恒定气候环境下表面裂缝对混凝土内部湿度响应的影响

蒋建华，裘佳琪，付用全，林明益，胡飞飞

(河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210024)

0 引 言

混凝土结构工程的耐久性问题造成了大量经济损失，引起了工程界的日益关注。混凝土含湿状态是影响混凝土结构耐久性的主要因素之一[1]。混凝土的硅-碱反应、冻融破坏、氯离子侵蚀、碳化以及钢筋锈蚀等耐久性问题均与混凝土孔隙含水量有关[2-6]。混凝土内部的含湿状态又很大程度上取决于外部气候环境，内部相对湿度总是随着环境相对湿度的变化而变化[7]。

一般认为，在稳定的大气环境作用下，混凝土内部相对湿度变化发生于近表面区域，在临界深度之外趋于常数[8-9]。温度、湿质扩散率作为影响混凝土内部相对湿度的重要因素得到了广泛的认同[1,10]。同时，为定量化研究大气环境对混凝土内部湿度环境的作用关系，刘鹏等[11]利用气象资料理论推导出自然环境湿度作用谱和混凝土内湿度响应谱模型；Jiang等[12]基于某一特定区域的气象资料，利用数学方法从温度和湿度出发建立气候作用谱，相应地建立了微环境作用谱。目前，对混凝土内部湿度响应的研究多基于材料层面，实际的混凝土结构需承担荷载作用，研究荷载效应的影响具有实际意义。Min等[10]通过试验验证了混凝土内部相对湿度响应速率随着荷载损伤程度的增加而加快。Ryu等[8]通过试验对比发现，随着裂缝宽度的增大，混凝土内部呈现出较快的干燥速率。实际混凝土结构往往是带裂缝工作的，而目前进行混凝土内部相对湿度响应研究时较少考虑表面裂缝的影响，研究带裂缝混凝土的内部湿度响应对服役混凝土结构的耐久性和寿命预测有重要意义。

本文通过人工模拟恒定气候环境，考虑不同水灰比和不同粉煤灰掺量工况，研究混凝土表面不同宽度和不同深度裂缝对混凝土试件内部湿度响应的影响规律和机理，并提出考虑裂缝影响的混凝土内部湿度响应预测模型。

1 试验方案

1.1 试件设计

湿度响应试件采用尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的混凝土立方体试件，混凝土内部湿度测量如图1所示。本文的湿度响应试验中，考虑不同水灰比工况时，采用水灰比w/c分别为0.33，0.40和0.50的普通混凝土；考虑不同粉煤灰掺量工况时，保持水胶比为0.40不变，粉煤灰掺量(质量分数)w(FA)分别为0%，15%和30%，具体配合比如表1所示。试验中水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥；细骨料采用河砂(中砂)，细度模数为2.5；粗骨料采用粒径为5～15 mm的碎石；粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰；减水剂为液态聚羧酸减水剂；拌合水为普通自来水。

图1 混凝土内部湿度测量示意(单位：mm)Fig.1 Diagram of Concrete Internal Humidity Measurement (Unit:mm)

表1 混凝土试件配合比Tab.1 Mix Proportions of Concrete Specimens

1.2 试件制备

采用侧面开孔的木模具，在混凝土浇筑时，将直径略大于湿度探头外径的PVC管通过模具的侧面孔洞置入模具内部75 mm，形成预留孔洞，用以放置湿度探头。混凝土振捣抹平后，利用钢片在混凝土试件上表面预制出试验所需的表面裂缝。裂缝预制过程具体如下：钢片表面涂油，将钢片垂直插入试件浇筑表面的中间位置，插入深度依据试验设计的裂缝深度；混凝土终凝前小心拔出钢片，避免对混凝土的扰动；为防止裂缝自愈合，将钢片重新插入裂缝中，混凝土试件在标准条件下(温度20 ℃±2 ℃，环境相对湿度95%以上)养护28 d，湿度响应试验前取出钢片。不同水灰比和不同粉煤灰掺量工况的混凝土试件表面裂缝设计如表2所示。

表2 带表面裂缝混凝土试件设计Tab.2 Design of Concrete Specimen with Surface Crack

1.3 湿度响应试验

将湿度探头插入孔洞底端并用橡皮塞密封孔洞，橡皮塞和孔洞的缝隙用密封胶密封。为研究带表面裂缝混凝土的正向一维湿度响应过程，湿度响应试验前将试件置于真空干燥箱中干燥处理[13]，待混凝土试件内部初始湿度为60%±3%时取出，选取带裂缝的浇筑面作为暴露面，其余面用密封胶带密封，然后将试件置于温度为25 ℃、环境相对湿度为95%的恒温恒湿箱(图2)中。湿度探头外接温湿度记录器(图3)，记录器设置为每隔30 min记录1次，试验周期为15 d。

图2 恒温恒湿箱Fig.2 Constant Temperature and Humidity Box

图3 温湿度记录器Fig.3 Temperature and Humidity Recorder

2 表面裂缝对混凝土内部湿度响应的影响分析

2.1 不同宽度裂缝的影响

为了研究不同宽度的表面裂缝对混凝土试件内部湿度响应的影响规律，取裂缝深度为20 mm，裂缝宽度为0.15，0.30，0.45 mm的混凝土试件与无裂缝混凝土试件的湿度响应数据进行对比分析。不同水灰比、不同粉煤灰掺量工况下，不同宽度的表面裂缝对混凝土内部湿度响应影响曲线如图4所示。

图4 不同宽度裂缝混凝土相对湿度响应曲线Fig.4 RH Response Curves of Concrete with Different Width Cracks

由图4可知，在不同水灰比和不同粉煤灰掺量下，有裂缝混凝土与无裂缝混凝土相对湿度均滞后于环境相对湿度。湿度响应前期，由于混凝土内外湿度梯度较大，湿度增长较快，随着湿度响应的继续，内部湿度增长减缓。比较不同裂缝宽度的温度响应曲线发现无裂缝混凝土内部湿度增长最慢，不同宽度裂缝引起的混凝土内部湿度响应差异并不显著。

为了进一步定量分析不同宽度裂缝对混凝土湿度响应的影响规律，定义混凝土湿度响应速率为试验周期内湿度增加量与试验周期的比值。分别求出不同水灰比和不同粉煤灰掺量工况下混凝土的湿度响应速率，如图5所示。

图5 不同宽度裂缝混凝土相对湿度响应速率Fig.5 RH Response Rate of Concrete with Different Width Cracks

图5表明，水灰比和粉煤灰掺量一定时，有裂缝混凝土内部湿度响应速率均高于无裂缝混凝土，混凝土内部湿度响应速率随裂缝宽度的增大变化不明显，即在本文研究的宽度范围内，裂缝宽度对混凝土内部湿度响应的影响不显著。这主要因为裂缝宽度的改变并未引起湿气传输路径的改变，即湿气到达混凝土内部指定位置的距离并未改变，由于裂缝处于混凝土内部，相较于混凝土表层的湿气交换，较小宽度的裂缝内部气流更稳定，湿气交换也更慢，因此裂缝宽度对混凝土内部湿度响应的影响并不明显。

表面裂缝宽度一定时，湿度响应速率随水灰比的增大而增大。这是由于湿质扩散系数随着水灰比的增大而增长，内部相对湿度响应速率随之增大。水灰比为0.50的平均速率比水灰比为0.33的平均速率增大17%～25%，比水灰比为0.40的平均速率增大12%～16%。另一方面，未掺粉煤灰的混凝土湿度响应速率最快，粉煤灰掺量30%的混凝土次之，粉煤灰掺量为15%的混凝土湿度响应速率最慢。具体表现为，未掺粉煤灰的混凝土湿度响应平均速率比粉煤灰掺量为15%的混凝土增大8%～11%，比粉煤灰掺量30%的混凝土增大3%～5%。这主要因为掺量为15%的粉煤灰使混凝土最可几孔径及平均孔径减小，微观结构更密实，而粉煤灰掺量30%混凝土的最可几孔径和平均孔径与普通混凝土相当[14]。结构的致密程度显著影响了内部相对湿度响应速率。

2.2 不同深度裂缝的影响

为了研究不同深度的表面裂缝对混凝土试件内部湿度响应的影响规律，取裂缝宽度为0.30 mm，裂缝深度为10，20，30 mm的混凝土试件与无表面裂缝的混凝土试件湿度响应结果进行对比分析。不同水灰比、不同粉煤灰掺量工况下，不同深度的表面裂缝对混凝土内部湿度响应影响曲线如图6所示。

图6 不同深度裂缝混凝土相对湿度响应曲线Fig.6 RH Response Curves of Concrete with Different Depth Cracks

由图6可知，湿度响应时间一定时，混凝土内部相对湿度值随表面裂缝深度的增加而增大。由于裂缝深度的增大，缩短了湿气传输路径，裂缝深度越深试件内部湿气传输越快。为进一步定量分析不同水灰比和粉煤灰掺量工况下裂缝深度对混凝土内部湿度响应的影响，分别求出不同水灰比和粉煤灰掺量工况下混凝土的湿度响应速率，得到不同深度裂缝与湿度响应速率的关系，如图7所示。

图7 不同深度裂缝混凝土湿度响应速率Fig.7 RH Response Rate of Concrete with Different Crack Depths

由图7可知，不同水灰比和粉煤灰掺量工况下的混凝土均表现为有裂缝混凝土试件内部湿度响应速率高于无裂缝试件，且随裂缝深度的增加，混凝土试件内部湿度响应速率呈线性增大。裂缝深度相同时，混凝土内部湿度响应速率随水灰比的增大而增大，水灰比为0.50的混凝土湿度响应速率比水灰比为0.33的混凝土增大15%～25%。未掺粉煤灰的混凝土内部相对湿度响应速率最快，粉煤灰掺量为30%的混凝土次之，粉煤灰掺量为15%的最小，这与第2.1节的研究结果一致。

不同水灰比工况下水灰比越大，裂缝深度对混凝土内部湿度响应影响越明显；粉煤灰掺量为30%时，裂缝深度对混凝土湿度响应的影响较粉煤灰掺量为15%时明显。这主要是因为水灰比越大和粉煤灰掺量过大时，均会导致混凝土孔隙率增大，内部孔隙结构越不致密，湿气传输系数越大，因而裂缝的影响更显著。

3 考虑裂缝影响的混凝土内部湿度响应预测模型

裂缝的存在会改变外部环境湿气进入混凝土内部环境的路径，从而影响混凝土的湿度响应，因此在建立服役环境下混凝土内部湿度响应预测模型时应考虑裂缝的影响。在建立预测模型时，为同时反映裂缝宽度和深度的影响，可选取裂缝体积作为定量表征裂缝的指标。

本文研究的带表面裂缝的混凝土试件相对湿度一维响应过程可分为湿气在未开裂混凝土中的扩散过程及湿气在裂缝内的扩散过程。湿气在裂缝内的扩散过程可近似看作湿气在空气中的扩散。根据相关文献[15]，空气中的湿气扩散系数大小一般在1×10-5～2×10-5m2·s-1，与压强、温度等因素有关。鉴于混凝土裂缝宽度较小，且裂缝中空气流通性差，本文取裂缝中的湿气扩散系数Dc为1.50×10-6m2·s-1。未开裂混凝土的湿气扩散系数可通过公式(1)计算得到[16]

Dp=exp(0.741 4w/c+0.038 5T+

0.037ΔH-14.192)

(1)

式中：Dp为无裂缝混凝土等效湿气扩散系数；T为混凝土内温度；ΔH为混凝土内外初始湿度差。

参照文献[17]，可通过考虑裂缝对混凝土传质系数的影响，进而考虑裂缝存在对混凝土传质过程的影响，带表面裂缝的混凝土等效湿气扩散系数可表达如下

(2)

式中：Dcr为带裂缝混凝土的等效湿气扩散系数；Vc为裂缝的体积；Vp为未开裂混凝土的体积。

由文献[16]可知，混凝土内部任意位置、任意时刻的相对湿度可用式(3)表示

(3)

在混凝土相对湿度响应预计模型公式(3)中，涉及误差函数erf(φ)的计算，本文采用双曲正切函数近似计算法[18]，即

erf(φ)=tanh(1.128 38φ+0.102 77φ3)

(4)

下面以水灰比为0.40，裂缝宽度为0.30 mm，裂缝深度为30 mm的混凝土试件为例，介绍理论模型的验证过程。混凝土内部温度T=20 ℃，混凝土内部初始相对湿度H0=58.5%，环境相对湿度He=95.0%。具体验证过程为：

(1)首先计算带裂缝混凝土的等效湿气扩散系数Dcr，由式(1)可得Dp=7.70×10-6m2·h-1，取Dc=5.40×10-3m2·h-1，裂缝体积Vc=1.35×10-6m3，无裂缝的混凝土体积Vp=3.37×10-3m3。因此，可计算出Dcr=9.85×10-6m2·h-1。

(2)将x=0.075 m和t，Dcr代入计算不同时刻的φ值，然后将φ值代入公式(4)，得到不同时刻的误差函数erf(φ)值。

(3)将已知的H0，He以及不同时刻对应的误差函数erf(φ)值代入公式(3)，计算出不同时刻的混凝土内部相对湿度值，湿度响应理论值与实测值的对比如图8所示。

图8 混凝土湿度理论值与实测值的比较Fig.8 Comparison Between Theoretical and Measured RH of Concrete

由图8可知，相对湿度理论值与实测值的均值分别为65.46%，66.27%，标准差分别为4.69%，4.62%，均值和标准差的差值均在1%以内，且2组数据的判定系数R2为0.988，表明理论值与实测值吻合度较好，建立的考虑表面裂缝影响的混凝土内部相对湿度响应预测模型可行。

4 结 语

(1)同一水灰比和粉煤灰掺量工况下，有裂缝混凝土内部湿度响应速率高于无裂缝混凝土内部湿度响应速率，在本文所研究的裂缝宽度和深度范围内，混凝土内部湿度响应速率随裂缝宽度的增大变化不明显，随裂缝深度的增大呈线性增大。

(2)裂缝形态一定时，混凝土内部湿度响应速率随水灰比的增大而增大；对于不同粉煤灰掺量工况，未掺粉煤灰混凝土试件内部湿度响应速率最快，粉煤灰掺量30%的混凝土次之，粉煤灰掺量15%的最小。

(3)不同水灰比混凝土相比较而言，水灰比越大，裂缝对混凝土湿度响应的影响越显著；不同粉煤灰掺量混凝土相比较而言，粉煤灰掺量为30%时裂缝对混凝土湿度响应的影响较粉煤灰掺量为15%时显著。

(4)提出了考虑表面裂缝影响的混凝土等效湿气扩散系数计算公式，进而建立恒定气候环境下带表面裂缝混凝土内部湿度响应预测模型，模型理论值与实测值吻合较好，验证了该模型的可行性。