摻粉煤灰再生混凝土吸濕過程與預(yù)測模型研究

蔣建華， 吳 琦， 付用全， 林明益， 眭 源

（河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210024）

再生混凝土技術(shù)將廢舊混凝土進(jìn)行二次利用，有利于維護(hù)生態(tài)環(huán)境的平衡和社會的可持續(xù)發(fā)展.但現(xiàn)有研究表明再生混凝土的耐久性往往低于天然混凝土，如何改善再生混凝土的耐久性能已成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點［1-3］.

混凝土內(nèi)部濕度環(huán)境是影響混凝土耐久性能的主要因素之一［4-6］.混凝土內(nèi)部的含濕狀態(tài)很大程度上取決于對外部氣候環(huán)境的響應(yīng).Zhang 等［7］和Min等［8］研究了人工恒定氣候環(huán)境下荷載損傷普通混凝土的內(nèi)部濕度響應(yīng)規(guī)律.Andrade 等［9］和王衛(wèi)侖等［10］開展了自然氣候環(huán)境下普通混凝土的內(nèi)部濕度響應(yīng)規(guī)律研究.Liu 等［11-12］研究了不同溫度及荷載條件下再生混凝土的內(nèi)部濕度響應(yīng)規(guī)律和機(jī)理.由此可見，目前關(guān)于混凝土內(nèi)部濕度響應(yīng)的研究主要集中于普通混凝土，再生混凝土濕度響應(yīng)的研究還有待進(jìn)一步完善.

本文在前期研究成果［13］的基礎(chǔ)上，基于恒定氣候環(huán)境條件的吸水試驗和濕度響應(yīng)試驗，進(jìn)一步研究了考慮再生粗骨料取代率、粉煤灰摻量和再生粗骨料初始含水率3 種影響因素對混凝土內(nèi)部濕度響應(yīng)的影響，并進(jìn)行了模型預(yù)測，以期為后續(xù)再生混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性定量分析提供理論基礎(chǔ).

1 試驗

1.1 原材料與試件設(shè)計

水泥為P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥；粉煤灰（FA）為Ⅱ級F 類粉煤灰；細(xì)骨料為河砂（中砂），細(xì)度模數(shù)為2.7；天然粗骨料（NCA）為粒徑5～15 mm 的碎石；再生粗骨料（RCA）產(chǎn)自南京富源資源利用有限公司，粒徑范圍為5～15 mm；拌和水為普通自來水；減水劑（WR）為聚羧酸系液態(tài)減水劑.立方體試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，其水膠比為0.40（質(zhì)量比，文中涉及的水膠比、含水率等均為質(zhì)量比或質(zhì)量分?jǐn)?shù)）.本文設(shè)計3 組試驗工況：（1）固定粉煤灰摻量ρF為20%、再生粗骨料初始含水率ωR為4.50%，考慮不同再生粗骨料取代率ρR（0%、25%、50%、75%、100%）的影響；（2）固定ρR為100%、ωR為4.50%，考慮不同ρF（0%、10%、20%、30%）的影響；（3）固定ρR為100%、ρF為20%，考 慮 不 同ωR（0%、3.56%、5.76%、7.83%）的影響.混凝土試件配合比如表1所示.

表1 混凝土試件配合比Table 1 Mix proportions of concrete specimens kg/m3

1.2 試件制作與養(yǎng)護(hù)

本文采用PVC 管預(yù)留孔洞埋置濕度傳感器來測量混凝土的內(nèi)部相對濕度.澆筑混凝土?xí)r，為避免水泥漿滲入管內(nèi)，預(yù)先將尼龍棒插入PVC 管中.試件制作前，為使再生粗骨料具有一定梯度的初始含水率，先將再生粗骨料于105 ℃下烘干24 h，再滿水浸泡12 h；然后將粗骨料分為4 組，再次進(jìn)行烘干處理，每組烘干時間分別為0、1、3、5 h；最后靜置至室溫后稱重，計算得到4 組再生粗骨料的含水率，分別為0%、3.56%、5.76%、7.83%.考慮到4 組再生粗骨料初始含水率的不同，為保持試件水膠比一定，混凝土攪拌時減少相應(yīng)拌和水的用量.

吸水試件采用普通塑料模具進(jìn)行澆筑；濕度響應(yīng)試件采用側(cè)面開孔的木模具進(jìn)行澆筑.試件澆筑24 h 后拆模，然后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件（（20±2）℃，相對濕度95%以上）下養(yǎng)護(hù)28 d，最后在室內(nèi)靜置60 d，待水泥充分水化.

1.3 試驗方法

1.3.1 吸水試驗

混凝土的吸水特性與材料自身的孔隙結(jié)構(gòu)及分布密切相關(guān).為便于分析相關(guān)因素對混凝土內(nèi)部濕氣傳輸?shù)挠绊憴C(jī)理，本文先開展混凝土的吸水試驗.試驗前，為模擬混凝土試件處于完全干燥狀態(tài)，先將試件置于105 ℃的電熱恒溫干燥箱中進(jìn)行干燥處理，每隔24 h 記錄1 次試件的質(zhì)量變化，當(dāng)連續(xù)2 次的質(zhì)量差小于1 g 時，視為試件完全干燥，將試件此時的質(zhì)量記為m0.試件干燥完成后，在相同工況下選取2個試件進(jìn)行吸水試驗，取吸水量的平均值作為代表值.試驗裝置采用設(shè)有固定圓柱體支架的水箱，為保證試件暴露面與水能夠充分接觸，控制水面高于混凝土暴露面3 mm 左右，水溫為（20±2）℃，混凝土吸水試驗示意圖如圖1 所示.為反映試件早期吸水特性，在試驗初期的7 h 內(nèi)每隔1 h 稱重1 次；隨后每隔24 h 稱重1 次，連續(xù)測量10 次，共17 次；試件質(zhì)量記為mi，質(zhì)量差即吸水量Δmi=mi-m0（1 h＜i≤240 h）.

圖1 混凝土吸水性試驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of water absorption test of concrete（size：mm）

1.3.2 濕度響應(yīng)試驗

濕度響應(yīng)試驗前，為控制試件的初始相對濕度，同樣先將試件置于105 ℃的干燥箱中烘干處理；然后置于恒定溫濕度環(huán)境中，采用溫濕度傳感器監(jiān)測混凝土內(nèi)部溫濕度條件；最終使混凝土內(nèi)部的初始相對濕度在試驗溫度下達(dá)到（50±3）%.試件干燥完成后，拔出PVC 管中的尼龍棒，插入濕度探頭（測量范圍0%～100%，測量精度±（2～3）%，分辨率0.1%），先用帶槽口的橡皮塞密封PVC 管口，再用生料帶和鋁箔膠帶進(jìn)行密封；為模擬一維吸水和濕度響應(yīng)過程，將試件除暴露面外的其余5 個面用鋁箔膠帶密封；最后將濕度探頭與記錄儀連接，如圖2 所示.試件處理完成后，將其置于恒溫恒濕箱中進(jìn)行濕度響應(yīng)試驗.模擬混凝土試件吸濕過程的濕度響應(yīng)條件為：試件初始相對濕度H0=50%，環(huán)境相對濕度He=90%，環(huán)境溫度T=25 ℃.濕度記錄儀設(shè)置為每隔6 h記錄1 次，記錄時長30 d.

圖2 混凝土濕度響應(yīng)試驗示意圖Fig.2 Schematic diagram of humidity response test of concrete（size：mm）

2 吸水試驗結(jié)果與分析

2.1 吸水量的時變規(guī)律

在水膠比為0.40 的條件下，分別研究再生粗骨料取代率（ρR）、粉煤灰摻量（ρF）及再生粗骨料初始含水率（ωR）對混凝土吸水量的影響.3 種影響因素下混凝土的吸水量時變曲線如圖3 所示.由圖3 可知：3 種影響因素下混凝土早期吸水量均增長較快，隨著吸水時間（tw）的延長，混凝土的吸水量增速逐漸減慢，最終趨向穩(wěn)定；當(dāng)吸水時間（tw）一定時，ρR為25%的混凝土吸水量最小，ρR為0%、50%、75%和100%的混凝土吸水量依次增大；ρF為10%的混凝土吸水量最小，ρF為0%、20%和30%的混凝土吸水量依次增大；隨著ωR的增大，混凝土的吸水量逐漸增大.

圖3 混凝土吸水量時變曲線Fig.3 Time-dependent curves of water absorption of concrete

2.2 毛細(xì)吸水系數(shù)

圖4為混凝土單位面積（A）吸水量（Δmi/A）與吸水時間（tw）平方根的關(guān)系曲線.根據(jù)該關(guān)系曲線，進(jìn)一步研究3 種影響因素對混凝土毛細(xì)吸水系數(shù)（S，kg/（m2·h0.5））的影響.混凝土吸水量與其毛細(xì)吸水系數(shù)的關(guān)系式如（1）所示［14］.

由式（1）可知，混凝土單位面積吸水量與吸水時間的平方根之比即為混凝土毛細(xì)吸水系數(shù).在實際混凝土吸水過程中，毛細(xì)吸水系數(shù)隨吸水時間而變化.為定量分析混凝土的吸水特性，將毛細(xì)吸水系數(shù)視為常數(shù)，根據(jù)式（1），由兩者關(guān)系曲線（圖4）前期線性段的斜率即可得到混凝土的毛細(xì)吸水系數(shù)，結(jié)果如圖5 所示.

圖4 混凝土單位面積吸水量與吸水時間平方根的關(guān)系曲線Fig.4 Curves of water absorption per unit area vs square root of time of concrete

由圖5（a）可知：（1）隨著ρR的增大，混凝土的毛細(xì)吸水系數(shù)先減小后增大.（2）當(dāng)ρR小于25%時，混凝土的毛細(xì)吸水系數(shù)隨著ρR的增大而減小；當(dāng)ρR大于25%后，混凝土的毛細(xì)吸水系數(shù)隨著ρR的增大而增大.（3）ρR為0%、50%、75%和100%的混凝土毛細(xì)吸水系數(shù)較ρR為25% 時分別增大了28.4%、44.8%、46.9%和52.9%.這說明ρR為25%的混凝土微觀結(jié)構(gòu)最為致密，而ρR為0%、50%、75%和100%的混凝土內(nèi)部孔隙依次增大.

圖5 混凝土的毛細(xì)吸水系數(shù)Fig.5 Capillary water absorption coefficient of concrete

由圖5（b）可知：（1）隨著ρF的增大，混凝土的毛細(xì)吸水系數(shù)先減小后增大.（2）當(dāng)ρF小于10%時，混凝土的毛細(xì)吸水系數(shù)隨著ρF的增大而略有降低；當(dāng)ρF大于10%時，混凝土的毛細(xì)吸水系數(shù)隨著ρF的增大而顯著增大.（3）ρF為0%、20%和30%的混凝土毛細(xì)吸水系數(shù)較ρF為10%時分別增大了8.0%、15.2%和23.6%.這說明ρF為10%的混凝土微觀結(jié)構(gòu)最為致密，ρF為0%、20%和30%的混凝土孔隙率依次增大.

由圖5（c）可知：（1）隨著ωR的增大，混凝土的毛細(xì) 吸 水 系 數(shù) 逐 漸 增 大.（2）ωR為3.56%、5.76% 和7.83%的混凝土毛細(xì)吸水系數(shù)較ωR為0%時分別增大了13.7%、24.9%和27.1%.這說明混凝土的孔隙率隨著ωR的增大而增大.

3 濕度響應(yīng)試驗結(jié)果與分析

3.1 相對濕度的時變規(guī)律

在水膠比為0.40 的條件下，分別研究再生粗骨料取代率（ρR）、粉煤灰摻量（ρF）及再生粗骨料初始含水率（ωR）對混凝土濕度響應(yīng)的影響.同種工況下選取2 個試件濕度響應(yīng)試驗值的平均值作為代表值.混凝土內(nèi)部相對濕度（H）響應(yīng)曲線如圖6 所示.由圖6可知：（1）3 種影響因素下混凝土內(nèi)部相對濕度均嚴(yán)重滯后于環(huán)境相對濕度（He=90%），且混凝土內(nèi)部相對濕度增長速率均隨試驗的進(jìn)行逐漸下降.（2）當(dāng)濕度響應(yīng)時間（t）一定時，ρR為25%的混凝土內(nèi)部相對濕度值最小，ρR為0%、50%、75%和100%的混凝土內(nèi)部相對濕度依次增大；ρF為10%的混凝土內(nèi)部相對濕度最低，ρF為0%、20%和30%的混凝土內(nèi)部相對濕度依次增大；混凝土內(nèi)部相對濕度隨ωR的增大而增大.

圖6 混凝土內(nèi)部濕度響應(yīng)曲線Fig.6 Humidity response curves inside concrete

3.2 濕度響應(yīng)速率

為進(jìn)一步定量分析3 種因素對粉煤灰再生混凝土濕度響應(yīng)的影響，定義濕度響應(yīng)速率Δv=ΔH/t.ΔH為t時間內(nèi)混凝土內(nèi)部相對濕度變化量.3 種影響因素下混凝土濕度響應(yīng)速率曲線如圖7 所示.

由圖7（a）可知：（1）混凝土的濕度響應(yīng)速率隨著ρR的增大呈先減小后增大的趨勢.（2）當(dāng)ρR小于25%時，混凝土濕度響應(yīng)速率隨ρR增大而減??；當(dāng)ρR大于25%時，混凝土濕度響應(yīng)速率隨ρR的增大而增大.這是因為ρR較小時，再生粗骨料吸取部分拌和水，導(dǎo)致混凝土實際水膠比降低，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得致密；但是隨著ρR的增大，其吸水量顯著增大，影響水泥的水化進(jìn)程；同時ρR的增大也會使混凝土內(nèi)部原始損傷增大，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙率增大.濕度響應(yīng)進(jìn)行至5 d 時，ρR為0%、50%、75%和100%的混凝土試件較ρR為25%時分別增大了36.1%、80.6%、77.8%和94.4%；第30 d 時，分別增大7.6%、19.1%、41.8%和63.5%.由此可見，濕度響應(yīng)的早期，再生粗骨料取代率對混凝土濕度響應(yīng)的影響較大；隨著濕度響應(yīng)的進(jìn)行，影響逐漸減小.

圖7 混凝土濕度響應(yīng)速率曲線Fig.7 Moisture response rate of concrete

由圖7（b）可知：（1）隨著ρF的增大，再生混凝土的濕度響應(yīng)速率先減小后增大.（2）當(dāng)ρF小于10%時，再生混凝土濕度響應(yīng)速率隨ρF的增大而減??；當(dāng)ρF大于10%后，濕度響應(yīng)速率隨ρF的增大而增大.這主要因為粉煤灰作為活性摻和料可與水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2進(jìn)行二次水化，所生成的凝膠物質(zhì)填充孔隙，使混凝土內(nèi)部孔隙更為致密.10%的粉煤灰摻量會改善再生混凝土內(nèi)部孔隙狀態(tài)，延緩?fù)饨鐫駳鉂B入速率；當(dāng)粉煤灰摻量超過10%后，粉煤灰等量取代水泥過多，使得混凝土中水化產(chǎn)物減少，混凝土平均孔徑增加［15］.（3）當(dāng)濕度響應(yīng)進(jìn)行至第5 d 時，ρF為0%、20%和30%的混凝土試件較ρF為10%時分別增大了16.7%、20.0%和80.0%；第30 d 時，分別增大15.0%、25.0%和50.0%.分析以上數(shù)據(jù)可知，在濕度響應(yīng)的早期，粉煤灰摻量對混凝土濕度響應(yīng)速率影響較大；且粉煤灰摻量越大，不同時段的濕度響應(yīng)速率差異越明顯.

由圖7（c）可知：（1）再生混凝土的濕度響應(yīng)速率隨著ωR的增大而增大.一方面，這是因為再生粗骨料中的孔隙水在混凝土振搗過程中易析出，未及時水化的水分在骨料周邊形成小水囊，影響混凝土的致密性；另一方面，由吸水性試驗可知，隨著ωR的增大，混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)逐漸變差，孔隙率逐漸增大.（2）濕度響應(yīng)進(jìn)行至第5 d 時，ωR為3.56%、5.76%和7.83%的混凝土試件濕度響應(yīng)速率較ωR為0%的試件分別增大了106.7%、143.3%和166.7%；第30 d時，分別增大79.8%、100.0%和113.2%.由此表明，在濕度響應(yīng)的早期，ωR對混凝土濕度響應(yīng)速率的影響較大；且隨著ωR的增加，不同時段的混凝土濕度響應(yīng)速率差距增大.

4 粉煤灰再生混凝土濕度響應(yīng)預(yù)測模型

4.1 表層混凝土濕氣擴(kuò)散系數(shù)

混凝土濕度響應(yīng)試驗結(jié)果表明，混凝土內(nèi)部相對濕度隨響應(yīng)時間而變化，即混凝土內(nèi)濕度傳輸可以歸為非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散問題.于是，根據(jù)變值擴(kuò)散系數(shù)情形下的擴(kuò)散方程，得到混凝土濕氣擴(kuò)散系數(shù)（D）的計算表達(dá)式［13］：

式中：η稱為Boltzmamn 變量（η=xt-0.5），當(dāng)混凝土內(nèi)部深度x一定時，其為時間t的函數(shù)；Hf代表響應(yīng)時刻末混凝土內(nèi)部相對濕度，%.

根據(jù)式（2）計算得到3 種影響因素下的再生混凝土濕氣擴(kuò)散系數(shù)隨相對濕度的變化規(guī)律，如圖8所示.

圖8 混凝土濕氣擴(kuò)散系數(shù)演變規(guī)律Fig.8 Evolution law of moisture diffusion coefficient of concrete

由圖8 可知，隨著混凝土內(nèi)部相對濕度的增加，3種影響因素下混凝土的濕氣擴(kuò)散系數(shù)（D）均逐漸減小.這是由于混凝土濕氣傳輸?shù)尿?qū)動力是混凝土內(nèi)外濕度梯度，混凝土內(nèi)部相對濕度增大，導(dǎo)致混凝土內(nèi)外濕度梯度減小.混凝土內(nèi)部相對濕度相同時，3種工況下的濕氣擴(kuò)散系數(shù)表現(xiàn)為：ρR為25%的混凝土D值最小，ρR為0%、50%、75%和100%的D值依次增大；ρF為10%的混凝土的D值最小，ρF為0%、20%和30%的D值依次增大；混凝土的D值隨著ωR的增大而增大.

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)理論模型

混凝土內(nèi)的傳質(zhì)過程由Fick 第二定律決定.根據(jù)Fick 第二定律可獲得混凝土內(nèi)部任意時間、任意位置的相對濕度H（x，t），其表達(dá)式如式（3）所示［13］.

由式（3）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)的過程具有決定性的作用.因此，為確定再生混凝土內(nèi)部相對濕度響應(yīng)預(yù)測模型，應(yīng)首先建立再生混凝土等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)的計算模型.

4.2.2 再生混凝土等效濕氣系數(shù)的計算模型

根據(jù)傳質(zhì)的相關(guān)理論，在同一個傳質(zhì)系統(tǒng)中，擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散時間的乘積為常數(shù)［13］.在混凝土濕度響應(yīng)時間（0，t）內(nèi)，對該時間段內(nèi)的濕氣擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行積分，并取平均值，即可得到等效濕度擴(kuò)散系數(shù)，如式（4）所示.

利用式（4）及混凝土濕氣擴(kuò)散系數(shù)數(shù)據(jù)，計算得到不同再生骨料取代率、不同粉煤灰摻量和不同再生骨料初始含水率混凝土的等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)，結(jié)果如圖9 所示.

圖9 混凝土等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)Fig.9 Equivalent moisture diffusion coefficient of concrete

根據(jù)上述計算結(jié)果，將ρR、ρF和ωR作為影響混凝土濕氣擴(kuò)散系數(shù)的重要因素進(jìn)行數(shù)值擬合，得到再生混凝土等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)的預(yù)測模型公式，如式（5）所示.

4.2.3 濕度響應(yīng)模型的驗證

在混凝土內(nèi)部相對濕度響應(yīng)預(yù)測模型的驗證過程中，式（3）中誤差函數(shù)的計算可選用雙曲正切函數(shù)的近似算法［13］，如式（6）所示.

以濕度響應(yīng)過程R75 工況為例，介紹混凝土內(nèi)部相對濕度的計算過程.混凝土水膠比為0.40，距混凝土表面深度x=0.05 m，混凝土內(nèi)部實際初始相對濕度H0=50%，外界環(huán)境實際相對濕度He=90%，環(huán)境溫度T=25 ℃，具體計算過程如下.

（1）首先，利用再生混凝土等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)的預(yù)測模型（式（5））計算R75 的等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)，其中ρR=75%、ρF=20%、ωR=4.5%.

（3）最后，將x=0.05 m、H0=50%、He=90%，以及不同時刻的誤差函數(shù)值代入式（3），得到不同時刻的混凝土內(nèi)部相對濕度的計算值.

將R75 工況的濕度響應(yīng)試驗值與計算值進(jìn)行對比，如圖10 所示.由圖10 可知，以等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)的計算模型為基礎(chǔ)，采用雙曲正切函數(shù)的近似算法計算誤差函數(shù)，計算得到的再生混凝土內(nèi)部相對濕度計算值與試驗值的最大誤差為4.65%，誤差小于5%，表明計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，本文提出的再生混凝土相對濕度響應(yīng)預(yù)測模型可行.

圖10 混凝土濕度響應(yīng)試驗值與計算值的對比（R75）Fig.10 Comparison of test values and calculated values for humidity response（R75）

5 結(jié)論

（1）再生粗骨料取代率為25%的混凝土毛細(xì)吸水系數(shù)最小，取代率為0%、50%、75%、100%的混凝土毛細(xì)吸水系數(shù)依次增大；粉煤灰摻量為10%的混凝土毛細(xì)吸水系數(shù)最小，摻量為0%、20%、30%的混凝土毛細(xì)吸水系數(shù)依次增大；混凝土的毛細(xì)吸水系數(shù)隨再生粗骨料初始含水率增大而增大.

（2）混凝土的濕度響應(yīng)嚴(yán)重滯后于環(huán)境濕度，上述3 種影響因素對再生混凝土濕度響應(yīng)速率的影響規(guī)律與毛細(xì)吸水系數(shù)一致.

（3）建立了考慮3 種影響因素的再生混凝土等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)的計算模型，提出了再生混凝土內(nèi)部相對濕度響應(yīng)預(yù)測方法.