣凝膠是無(wú)定形結(jié)構(gòu)，原材料、配合比、齡期和尺寸等因素的不同都會(huì)造成其成分與結(jié)構(gòu)上的差異，從而影響到其脫水溫度及在不同溫度下的脫水程度[16]，但是其開始脫水時(shí)的溫度相差不大.因此在本文研究的溫度范圍內(nèi)，結(jié)晶水的脫去主要發(fā)生在水化硅酸鈣凝膠中.

另一方面，通過(guò)混凝土差熱-熱重試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.Zhang等[17]對(duì)與C20混凝土相同水灰比的水泥凈漿進(jìn)行差熱-熱重分析得出：當(dāng)干燥溫度為 67～71℃ 時(shí)，混凝土中的物理水(自由水和吸附水)蒸發(fā)擴(kuò)散，質(zhì)量損失約為水泥凈漿總質(zhì)量的21%，由于水泥凈漿質(zhì)量與混凝土總質(zhì)量之比為0.1757，所以失去的這部分水分約為混凝土總質(zhì)量的3.69%；當(dāng)干燥溫度為100℃左右時(shí)，混凝土中的部分弱結(jié)合水開始脫落.本試驗(yàn)中，C20混凝土在干燥溫度為60，80℃時(shí)的失水率分別為3.54%和3.89%，試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[17]基本吻合，因此可以認(rèn)為當(dāng)干燥溫度為60～80℃ 時(shí)，混凝土干燥失去的水分為自由水和吸附水.

混凝土作為多孔介質(zhì)材料，其水分遷移過(guò)程十分復(fù)雜，因此很難用一種比較通用的機(jī)理來(lái)解釋.本文初步運(yùn)用修正Page模型Ⅱ[18]對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到干燥溫度為150℃時(shí)C20混凝土濕分比MR(某時(shí)刻脫去的自由含水率與初始總自由含水率的比值)與干燥時(shí)間t的擬合曲線，如圖5所示.

圖5 150℃下C20混凝土干燥過(guò)程與修正Page模型Ⅱ的擬合曲線Fig.5 Drying process of C20 concrete and modified Page model Ⅱ fitting curve at 150℃

從圖5可以看出，修正Page模型 Ⅱ 適用于C20混凝土在150℃下的干燥過(guò)程描述，其相關(guān)系數(shù)R2為0.991.以C20混凝土在150℃下的干燥過(guò)程為基準(zhǔn)，引入溫度系數(shù)α1，α2和強(qiáng)度等級(jí)系數(shù)β，對(duì)修正Page模型Ⅱ進(jìn)行修正，得到適用于混凝土的干燥模型：

MR=α1aexp(-α2βktn)

(5)

式中：a，k和n為與干燥介質(zhì)有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，分別取1.04，0.24和1.

經(jīng)過(guò)多次數(shù)據(jù)擬合，得到不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土干燥模型的參數(shù)，見表3.

表3 混凝土干燥模型參數(shù)

根據(jù)不同干燥溫度、不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的干燥試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)上述模型進(jìn)行驗(yàn)算，所得結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合度較高，相關(guān)性較強(qiáng)，因此式(5)可以作為C20～C50混凝土在60～150℃下的干燥模型，為預(yù)估各時(shí)段混凝土含水率提供依據(jù).

3 結(jié)論

(1)不同干燥溫度下，不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的干燥脫水規(guī)律基本相同，均分為3個(gè)階段：升速干燥階段、降速干燥階段和基本干燥階段.升速干燥階段一般持續(xù)3h，與混凝土強(qiáng)度等級(jí)無(wú)關(guān).

(2)相同干燥溫度下，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，干燥速率越小，完全干燥所需時(shí)間越長(zhǎng)，總失水量越少；混凝土強(qiáng)度等級(jí)相同時(shí)，干燥溫度越高，干燥速率越大，完全干燥所需時(shí)間越短，總失水量越多.

(3)不同干燥溫度下混凝土失水率的不同是由于失去水分的形式不同造成的：80℃以下干燥時(shí)，主要是自由水和吸附水失去；80℃以上干燥時(shí)，部分結(jié)晶水開始脫去，且干燥溫度越高，脫去的結(jié)晶水越多.基于修正Page模型Ⅱ，考慮干燥溫度和混凝土強(qiáng)度等級(jí)的影響，得到了適用于C20～C50混凝土在60～150℃下的干燥模型.