變溫條件下大體積混凝土內(nèi)部溫濕度演化規(guī)律與驅(qū)動(dòng)機(jī)制

盧曉春，雙 寧，陳博夫，陰國強(qiáng)，劉 曉

（三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

1 引 言

混凝土的溫控防裂貫串大壩全生命周期，尤其是大體積混凝土的溫控防裂問題一直備受工程界的關(guān)注。雖然我國施工期溫控防裂技術(shù)已十分成熟，但大體積混凝土在其漫長的服役期仍面臨環(huán)境溫度的季節(jié)性變化與氣溫驟降的挑戰(zhàn)。

服役期中環(huán)境溫度的季節(jié)性變化或氣溫驟降將引起混凝土的內(nèi)外溫差，從而在結(jié)構(gòu)的約束作用下產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土極限強(qiáng)度時(shí)則會(huì)導(dǎo)致混凝土開裂［1－2］。在內(nèi)外溫差產(chǎn)生的過程中，受溫濕耦合作用的影響，混凝土內(nèi)部的濕度將在其內(nèi)外溫差的驅(qū)動(dòng)下發(fā)生變化，從而產(chǎn)生濕脹或干縮應(yīng)力［3］。已有研究表明，混凝土內(nèi)部的溫度梯度對(duì)濕度具有顯著的驅(qū)動(dòng)作用［4－5］，且混凝土的溫濕度與溫濕應(yīng)力也具有耦合關(guān)系［6］，其溫度應(yīng)力與濕度應(yīng)力間的相互影響可能產(chǎn)生明顯的疊加效應(yīng)，從而增大開裂風(fēng)險(xiǎn)［7－8］。由此可見，混凝土溫濕應(yīng)力對(duì)其開裂具有重要的影響，變溫條件下其內(nèi)部溫濕度演化是研究開裂問題的重要前提之一。目前的溫控防裂措施大多控制最高溫度和降溫速率，以減小內(nèi)外溫差來降低混凝土的結(jié)構(gòu)應(yīng)力［9－12］。而混凝土作為多孔材料在外界環(huán)境溫度變化時(shí)，其結(jié)構(gòu)面臨著溫度應(yīng)力與濕度應(yīng)力的雙重考驗(yàn)［13］。此外，雖然以上研究從試驗(yàn)與理論上分析了變溫條件下混凝土內(nèi)部的溫濕度演化規(guī)律，但主要圍繞小試件開展研究，側(cè)重混凝土溫濕度相互影響機(jī)理，受尺寸效應(yīng)的影響，變溫條件下大體積混凝土內(nèi)部的溫濕度演化仍有待進(jìn)一步研究。

鑒此，筆者澆筑高1.0 m、直徑0.8 m 的大體積混凝土試件并在其內(nèi)部埋設(shè)溫濕度傳感器，在人工氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室模擬變溫環(huán)境，探究變溫條件下混凝土內(nèi)部溫濕度演化規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制，以期為大體積混凝土溫控防裂提供參考。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)通過對(duì)模具的預(yù)制，采用鋼絲固定溫濕度傳感器與逐層澆筑的方式澆筑了高1.0 m、直徑0.8 m 的圓柱形大體積混凝土試件。試件底面與側(cè)面采用聚氨酯涂層進(jìn)行絕熱、絕濕處理，使得試件僅通過頂面受環(huán)境溫濕度影響，從而在總體上保證試件內(nèi)部溫濕度在鉛直方向上進(jìn)行傳導(dǎo)與傳輸，最終配合人工氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室探究變溫條件下混凝土內(nèi)部的溫濕度變化，試驗(yàn)原理如圖1（a）所示。試驗(yàn)采用的變溫曲線根據(jù)某工程氣溫變化歷程進(jìn)行放縮并采用正弦函數(shù)擬合得到，溫度變化歷程見圖1（b），環(huán)境溫度從20 ℃下降到0 ℃再回升到20 ℃，降溫階段與溫度回升階段各36 h，一個(gè)溫度循環(huán)周期為72 h，試驗(yàn)共設(shè)置兩個(gè)循環(huán)周期，共計(jì)144 h。此外，在試驗(yàn)開始前將試件置于人工氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室使其初始溫度達(dá)到20 ℃，以保障試驗(yàn)開始時(shí)試件溫度與初始環(huán)境溫度相同，環(huán)境濕度采用工程所在地年平均相對(duì)濕度75.2%。

圖1 試驗(yàn)原理與溫度變化歷程曲線

2.2 試件配合比

試件配合比參照某水利工程的三級(jí)配常態(tài)混凝土，該配合比設(shè)計(jì)滿足《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL／T 352—2020）的要求。試驗(yàn)設(shè)計(jì)配合比見表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)配合比 kg／m3

2.3 試件制備與試驗(yàn)過程

制備試件采用樺楊木立模，內(nèi)側(cè)涂有防水涂層，以防止模板吸水影響混凝土的水灰比，模具底部架設(shè)木柵墊層、保溫板與防水膜以滿足試件底部保溫隔濕的要求。澆筑前，采用鋼絞線與活動(dòng)卡扣布設(shè)6 層溫濕度傳感器用于采集混凝土試件內(nèi)部的溫度和濕度數(shù)據(jù)，從試件的頂面到底部依次編號(hào)為T0（表面）、T1、T2、T3、T4、T5 層，每層布置9 個(gè)傳感器，呈十字形排布，每個(gè)方向的傳感器按等距離布置并按順序進(jìn)行編號(hào)；同時(shí)考慮到熱傳導(dǎo)與濕擴(kuò)散的時(shí)空效應(yīng)，各層傳感器的間距從頂面到底部逐漸稀疏。溫濕度傳感器布置如圖2 所示。

圖2 溫濕度傳感器布置（單位：m）

試件澆筑采用分層澆筑的方式，逐層振搗，待試件澆筑初凝后，從模具側(cè)面抽出固定傳感器的鋼絞線，并采用相同水灰比的砂漿進(jìn)行補(bǔ)漿。待養(yǎng)護(hù)3 d 后對(duì)試件拆模，并在室內(nèi)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d；隨后將試件置于人工氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，設(shè)置實(shí)驗(yàn)室溫度為20 ℃、相對(duì)濕度95%進(jìn)行恒溫預(yù)處理，連接傳感器至采集系統(tǒng)，待數(shù)天后試件內(nèi)部溫度讀數(shù)均達(dá)到20 ℃左右時(shí)，停止恒溫預(yù)處理；然后將設(shè)計(jì)的溫度與濕度輸入人工氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室控制器，開始試驗(yàn)，每5 min 采集1 次混凝土內(nèi)部的溫度和濕度數(shù)據(jù)。

3 溫濕度演化規(guī)律與驅(qū)動(dòng)機(jī)制

3.1 溫濕度演化規(guī)律

試驗(yàn)結(jié)果取每層測點(diǎn)溫度和濕度的平均值來說明變溫條件下大體積混凝土內(nèi)部的溫濕度演化規(guī)律，見圖3（其中，5～10 ℃內(nèi)的環(huán)境溫度波動(dòng)是環(huán)境實(shí)驗(yàn)室制冷壓縮機(jī)轉(zhuǎn)換時(shí)造成的）。混凝土內(nèi)部各層平均溫度演化見圖3（a），在環(huán)境溫度周期性先降后升的影響下，試件的T0～T4 層溫度也呈現(xiàn)出“先下降后上升再下降再回升”的規(guī)律，而T5 層的溫度在整個(gè)過程中持續(xù)降低，且由表及里試件的溫度響應(yīng)變慢。同時(shí)，在兩次環(huán)境溫度循環(huán)的過程中，試件T0～T4 層的最低溫度與出現(xiàn)的時(shí)間有所不同，第1 次循環(huán)中T0～T4 的最低溫度（出現(xiàn)時(shí)間）分別為5.2 ℃（39.3 h）、8.5 ℃（43.3 h）、11.1 ℃（52 h）、13 ℃（56.8 h）、15.6 ℃（70.7 h），第2次循環(huán)中分別為4.4 ℃（110.5 h）、7.1 ℃（114.1 h）、9.2 ℃（119 h）、10.9 ℃（122.5 h）、12.9 ℃（139.7 h）。對(duì)比兩次循環(huán)中各層最低溫度及其出現(xiàn)時(shí)間可知，第2 次循環(huán)混凝土的最低溫度更低；以兩次循環(huán)最低環(huán)境溫度出現(xiàn)時(shí)間36 h 與108 h 為基準(zhǔn)，T0 層的最低溫度出現(xiàn)的滯后時(shí)間分別為3.3、2.5 h。以上結(jié)果說明大體積混凝土內(nèi)部的溫度傳導(dǎo)具有明顯的滯后，且測點(diǎn)距離環(huán)境溫度邊界越遠(yuǎn)，熱傳導(dǎo)的時(shí)空差異越大，環(huán)境溫度對(duì)混凝土溫度影響越小。此外，由于第2 次循環(huán)環(huán)境溫度循環(huán)開始時(shí)試件整體溫度低于第1 次循環(huán)試件整體溫度，因此第2 次循環(huán)試件內(nèi)外溫差更大，其內(nèi)部溫度響應(yīng)較第1 次循環(huán)迅速。

圖3 各層平均溫度和平均濕度演化規(guī)律

由圖3（b）（由于T1～T5 層試驗(yàn)數(shù)據(jù)近似，因此圖中曲線重疊）可知，大體積混凝土內(nèi)部的濕度演化與溫度演化的時(shí)空特性具有顯著的差異，其中試件表面的濕度變化十分明顯，而其他層濕度基本維持不變。表面濕度變化趨勢與溫度變化趨勢大致相同，隨環(huán)境溫度變化呈現(xiàn)“先降后升，再降再升”的規(guī)律。在兩次環(huán)境溫度循環(huán)的過程中，T0 層的最低相對(duì)濕度（出現(xiàn)時(shí)間）分別為70.4%（36.1 h）、70.1%（108.4 h），最大濕度降幅為24.9%，而其他測層濕度降幅不明顯。值得注意的是，雖然在17.9～53.8 h 與89.1～129.3 h 內(nèi)環(huán)境濕度高于試件表面濕度，但這兩個(gè)階段內(nèi)試件表面濕度仍有所下降，說明此階段試件表面濕度可能主要受到變溫環(huán)境的影響，試件表面溫度變化較為明顯，混凝土表面的濕度變化受到了表面溫度變化的作用。

3.2 溫濕度變化速率

為了進(jìn)一步分析混凝土內(nèi)部溫濕度演化規(guī)律，由溫濕度測試結(jié)果計(jì)算得出各測層中心點(diǎn)溫度和濕度的變化速率（見圖4）。由圖4（a）可知，混凝土內(nèi)部溫度變化速率隨時(shí)間呈周期性變化。第1 次循環(huán)中初期溫度變化速率為負(fù)值，混凝土內(nèi)部溫度逐漸下降且降溫速率在增大；在降溫速率達(dá)到最大后，其內(nèi)部降溫速率開始減小。隨后溫度變化速率成為正值且不斷增大，此時(shí)混凝土內(nèi)部溫度逐漸上升，處于升溫階段，此時(shí)段內(nèi)混凝土內(nèi)部升溫速率不斷增大，單位時(shí)間內(nèi)溫度變化幅度增大。同時(shí)，隨著測層深度的增大，混凝土溫度的變化速率減小，溫度變化幅度降低。第2 次循環(huán)過程中的溫度變化速率的演化規(guī)律與第1 次循環(huán)相同。圖4（b）（由于T1～T5 層試驗(yàn)數(shù)據(jù)近似，因此圖中曲線重疊）表明，表面濕度變化速率隨時(shí)間變化十分顯著，其變化趨勢與溫度變化速率趨勢相同。在0～36 h和72～108 h 兩個(gè)時(shí)段內(nèi)，濕度變化率為負(fù)值，表面濕度逐漸降低，濕度降低速率逐漸減小，結(jié)合圖3（b）可知，即使當(dāng)表面濕度低于環(huán)境濕度時(shí)，試件表面仍在溫度驅(qū)動(dòng)作用下強(qiáng)制向外界傳輸水分。在36～72 h和108～144 h 兩個(gè)時(shí)段內(nèi)，濕度逐漸上升；同理，即使當(dāng)外界環(huán)境濕度低于試件表面濕度，混凝土表面仍可在溫度驅(qū)動(dòng)作用下從試件內(nèi)部與環(huán)境得到水分補(bǔ)充。

圖4 各層中心點(diǎn)溫濕度變化速率

3.3 溫濕度驅(qū)動(dòng)機(jī)制

為了進(jìn)一步研究混凝土試件的溫濕耦合作用，由Luikov 熱質(zhì)耦合方程建立了混凝土溫濕耦合作用方程（一維）：

式中：T為混凝土的溫度，℃；x為一維方向上的熱傳導(dǎo)或濕遷移距離，m；t為時(shí)間，h；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m?℃）；ρ為混凝土密度，kg／m3；ε為相變系數(shù)；hlv為相變潛熱，kJ／kg；c為混凝土比熱容，kJ／（kg ?℃）；H為相 對(duì)濕度，%；D為混凝土濕擴(kuò)散系數(shù)，m2／h；δ為索瑞系數(shù)。

通過對(duì)式（1）進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將濕度控制方程中濕度關(guān)于距離的二階偏導(dǎo)替換為溫度和濕度對(duì)于時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，化簡后的公式如下：

由于混凝土內(nèi)部溫度擴(kuò)散方向與濕度自由擴(kuò)散方向可能存在相反的情況，因此采用kT的絕對(duì)值來表示混凝土溫度對(duì)濕度的影響占比，則可表示為

本文選取常規(guī)的多孔混凝土的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算［5，14－15］并分析大體積混凝土內(nèi)部溫濕度演化規(guī)律，此過程不考慮溫濕度變化對(duì)其他混凝土相關(guān)參數(shù)的影響?；炷猎嚰嚓P(guān)計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 混凝土試件相關(guān)計(jì)算參數(shù)

由式（4）計(jì)算得到混凝土試件表面（T0 層，下同）和T1 層中心點(diǎn)溫度對(duì)其濕度影響的占比k′T，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 表面和TI 層中心點(diǎn)k′T 的變化規(guī)律

由圖5 可知，試件表面的值整體上比T1 層的值大，其的平均值達(dá)到86.2%，混凝土表面濕度受到了表面溫度梯度較為明顯的影響，前期由于外界環(huán)境溫度發(fā)生變化，因此混凝土內(nèi)外溫差逐漸變大，表面溫度梯度增大使得試件表面kT值變大，一段時(shí)間后隨著混凝土內(nèi)外溫差減小，表面溫度梯度減小導(dǎo)致值相應(yīng)減小，并且第2 個(gè)環(huán)境溫度循環(huán)值的變化趨勢與第1 個(gè)溫度循環(huán)一致；T1 層的平均值達(dá)到53%，小于混凝土表面溫度梯度對(duì)表面濕度的影響，前期由于T1 層溫度變幅小于表面溫度變幅，其值小于表面值且增長較為緩慢，后期因溫度梯度減小且濕度變化速率增大而值出現(xiàn)了下降。由上述分析可知，在環(huán)境溫度變化而環(huán)境濕度不變的條件下，混凝土表面溫度梯度對(duì)表面濕度產(chǎn)生明顯影響，使混凝土表面濕度產(chǎn)生劇烈變化。

周期性變溫條件下大體積混凝土內(nèi)部的溫濕度演化的時(shí)空差異性極大，溫濕度的變化由表及里。大體積混凝土溫度的變化主要受環(huán)境溫度與內(nèi)部溫度梯度的影響，試件在經(jīng)過保溫隔濕處理后形成了單一方向的溫度傳導(dǎo)路徑，越靠近試件表面，溫度變化越明顯；溫度的傳導(dǎo)需要一定的時(shí)間，并且存在溫濕耦合作用，在溫度梯度作用下水分會(huì)由高溫部位向低溫部位遷移，而在此過程中，會(huì)帶走部分熱能，故不同測層的溫度變化會(huì)表現(xiàn)出一定的滯后性，溫度變化速率降低，溫度變化幅度減小，且隨著測層深度的增加，這種現(xiàn)象會(huì)愈發(fā)明顯。而對(duì)于濕遷移，即混凝土表面水分主要在表面溫度梯度產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力作用下進(jìn)行遷移。隨著外界環(huán)境溫度的變化，混凝土表面溫度變化劇烈，表面溫度梯度大，溫度驅(qū)動(dòng)力遠(yuǎn)大于內(nèi)部濕度梯度產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力，溫度對(duì)濕度的驅(qū)動(dòng)力越大，濕遷移越快，故混凝土表面濕度變化較為劇烈；混凝土內(nèi)部T1 層至T5 層的濕度梯度極小，水分主要在溫度驅(qū)動(dòng)力的作用下進(jìn)行遷移。由此可知，對(duì)于晝夜溫差大、環(huán)境溫度變化劇烈的地區(qū)，如服役在西北地區(qū)的大體積混凝土，由于放熱過程存在內(nèi)外溫度差，在溫濕耦合機(jī)制和西北地區(qū)較為干燥的環(huán)境作用下，混凝土表面濕度會(huì)產(chǎn)生明顯的變化，因此對(duì)于此類地區(qū)的混凝土工程，在漫長的服役過程中，溫控防裂的同時(shí)還需注意表面保濕，兼顧對(duì)干縮應(yīng)力的控制。

4 結(jié) 論

（1）變溫環(huán)境對(duì)混凝土的溫度影響遠(yuǎn)大于對(duì)濕度影響，但對(duì)混凝土表面濕度會(huì)產(chǎn)生比較明顯的影響。對(duì)于晝夜溫差大、環(huán)境溫度變化較為劇烈地區(qū)的混凝土工程，如西北地區(qū)的工程，在漫長的服役過程中需考慮混凝土表面濕度的變化，控制干縮應(yīng)力的產(chǎn)生。

（2）大體積混凝土內(nèi)部的溫濕度演化時(shí)空差異性顯著，其溫度響應(yīng)的滯后性隨深度的增加而更為明顯；雖然水分的自由擴(kuò)散十分緩慢，但受溫濕耦合作用的影響，混凝土內(nèi)部的溫度梯度使得表面濕度對(duì)變溫環(huán)境的響應(yīng)十分迅速。

（3）大體積混凝土溫度的變化源于變溫環(huán)境與內(nèi)部溫度梯度的影響；在環(huán)境溫度變化而環(huán)境濕度不變的條件下，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)與理論分析得到混凝土表面溫度梯度對(duì)表面濕度產(chǎn)生了明顯影響，平均影響占比達(dá)到了86.2%，溫度梯度產(chǎn)生的熱濕擴(kuò)散效應(yīng)遠(yuǎn)大于自由擴(kuò)散效應(yīng)，且局部溫度梯度越大濕遷移越快。