摻粉煤灰再生混凝土反向濕度響應(yīng)規(guī)律與預(yù)測模型研究

蔣建華，吳 琦，付用全，眭 源，林明益

(河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210024)

0 引 言

再生骨料混凝土是利用再生骨料代替普通骨料生產(chǎn)的混凝土，具有環(huán)境保護(hù)意義，符合當(dāng)前社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的要求[1]。然而現(xiàn)有研究表明，再生混凝土由于新舊界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其耐久性能通常低于普通混凝土，如何改善再生混凝土耐久性能成為今后研究趨勢[2-3]。

近些年，國內(nèi)外學(xué)者在再生混凝土領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，但是大部分集中在再生混凝土的生產(chǎn)加工工藝[4]、不同材料對再生混凝土耐久性能的影響[5]，以及通過摻加礦物摻合料來改善再生混凝土性能[6-7]。然而影響再生混凝土耐久性能的因素除了混凝土材料本身以外，還受到其所處的環(huán)境因素影響[8]。其中混凝土內(nèi)部濕度環(huán)境就是影響混凝土耐久性能的主要因素之一，相關(guān)學(xué)者對混凝土內(nèi)部相對濕度展開了研究。高原等[9]通過干濕循環(huán)試驗(yàn)對混凝土試件進(jìn)行循環(huán)干濕傳導(dǎo)，研究混凝土變形與內(nèi)部濕度的關(guān)系。戚彥福等[10]研究了風(fēng)速對混凝土試件收縮變形及內(nèi)部相對濕度分布的影響，分析了混凝土試件收縮變形與內(nèi)部相對濕度之間的內(nèi)在關(guān)系。蔣建華等[11]在人工恒定氣候環(huán)境條件下進(jìn)行了混凝土濕度響應(yīng)研究，并提出了混凝土內(nèi)相對濕度響應(yīng)預(yù)測模型。常洪雷等[12]將高性能混凝土分別暴露于自干燥環(huán)境和恒溫恒濕環(huán)境中，并測試了混凝土的內(nèi)部濕度演變規(guī)律。Aparicio等[13]根據(jù)再生混凝土骨料表面附著舊砂漿的孔隙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究了不同溫度、再生骨料替代率和荷載條件下混凝土內(nèi)部相對濕度的響應(yīng)過程和機(jī)理。Liu等[14]研究了再生骨料替代率為100%的混凝土在不同溫度、深度和彎曲荷載作用下內(nèi)部溫濕度響應(yīng)規(guī)律和機(jī)理。

目前，常通過摻加礦物摻合料如粉煤灰等方式改善再生混凝土的耐久性能。粉煤灰再生混凝土作為變革混凝土傳統(tǒng)配方的大膽嘗試，其部分耐久性問題已經(jīng)解決。關(guān)于摻粉煤灰再生混凝土濕度響應(yīng)規(guī)律的相關(guān)研究不足，有待進(jìn)一步研究。因此本文在人工氣候環(huán)境條件下進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)和反向濕度響應(yīng)(水汽由混凝土內(nèi)部擴(kuò)散到外界環(huán)境)試驗(yàn)，考慮再生粗骨料取代率和粉煤灰摻量2種影響因素，研究粉煤灰再生混凝土的反向濕度響應(yīng)規(guī)律和機(jī)理，并建立再生混凝土的反向濕度響應(yīng)預(yù)測模型。本文研究成果可以為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測和定量分析提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，試件的水膠比為0.40。試件設(shè)計(jì)包括2組試驗(yàn)工況，分別是粉煤灰摻量ρF(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為20%時(shí)考慮不同再生粗骨料取代率ρR的試驗(yàn)工況，及ρR為100%時(shí)考慮不同ρF的試驗(yàn)工況。具體的混凝土配合比如表1所示。試驗(yàn)采用的水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料采用河砂(中砂)，細(xì)度模數(shù)為2.7；天然粗骨料(NCA)采用粒徑為5～15 mm的碎石；再生粗骨料(RCA)產(chǎn)自于南京富源資源利用有限公司，粒徑范圍為5～15 mm；粉煤灰采用二級(jí)F類灰；拌合水為普通自來水；減水劑采用聚羧酸系液態(tài)減水劑。骨料的物理性質(zhì)如表2所示。

1.2 試件制作與養(yǎng)護(hù)

普通塑料模具用于抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試件的澆筑，側(cè)面開孔的木模具用于濕度響應(yīng)試件的澆筑。本文為了便于埋置溫濕度傳感器來測量混凝土內(nèi)部相對濕度，采用PVC管預(yù)留孔洞。為避免水泥漿滲入管內(nèi)，將尼龍棒插入PVC管中且與管底齊平。試件制作前，稱取3組自然狀態(tài)下再生粗骨料進(jìn)行烘干處理，測得3組骨料的平均初始含水率為4.50%?？紤]到再生粗骨料的初始含水率，為了保持試件水膠比一定，攪拌時(shí)減少相應(yīng)拌合水的用量。

表1 混凝土試件配合比Table 1 Mix Proportions for Concrete Specimens

表2 骨料物理性質(zhì)Table 2 Physical Properties of Aggregates

試件澆筑24 h后拆模，此時(shí)木模板中的PVC管和尼龍棒暫不拔出，試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下(溫度(20±2) ℃，相對濕度95%以上)養(yǎng)護(hù)28 d。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，將進(jìn)行反向濕度響應(yīng)試驗(yàn)的試件放在室內(nèi)靜置60 d，待水泥水化充分。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

利用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行混凝土28 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，加載速率設(shè)置為3 kN·s-1。28 d抗壓強(qiáng)度的取值符合《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)。由于再生混凝土抗壓強(qiáng)度取值的折算與普通混凝土不同，不能簡單地乘以折算系數(shù)，因此本文所有的抗壓強(qiáng)度均為實(shí)測值，不進(jìn)行折算。

1.3.2 反向濕度響應(yīng)試驗(yàn)

試驗(yàn)開始之前，為了控制試件的初始濕度，將試件置于溫度為40 ℃，相對濕度為95% 以上的恒溫恒濕箱中，一段時(shí)間后測量試件內(nèi)部相對濕度，待試件內(nèi)部相對濕度為90%±3%時(shí)取出。為了模擬一維反向濕度響應(yīng)過程，所有試件除暴露面外，其余5個(gè)面用鋁箔膠帶密封，其示意圖如圖1所示。將處理后的試件置于恒溫恒濕箱(圖2)中，模擬混凝土試件干燥過程的反向濕度響應(yīng)條件為：試件初始相對濕度H0=90%，環(huán)境相對濕度He=50%，環(huán)境溫度T=40 ℃。記錄儀設(shè)置為每隔6 h記錄1次，記錄時(shí)長30 d。

2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

在控制水膠比為0.40的條件下，分別考慮再生粗骨料取代率ρR(0%，25%，50%，75%，100%)和粉煤灰摻量ρF(0%，10%，20%，30%)對混凝土試件28 d抗壓強(qiáng)度的影響。同一工況下澆筑3個(gè)試件，取3個(gè)試件強(qiáng)度實(shí)測值的平均值作為該組試件的強(qiáng)度值。2種影響因素下混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度如圖3所示。

從圖3(a)可以看出，混凝土抗壓強(qiáng)度隨著ρR的增大呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)ρR小于25%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度隨ρR的增大而緩慢增大。這是因?yàn)樵偕止橇峡紫堵瘦^普通骨料大，吸水性較強(qiáng)，再生粗骨料吸收了混凝土中的游離水，在一定程度上減小了混凝土的實(shí)際水膠比，從而使混凝土的抗壓強(qiáng)度增大。當(dāng)ρR大于25%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨ρR的增大而顯著減小。隨著ρR逐漸增大，再生骨料新老界面的缺陷及其內(nèi)部損傷增多，當(dāng)荷載逐漸增加時(shí)，再生骨料界面處的微小裂縫及內(nèi)部的微小孔隙逐漸展開，導(dǎo)致混凝土破壞的裂縫增多，使得再生混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸下降[15]。

從圖3(b)可以看出，ρR一定時(shí)，隨著ρF的增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度先增大后減小。當(dāng)ρF小于10%時(shí)，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度隨之增大而略有增大；當(dāng)ρF大于10%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨之增大而顯著減小。粉煤灰尺寸細(xì)小而且呈球形，具有微骨料效應(yīng)，其內(nèi)部含有的微細(xì)顆粒在水化反應(yīng)時(shí)可以填充水泥漿中的孔隙和毛細(xì)孔，因此適量摻加粉煤灰可提高混凝土強(qiáng)度[16]。然而由于粉煤灰活性較低，ρF過大時(shí)會(huì)影響混凝土早期水化反應(yīng)從而導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度下降。

3 反向濕度響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果與分析

在控制水膠比一定的條件下，分別考慮再生粗骨料取代率ρR(0%，25%，50%，75%，100%)和粉煤灰摻量ρF(0%，10%，20%，30%)對干燥狀態(tài)下混凝土內(nèi)部反向濕度響應(yīng)的影響。2種影響因素下混凝土的反向濕度響應(yīng)曲線如圖4所示。

分析圖4可知，2種影響因素下混凝土相對濕度下降趨勢均隨著試驗(yàn)進(jìn)行逐漸減緩。ρR為25%時(shí)濕度響應(yīng)最慢，ρR為0%，50%，75%，100%時(shí)混凝土濕度響應(yīng)依次加快。濕度響應(yīng)進(jìn)行到第30 d時(shí)，ρR為0%，25%，50%，75%，100%的混凝土內(nèi)部相對濕度分別下降了17.9%，17.1%，18.6%，19.7%和23.2%。在整個(gè)反向濕度響應(yīng)試驗(yàn)過程中，ρF為10%的混凝土反向濕度響應(yīng)最慢，ρF為0%，20%，30%的混凝土反向濕度響應(yīng)依次加快。濕度響應(yīng)進(jìn)行至第30 d時(shí)，ρF為0%，10%，20%，30%的混凝土內(nèi)部相對濕度分別下降了17.5%，16.6%，23.2%和27.8%。

為進(jìn)一步定量分析2種因素對再生混凝土反向濕度響應(yīng)的影響，定義濕度響應(yīng)速率Δv=ΔH/t，ΔH為t時(shí)間內(nèi)的相對濕度變化量。2種因素影響下混凝土反向濕度響應(yīng)速率如圖5所示。

由圖5可知，在整個(gè)濕度響應(yīng)過程中，隨著ρR和ρF的增大，混凝土反向濕度響應(yīng)速率均先緩慢減小后顯著增大。ρF為20%時(shí)，ρR為25%的混凝土反向濕度響應(yīng)速率最低，ρR為0%，50%，75%，100%的混凝土反向濕度響應(yīng)速率依次增大。這是因?yàn)棣裄較小時(shí)，混凝土內(nèi)部孔隙較為致密，濕度響應(yīng)速率變化不大。ρR越大，大孔數(shù)量越多，混凝土內(nèi)部孔隙率越大，水蒸氣在孔隙內(nèi)的凝聚能力越弱，反向濕度響應(yīng)速率越快[17]。試驗(yàn)進(jìn)行至第5 d時(shí)，ρR為0%，50%，75%，100%的混凝土試件較ρR為25%的試件反向濕度響應(yīng)速率分別增大9.6%，15.1%，23.2%，43.8%。第30 d時(shí)，ρR為0%，50%，75%，100%的混凝土試件較ρR為25%的試件反向濕度響應(yīng)速率分別增大5.3%，3.5%，14%，22.8%。由此可見：在試驗(yàn)的早期，ρR對反向濕度響應(yīng)速率的影響更大；隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，影響逐漸減弱。

ρR為100%時(shí)，ρF為10%的混凝土反向濕度響應(yīng)速率最低，ρF為0%，20%，30%的混凝土反向濕度響應(yīng)速率依次增大。這是因?yàn)榛炷林袚饺脒m量粉煤灰后，粉煤灰的微集料效應(yīng)和二次水化產(chǎn)生膠凝物質(zhì)填充了混凝土孔隙，使其內(nèi)部孔隙更致密，混凝土與外界的濕氣交換變慢。當(dāng)ρF超過10%后，粉煤灰抑制水化活性現(xiàn)象更明顯，導(dǎo)致水泥水化不充分，混凝土內(nèi)部孔隙連通性增強(qiáng)，混凝土內(nèi)部濕度交換變快，濕度響應(yīng)加快。試驗(yàn)進(jìn)行至第5 d時(shí)，ρF為0%，20%，30%的混凝土試件較ρF為10%的試件反向響應(yīng)速率分別增大12.9%，53.2%，93.5%。第30d時(shí)，ρF為0%，20%，30%的混凝土試件較ρF為10%的試件反向響應(yīng)速率分別增大10%，30.7%，50.2%。由此可知：在試驗(yàn)的早期，ρF對混凝土響應(yīng)速率影響較大；隨著濕度響應(yīng)的進(jìn)行，影響逐漸減小；隨著ρF的增大，不同時(shí)間段的反向濕度速率差距逐漸增大。

4 反向濕度響應(yīng)預(yù)測模型

4.1 表層混凝土反向濕氣擴(kuò)散系數(shù)

在干燥狀態(tài)下混凝土的反向濕度響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土內(nèi)濕氣含量隨著響應(yīng)時(shí)間而變化，因此混凝土反向濕度傳輸可以歸為非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散問題。參考Fick第二定律[18]，得到變值擴(kuò)散系數(shù)情形下的擴(kuò)散方程解，從而混凝土的反向濕氣擴(kuò)散系數(shù)D可以表示為[11]

(1)

式中：η為Boltzmamn變量，η=xt-1/2，x為混凝土內(nèi)部深度；Hf為響應(yīng)時(shí)刻末對應(yīng)的混凝土內(nèi)部相對濕度；H為混凝土內(nèi)相對濕度。

按照公式(1)計(jì)算得到ρR和ρF影響下的混凝土反向濕氣擴(kuò)散系數(shù)隨相對濕度的變化規(guī)律，如圖6所示。

由圖6可知，2種影響因素下混凝土的反向濕氣擴(kuò)散系數(shù)均隨著混凝土內(nèi)部相對濕度的減小而減小，且減小的趨勢先迅速后緩慢，最終趨向穩(wěn)定。這是因?yàn)榛炷羶?nèi)外濕度梯度是濕氣傳輸?shù)尿?qū)動(dòng)力，隨著反向濕度響應(yīng)進(jìn)行，混凝土內(nèi)外濕度梯度減小，反向濕氣擴(kuò)散系數(shù)減小。

4.2 再生混凝土相對濕度響應(yīng)預(yù)測模型

4.2.1 相對濕度響應(yīng)模型的推導(dǎo)

混凝土內(nèi)的傳質(zhì)過程由Fick第二定律所決定，由此可獲得任意時(shí)間混凝土內(nèi)部任意位置處的相對濕度H，計(jì)算公式如式(2)所示[11]。

(2)

公式(2)為本文建立的混凝土內(nèi)部相對濕度預(yù)測理論模型。從公式(2)可以看出，混凝土的等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)對混凝土內(nèi)部相對濕度響應(yīng)過程具有決定性作用，等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)越大，混凝土內(nèi)部達(dá)到與環(huán)境相對濕度平衡的時(shí)間越短，反之越長。因此，為確定干燥狀態(tài)下混凝土內(nèi)部相對濕度的預(yù)測模型，首先應(yīng)建立反向濕氣擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算模型。

4.2.2 混凝土反向等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算模型

(3)

利用公式(3)及混凝土反向濕氣擴(kuò)散系數(shù)可以計(jì)算得到不同ρR和ρF下混凝土的反向等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)，結(jié)果如圖7所示。

基于圖7中的計(jì)算結(jié)果，利用軟件進(jìn)行數(shù)值擬合，可得到2種影響因素下混凝土反向濕氣擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算模型，如公式(4)所示。

0≤ρR≤100%，0≤ρF≤30%

(4)

4.2.3 相對濕度響應(yīng)模型的驗(yàn)證

在公式(2)的驗(yàn)證過程中，誤差函數(shù)的計(jì)算選用雙曲正切函數(shù)的近似算法，其計(jì)算式為

erf(φ)=tanh(1.128 384φ+0.102 77φ3)

(5)

以反向濕度響應(yīng)過程R75工況為例，介紹混凝土內(nèi)部相對濕度的計(jì)算過程?；炷了z比w/b=0.40，距混凝土表面深度x=0.05 m，混凝土內(nèi)部實(shí)際初始相對濕度H0=90%，外界環(huán)境實(shí)際相對濕度He=50%，外界環(huán)境溫度T=40 ℃?；炷羶?nèi)部相對濕度計(jì)算過程為：

(1)首先，利用公式(4)計(jì)算R75的反向等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)，其中ρR=75%，ρF=20%。

13.429)=3.399×10-6m2·h-1

(2)然后，再根據(jù)公式(5)計(jì)算得到不同時(shí)刻的誤差函數(shù)值。

(3)將已知的x=0.05 m，H0=90%，He=50%，以及不同時(shí)刻的誤差函數(shù)值代入公式(2)中，得到不同時(shí)刻混凝土內(nèi)部相對濕度的計(jì)算值，試驗(yàn)值與計(jì)算值的對比如圖8所示。

由圖8可知，以反向等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算模型為基礎(chǔ)，采用雙曲正切函數(shù)的近似算法計(jì)算誤差函數(shù)，計(jì)算得到的混凝土內(nèi)部相對濕度的計(jì)算值與試驗(yàn)值的最大相對誤差為2.13%，小于5%，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。因此本文提出的反向濕度響應(yīng)的計(jì)算模型切實(shí)可行。

5 結(jié) 語

(1)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度隨著再生粗骨料取代率和粉煤灰摻量的增大均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)再生粗骨料取代率為25%且粉煤灰摻量為10%左右時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。

(2)在整個(gè)反向濕度響應(yīng)過程中，隨著再生粗骨料取代率和粉煤灰摻量的增大，混凝土反向濕度響應(yīng)速率均先減小后增大。在同一濕度響應(yīng)時(shí)刻，再生粗骨料取代率為25%時(shí)混凝土反向濕度響應(yīng)速率最低，取代率為0%，50%，75%，100%的混凝土濕度響應(yīng)速率依次增大；粉煤灰摻量為10%的混凝土反向濕度響應(yīng)速率最低，摻量為0%，20%和30%的混凝土反向濕度響應(yīng)速率依次增大。在反向濕度響應(yīng)的早期，2種影響因素對混凝土的反向濕度響應(yīng)速率影響更大；隨著濕度響應(yīng)的進(jìn)行，影響逐漸減小；隨著粉煤灰摻量的增大，不同時(shí)間段的反向濕度響應(yīng)速率差距逐漸增大。

(3)根據(jù)混凝土傳質(zhì)學(xué)的相關(guān)理論，建立了以再生混凝土取代率和粉煤灰摻量為變量的反向濕度響應(yīng)模型并驗(yàn)證了其可行性。