恒温恒湿环境下粉煤灰混凝土表层湿质扩散性能

鲁彩凤， 鲁凤弟， 王 伟， 李允霞， 蒋建华

（1.中国矿业大学 江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室，江苏 徐州 221116；2.安徽交通职业技术学院 土木工程系，安徽 合肥 230051；3.河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210098）

水是侵蚀介质（如氯盐）迁移进入混凝土内的载体.混凝土中的水是影响混凝土结构耐久性能的一个重要因素［1－5］.人们在研究混凝土耐久性失效机理及建立混凝土使用寿命预测模型时，通常将外部环境的相对湿度等同为混凝土内部微环境相对湿度.由于受混凝土本身微观结构的影响，混凝土内部微环境相对湿度与外部环境相对湿度存在较大差异.混凝土耐久性能退化受混凝土相对湿度（含湿量）的影响，应该是指受混凝土内部微环境相对湿度（含湿量）的影响.如混凝土表面含水率很高但其内部含水率很低，混凝土内部钢筋锈蚀缺少必要的水分，钢筋不会发生锈蚀；反过来，混凝土表面干燥但内部含水率较高，则混凝土内部钢筋仍存在锈蚀的可能.在进行混凝土使用寿命预测时，如果直接采用外部环境相对湿度条件，必将给预测结果带来误差.

混凝土内部微环境相对湿度是由混凝土所处的外部环境气候和混凝土材料本身性能所决定的.在实际操作中，可以获得或者容易测量的是外部环境相对湿度.因此，研究表层混凝土湿质传输规律，探讨混凝土微环境相对湿度与外部环境相对湿度之间的关系，就可以使用混凝土微环境相对湿度进行混凝土耐久性退化规律的研究，提高混凝土使用寿命预测的精度.

目前，国内外已进行了一些有关混凝土微环境响应方面的研究［5－13］.如姬永生［5］在人工气候环境下开展了环境相对湿度、温度以及混凝土强度对混凝土孔隙水饱和度影响的试验研究，并根据理论分析建立了普通混凝土孔隙水饱和度的定量计算公式；Norris等［7］通过在混凝土内部埋置传感器来监测混凝土内部温湿度的变化规律；Andrade等［8］通过在混凝土内部放置温湿度传感器来研究室外自然环境气候条件对混凝土内部温度、相对湿度的影响规律；王新友等［11］综合评述了不同环境条件下混凝土中水分迁移机理与理论模型.但上述已有研究大多数针对的是普通混凝土.目前粉煤灰混凝土的应用越来越广泛，这就使得提高粉煤灰混凝土使用寿命预测精度有着极为重要的意义，因此很有必要探讨粉煤灰混凝土微环境相对湿度响应问题.而在研究粉煤灰混凝土微环境相对湿度响应问题时，需系统研究掺合料、微环境条件对混凝土微环境相对湿度响应的影响，建立相关的混凝土微环境相对湿度响应模型.

本文在人工气候条件下，对不同粉煤灰掺量的混凝土试块进行增湿（即正向扩散）及干燥（即反向扩散）试验，通过记录粉煤灰混凝土内部某一位置处的相对湿度变化情况，研究粉煤灰掺量、微环境条件对粉煤灰混凝土微环境相对湿度响应的影响规律；并基于混凝土传质机理，建立了粉煤灰混凝土等效湿质扩散系数的预计模型.

1 人工气候条件下粉煤灰混凝土微环境相对湿度响应试验研究

1.1 试验原材料及配合比设计

试验水泥采用徐州淮海水泥厂生产的P·O 42.5水泥，其化学组成1）文中涉及的化学组成、需水量比等均为质量分数或质量比.见表1.依照GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》，测得水泥比表面积为420m2／kg，28d抗压强度为44.5MPa，初凝时间不小于45min，终凝时间不大于600min，沸煮法合格.

粉煤灰采用徐州柳新彭城电厂生产的干排灰，其化学组成见表1.依照GB／T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》，测得粉煤灰细度（45μm方孔筛筛余）为7%，需水量比为84%，烧失量为6.2%，雷氏夹沸煮后增加距离不大于5mm，强度活性指数为84.7%.上述表明该粉煤灰应属Ⅱ级、F类（低钙粉煤灰），可以作为水泥活性混合材料掺入到混凝土中.

细骨料采用河砂（中砂），细度模数为2.3；粗骨料采用碎石，粒径不大于15mm.

粉煤灰混凝土配合比的设计采用等量取代法，粉煤灰等量取代水泥率分别取：0%（普通混凝土），15%，30%，45%.由于掺入粉煤灰后混凝土需水量明显减少，在用水量相同情况下，通过掺加不同掺量（即占胶凝材料质量比）的聚羧酸系高效减水剂控制各配合比混凝土坍落度为（65±5）mm.混凝土配合比如表2所示.

1.2 试验方案

相对湿度响应试验采用100mm×150mm×300mm的长方体试件，试验条件组合情况见表3.将标准养护90d的试件放置在室内自然环境2个月后进行试验.

表1 水泥和粉煤灰的化学组成Table 1 Chemical compositions（by mass）of cement and fly ash %

表2 混凝土配合比Table 2 Mix proportions of concretes

表3 相对湿度响应试件分组情况Table 3 Specimen groups for relative humidity response test

1.2.1 增湿试验

将试件放入烘箱中烘干至相对湿度为60%后冷却；选试件浇筑成型时的任一侧面作为试验面，在试验面上按图1（a）所示位置钻深25mm的孔（直径25mm），其余面则用熔化的石蜡密封；在孔内埋入杭州泽大仪器有限公司生产的智能温湿度传感器（见图1（b）），并连接智能温湿度记录仪（型号：ZDR－20；量程：温度－40～100℃、相对湿度0%～100%；精度：温度为±0.5℃、相对湿度为±3%）；用橡皮塞固定传感器，并用密封胶进行密封；将试件放入人工气候室中停放1d（人工气候室预定温度25℃或35℃、相对湿度60%）；将试件放置在氙灯试验箱内（预设温度25℃或35℃、相对湿度90%），定时记录混凝土内指定位置处的相对湿度；试验进行到混凝土微环境相对湿度与试验箱环境相对湿度相平衡时结束；每个配合比微环境相对湿度取3个试件测得的平均值.

图1 温湿度传感器埋设示意图Fig.1 Schematic of buried position of temperature and humidity sensor（size：mm）

1.2.2 干燥试验

将混凝土试件浸泡于水中，当混凝土内相对湿度达到90%时取出，将表面的水分擦干；选一个侧面作为试验面，仍按图1所示位置钻孔，然后埋入温湿度传感器并连接温湿度记录仪；将试件放入人工气候室停放若干天（人工气候室预定温度25℃或35℃、相对湿度90%），以使混凝土内微环境相对湿度均匀；将试件放置在氙灯试验箱内（预设温度25℃或35℃、相对湿度60%），定时记录混凝土内指定位置处的相对湿度；试验进行到混凝土微环境相对湿度与试验箱环境相对湿度相平衡时结束；每个配合比微环境相对湿度取3个试件测得的平均值.

1.3 试验结果分析

本文主要以25℃微环境温度试验结果为例进行相关分析.

混凝土微环境温度为25℃时，粉煤灰掺量对微环境相对湿度响应的影响分别见图2（a），（b）.由图2可知：

图2 粉煤灰掺量对微环境相对湿度响应的影响Fig.2 Effect of fly ash replacement（by mass）on micro－environment relative humidity response

（1）在增湿或干燥试验中，粉煤灰混凝土微环境相对湿度随时间响应规律与普通混凝土相似，即混凝土微环境相对湿度明显滞后于外部环境相对湿度，混凝土内外相对湿度要达到或接近平衡需要一段时间.如在增湿试验中，控制粉煤灰混凝土微环境初始相对湿度60%、外部环境相对湿度90%，则FA45表层25mm处相对湿度达到与外部环境相对湿度平衡约需时60d，而FA15在60d时其表层25mm处相对湿度只达到外部环境相对湿度的90%；在干燥试验中，控制粉煤灰混凝土微环境初始相对湿度90%、外部环境相对湿度60%，则FA45表层25mm处相对湿度在近100d时还未达到与外部环境相对湿度相平衡.这是因为在增湿和干燥试验中，粉煤灰混凝土内外环境相对湿度响应过程实际上就是表层混凝土的传湿过程，由于粉煤灰混凝土材料孔隙结构的致密性，导致粉煤灰混凝土表层传湿过程相对缓慢，故粉煤灰混凝土微环境相对湿度明显低于外部环境相对湿度.

（2）在增湿试验中，当粉煤灰掺量为15%时，粉煤灰混凝土微环境相对湿度响应较普通混凝土慢；当粉煤灰掺量达到45%时，粉煤灰混凝土微环境相对湿度响应较普通混凝土快；当粉煤灰掺量为30%时，粉煤灰混凝土微环境相对湿度响应与普通混凝土相当.在干燥试验中，当粉煤灰掺量为15%和30%时，粉煤灰混凝土微环境相对湿度响应较普通混凝土慢；当粉煤灰掺量达到45%时，粉煤灰混凝土微环境相对湿度响应较普通混凝土快.

（3）混凝土微环境相对湿度响应速率前期较快，但随着响应时间的延长，微环境相对湿度响应速率转慢.如增湿试验中，从0d到30d，FA0，FA15，FA30，FA45表层25mm处相对湿度分别增加了27.8%，23.5%，26.5%，33.3%；从30d到 60d，FA0，FA15，FA30，FA45表层25mm 处相对湿度分别增加了13.8%，12.2%，16.0%，16.6%.其主要原因是由于在响应初期，混凝土内外相对湿度梯度较大，相对湿度响应速率就较快；随着响应时间的推进，混凝土内外相对湿度梯度逐渐减小，相对湿度响应速率就变缓.

（4）与增湿试验相比，干燥试验中混凝土微环境相对湿度响应滞后更加显著，即在混凝土微环境温度和初始内外相对湿度差相同情况下，混凝土增湿响应明显快于干燥响应.这一方面是由于在干燥过程中，混凝土孔隙中湿质向外传输时需要克服毛细孔对湿质的吸附作用，从而降低了湿质的传输速度；另一方面，湿质扩散也与边界条件有关，增湿过程中混凝土外部环境湿质源充分，而干燥过程中混凝土微环境湿质源很有限.

（5）同粉煤灰混凝土温度响应时间［14］相比，粉煤灰混凝土内外相对湿度达到平衡所需的时间（即粉煤灰混凝土微环境相对湿度响应时间）要大得多，这说明粉煤灰混凝土传热过程较传质过程快.

2 粉煤灰混凝土湿质扩散系数

水分迁移通常使混凝土处于2种典型状态：一是干燥状态，即当外界相对湿度小于混凝土内部相对湿度时，湿质发生反向扩散；二是增湿状态，即当外界相对湿度大于混凝土内部相对湿度时，湿质发生正向扩散.混凝土内部相对湿度响应过程的本质是一种化学不稳态材料发生非稳态湿热平衡的过程［11－12，15］，可以近似用扩散理论表述混凝土内湿质的传输.假设混凝土内部与外部环境初始温度均匀，湿质扩散引起的混凝土温度改变值忽略不计，则等温环境中湿质在混凝土内的传输属于非稳态扩散，可以用Fick第二定律表示，即：

式中：H为混凝土相对湿度（%）；DH为混凝土湿质扩散系数（m2／s）；τ为扩散（响应）时间（s）；x 为距混凝土表面距离（m）.式（1）表示混凝土干燥或增湿过程中混凝土内相对湿度与时间、空间的关系，湿质扩散系数DH则表征混凝土湿质扩散能力，其是混凝土含水量（相对湿度）的函数.由于在干燥或增湿过程中，混凝土内不同位置处相对湿度存在梯度，所以DH随相对湿度变化时也必然随位置不同而改变，因此式（1）可改写成：

假设混凝土微环境初始相对湿度为H0，响应过程结束时相对湿度为Hf.采用变量代换法对式（2）进行求解［16］，得：

式中：η为Boltzmamn变量，η＝xτ0.5.由式（3）可知，只要确定了混凝土内某一指定位置处相对湿度H随扩散（响应）时间τ的变化规律，或某一时刻相对湿度H随深度x的分布规律，就得到η与H 的拟合关系，从而就可以计算湿质扩散系数DH值.

基于图2的增湿试验和干燥试验结果，根据式（3）分别计算各试件微环境达到不同相对湿度时粉煤灰混凝土的湿质扩散系数，结果分别见图3（a），（b）.

图3 不同微环境相对湿度时粉煤灰混凝土的湿质扩散系数Fig.3 Moisture diffusion coefficients of concretes at different micro－environmental relative humidity

由图3（a），（b）可知：

（1）在增湿试验中，随着响应时间的延长，粉煤灰混凝土微环境相对湿度增大（见图2（a）），湿质扩散系数减小；在干燥试验中，随着响应时间的进行，粉煤灰混凝土微环境相对湿度降低（见图2（b）），湿质扩散系数减小.这是由于随着响应时间的延长，不管在增湿还是在干燥过程中，粉煤灰混凝土内外相对湿度的梯度均逐渐减小，导致增湿和干燥过程中湿质扩散系数逐渐降低.

（2）增湿或干燥过程中，在微环境相对湿度相同条件下，掺15%粉煤灰会使混凝土湿质扩散系数降低，掺30%粉煤灰对混凝土湿质扩散系数影响不明显，但掺入45%粉煤灰会明显增大混凝土湿质扩散系数.这是因为：水化水泥浆体中的水有毛细孔水、吸附水、层间水和化学结合水［17］.在本试验条件下，粉煤灰混凝土与大气湿质响应并达到平衡的只有毛细孔水.毛细孔水在粉煤灰混凝土内正向或反向扩散，主要受两方面因素影响：一是粉煤灰混凝土内外相对湿度梯度.粉煤灰混凝土内外相对湿度梯度越大，其湿质扩散系数越大.在相同微环境条件下，随着粉煤灰掺量的提高，粉煤灰混凝土孔隙水饱和度减小，导致在增湿及干燥过程中混凝土内外相对湿度梯度均降低，因此引起湿质扩散系数降低.二是粉煤灰混凝土孔隙率和孔隙结构.粉煤灰混凝土孔隙率越高，孔径越大，其湿质扩散系数就越大.由压汞试验结果［18］可知，15%粉煤灰掺量使有害孔多害孔（孔径＞50nm）孔隙率增大约6%，30%粉煤灰掺量使混凝土总孔隙率、有害孔多害孔孔隙率均增大6%，45%粉煤灰掺量使混凝土总孔隙率、有害孔多害孔孔隙率均增大20%以上.正是由于上述两方面因素的综合作用，使得不同粉煤灰掺量对混凝土湿质扩散系数的影响不同.

（3）同等条件下，干燥过程中粉煤灰混凝土湿质扩散系数明显比增湿过程中湿质扩散系数小得多.

3 等效湿质扩散系数预计模型

由粉煤灰混凝土微环境相对湿度响应试验研究结果可知，在干燥或增湿过程中，由于混凝土内部相对湿度存在梯度，导致湿质扩散系数DH不是一个定值.随着响应时间的延长，DH会不断发生变化.若将粉煤灰混凝土内部相对湿度响应过程的时间记为（0，τ），对该时间区间的湿质扩散系数进行积分，并取其积分平均值，即得到粉煤灰混凝土等效湿质扩散系数DHe：

假设粉煤灰混凝土内部与外部环境初始温度均匀，且湿质扩散引起的混凝土温度改变值忽略不计，则等温环境中湿度在粉煤灰混凝土内传输可描述为：

根据初始条件H（x，0）＝H0及相应的边界条件 H（0，τ）＝Hex，H（∞，τ）＝H0，式（5）解析解为：

式中：H（x，τ）为粉煤灰混凝土内部相对湿度分布函数，其取决于混凝土深度x及响应时间τ；Hex为外部环境相对湿度.

增湿、干燥过程中粉煤灰掺量对粉煤灰混凝土等效湿质扩散系数DHe的影响见图4.由图4可知：在增湿及干燥过程中，粉煤灰混凝土等效湿质扩散系数随着其微环境温度的升高而增大；15%掺量粉煤灰会使增湿、干燥过程中粉煤灰混凝土等效湿质扩散系数降低，而45%掺量粉煤灰则会使增湿、干燥过程中粉煤灰混凝土等效湿质扩散系数明显增大；干燥过程中粉煤灰混凝土等效湿质扩散系数明显较增湿过程中的小.

图4 粉煤灰掺量对等效湿质扩散系数DHe的影响Fig.4 Effect of fly ash replacement（by mass）on equivalent moisture diffusion coefficient

蒋建华［6］通过试验研究了普通混凝土水灰比、微环境温度、初始内外相对湿度差值ΔH0（ΔH0＝｜H0－Hex｜）对湿质扩散系数的影响.本文根据图4及文献［6］试验数据，通过数据拟合分别得到了增湿及干燥过程中粉煤灰混凝土等效湿质扩散系数的预计模型，即：

增湿过程（正向）等效湿质扩散系数DHep（m2／s）：

干燥过程（反向）等效湿质扩散系数DHer（m2／s）：

4 结论

（1）粉煤灰混凝土微环境相对湿度随时间响应明显滞后于外部环境相对湿度，粉煤灰混凝土内、外相对湿度要达到或接近平衡需要一段时间；在增湿和干燥过程中，由于粉煤灰混凝土内外相对湿度梯度均逐渐减小，导致其微环境相对湿度响应速率逐渐变缓，湿质扩散系数逐渐减小.

（2）在微环境相对湿度相同条件下，15%掺量粉煤灰会使混凝土湿质扩散系数降低，而45%掺量粉煤灰会使混凝土湿质扩散系数明显增大.

（3）在微环境温度和初始内外相对湿度差相同情况下，粉煤灰混凝土增湿响应明显快于干燥响应，反向等效湿质扩散系数比正向等效湿质扩散系数小得多.

（4）同粉煤灰混凝土温度响应时间相比，粉煤灰混凝土内、外相对湿度达到平衡所需的时间（即粉煤灰混凝土微环境相对湿度响应时间）要大得多，这说明粉煤灰混凝土传热过程较传质过程快.

（5）基于混凝土传质机理可建立粉煤灰混凝土等效湿质扩散系数的预计模型.

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