自干燥混凝土相對濕度變化理論及試驗研究

張登祥，楊偉軍

（長沙理工大學(xué)a.水利工程學(xué)院；b.土木與建筑工程學(xué)院，長沙 410114）

自干燥混凝土相對濕度變化理論及試驗研究

張登祥a，楊偉軍b

（長沙理工大學(xué)a.水利工程學(xué)院；b.土木與建筑工程學(xué)院，長沙 410114）

對自干燥條件下混凝土內(nèi)部相對濕度的變化規(guī)律進行理論及試驗研究。提出了自干燥效應(yīng)引起混凝土內(nèi)部相對濕度與飽水度的函數(shù)關(guān)系式，采用數(shù)字式濕度傳感器測量密封養(yǎng)護條件下混凝土內(nèi)部相對濕度隨齡期變化的規(guī)律。試驗結(jié)果表明，低水灰比混凝土早期相對濕度下降非常快，表明低水灰比混凝土早期開裂的幾率顯著增大。將相對濕度的試驗值與本文提出的相對濕度計算模型的計算值進行比較，結(jié)果表明，試驗值與模型計算值的相對誤差非常小。

混凝土；自干燥；相對濕度

自生收縮又稱為自干燥收縮，其作用機理可以通過混凝土的自干燥現(xiàn)象來解釋。水泥在水化過程中，在硬化水泥石中形成大量微細孔，自由水量逐漸消耗，水的飽和蒸氣壓也隨之降低，即水泥石內(nèi)部相對濕度降低，但同時水泥石質(zhì)量沒有任何損失，這種現(xiàn)象稱為自干燥。引起混凝土自生收縮的主要原因是混凝土內(nèi)部相對濕度的變化，研究表明［1，2］，混凝土早期自生收縮是高強混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因之一。對自干燥效應(yīng)引起的混凝土內(nèi)部相對濕度的變化規(guī)律進行研究具有重要意義。

1 自干燥條件下混凝土內(nèi)部相對濕度變化規(guī)律

自干燥效應(yīng)引起的混凝土內(nèi)部相對濕度變化，其影響因素很多，機理也很復(fù)雜。建立普遍適用的自干燥條件下混凝土內(nèi)部相對濕度的理論函數(shù)關(guān)系式還不太可能，目前，對相對濕度的研究主要集中在試驗室觀測上［3－5］，研究成果不多且缺乏系統(tǒng)性。自干燥機理研究表明，自干燥引起的混凝土內(nèi)部相對濕度的變化與水泥特性、水泥水化度α、初始水灰比w／c密切相關(guān)。已有研究認為［6］，相對濕度與飽水度及水灰比的關(guān)系式可表達為

式中：α1，…，α9為常數(shù)，分別取為35.5，1.23，－0.287，－1.4×10－2，－1.45×10－2，4.22×10－4，8.1×10－5，1.5×10－4，0；x為初始水灰比；hs為相對濕度；S為飽水度。

顯然，公式（1）不便于應(yīng)用。根據(jù)自干燥機理，假定混凝土內(nèi)部相對濕度是飽水度S的函數(shù)，即

飽水度S（saturation fraction）的表達式為

式中：Vew為可蒸發(fā)水（m3／m3，單位體積的水泥石中可蒸發(fā)水體積含量）；Vp為飽水孔隙率（m3／m3）；Vcw為毛細孔隙水（m3／m3）；Vgw為凝膠水（m3／m3）；Vcs為化學(xué)收縮（m3／m3）；α為水化度，按文獻［7］計算。

Powers對水泥漿體的微結(jié)構(gòu)進行了廣泛的研究，建立了硬化水泥漿體的結(jié)構(gòu)模型［8，9］。Powers將硬化水泥漿體中的水分為3類：毛細水、凝膠水及化學(xué)結(jié)合水（非蒸發(fā)水）。毛細水分成2類：一種是毛細管孔徑大于100 nm的孔中的水，可視為自由水，失去這種水不會造成系統(tǒng)體積的改變；另一種是毛細管孔徑為0～100 nm的孔中的水，這部分的水由毛細管張力所固定，失去這種水可以造成系統(tǒng)體積的收縮。凝膠水又可分為吸附水與層間水。吸附水是在引力影響下，水分子物理性地吸附在水化水泥漿體的固體表面，當(dāng)水化水泥漿體干燥至30%相對濕度時，吸附水大部分會失去，失去吸附水會引起水化水泥漿體的收縮；層間水與C-S-H凝膠的結(jié)構(gòu)有關(guān)，在C-S-H凝膠層間單分子水為氫鍵所牢固固定，層間水僅在強烈干燥時（即在11%相對濕度以下）才會失去。當(dāng)失去層間水時，C-S-H結(jié)構(gòu)明顯收縮。每克硬化水泥漿體中的凝膠水量是0.19 g。化學(xué)結(jié)合水是各種水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的整體部分，在干燥時不會失去。當(dāng)水化產(chǎn)物受熱（溫度在105℃以上）分解時，化學(xué)結(jié)合水會放出。每克硬化水泥漿體中的化學(xué)結(jié)合水量是0.23 g。水泥在水化反應(yīng)后的體積比原有體積小，這種體積的減小稱為化學(xué)收縮，水泥化學(xué)收縮的值大約是6.4 ml／100 g。

根據(jù)Powers模型，毛細孔隙水（Vcw）、凝膠水（Vgw）及化學(xué)收縮（Vcs）的表達式如下：

式中：p為水泥漿體初始空隙率；α為水化度，按文獻［7］計算。

水泥漿體初始空隙率表達式為

式中：w／c為水灰比；ρw為水的密度，取1 000 kg／m3；ρc為水泥的密度，取3 150 kg／m3。

文獻［10］采用非線性分析方法研究混凝土早起溫度及濕度的分布規(guī)律，得到水灰比w／c＝0.6，0.4，0.3，0.25的混凝土內(nèi)部在密封養(yǎng)護條件下相對濕度與水化度的相關(guān)關(guān)系，如圖1。

將文獻［10］研究結(jié)果代入式（3），可以得到混凝土在自干燥條件下內(nèi)部相對濕度hs與飽水度S之間關(guān)系如圖2。

圖2表明，在密封養(yǎng)護條件下，混凝土內(nèi)部相對濕度hs與飽水度S之間相關(guān)。對相對濕度hs與飽水度S相關(guān)性進行回歸分析，得到相對濕度hs與飽水度S相關(guān)關(guān)系可以表式為

式中：hs為相對濕度；S為飽水度；y0，A，R0為參數(shù)。

圖1 混凝土自干燥條件下相對濕度的變化規(guī)律Fig.1 Variation of relative hum idity induced by selfdesiccation versus hydration degree in sealed condition

圖2 相對濕度hs與飽水度S關(guān)系Fig.2 Relative hum idity versus saturation fraction for different w／c

2 試驗研究

2.1 試驗材料

2.1.1 水 泥

本試驗所用的水泥，采用普通硅酸鹽水泥P.O42.5，該水泥基本的物理性能及化學(xué)成分見表1。

2.1.2 粗骨料

試驗測得粗骨料的表觀密度是2 409 kg／m3，含水率0.86%，符合《普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗方法》（JGJ53）的規(guī)定。

表1 水泥物理性能及化學(xué)成分Table 1 Physical properties and chem ical constituents of cement

2.1.3 細骨料

試驗用砂為中砂，細度模數(shù)2.3，表觀密度2 471 kg／m3。符合《普通混凝土用砂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗方法》（JGJ52）的規(guī)定，對0.315 mm篩孔的通過量不應(yīng)小于15%，對0.16 mm篩孔的通過量不應(yīng)小于5%。

試驗水灰比采0.35，0.45兩個典型水灰比，配合比設(shè)計及力學(xué)性能見表2。

表2 配合比設(shè)計及力學(xué)性能Table 2 M ix ratios and mechanical properties

2.2 試驗步驟及方法

混凝土試件尺寸大小為150 mm×150 mm×150 mm。澆注時在模具中心插入一個柱子，插入深度100 mm，成型1 d后拆膜，并在試件外壁涂環(huán)氧樹脂密封，使混凝土內(nèi)部水分與外界不能相互交換，拔除柱子后留出的孔洞將用于插入數(shù)字式帶桿探頭相對濕度探測管。孔洞用橡皮塞塞好，避免水分損失，以保證測得的相對濕度變化僅由自干燥效應(yīng)所引起。試件放入恒溫恒濕箱中，溫度20±2℃、相對濕度50%±2%，如圖3所示。

圖3 自干燥試件幾何尺寸及探頭位置Fig.3 The geometry size of specimen and the probe position in sealed condition

2.3 結(jié)果分析

試驗測試了水灰比w／c＝0.35，0.45的混凝土在自干燥條件下內(nèi)部相對濕度隨時間的變化過程，試驗結(jié)果如圖4所示。

試驗結(jié)果表明，混凝土試件在密封養(yǎng)護條件下，混凝土自干燥效應(yīng)引起的混凝土內(nèi)部相對濕度變化與水灰比關(guān)系密切，水灰比w／c＝0.45的混凝土7 d前相對濕度變化速度相對較慢，7 d后相對濕度降低明顯加快，但28 d齡期內(nèi)相對濕度降低速度總體上比較均勻。而水灰比w／c＝0.35的混凝土7d前相對濕度變化速度非常快，7 d后相對濕度降低明顯減慢。

圖4 混凝土自干燥條件下內(nèi)部相對濕度的變化Fig.4 Variation of relative hum idity induced by selfdesiccation versus time for different w／c

水灰比決定水泥漿體系固相與液相的相對體積含量，早期膠凝材料顆粒分散在水溶液中，隨著膠凝材料的水化，固相（包括水化產(chǎn)物及未水化水泥顆粒）體積增加，液相體積減小，固相體積增加的部分填充水溶液所占的空間，使水泥石結(jié)構(gòu)的孔隙減少，逐漸變得密實。因此混凝土的硬化過程就是水化產(chǎn)物不斷填充孔隙的過程，水灰比越小，需要填充的孔隙的體積越小；低水灰比的混凝上與高水灰比的混凝土相比，細孔多、粗孔少、孔隙率低。高水灰比的混凝土粗孔多，自由水的含量大，水泥水化消耗的水基本通過自由水補充，其內(nèi)部相對濕度下降較慢。低水灰比的混凝土細孔多，粗孔少，自由水的含量小，自由水消耗速度快，其內(nèi)部相對濕度下降快。

將試驗結(jié)果與本文提出的自干燥條件下混凝土內(nèi)部相對濕度計算模型的計算值進行比較，結(jié)果如圖5所示。

圖5 相對濕度試驗值與模型計算值比較Fig.5 Comparison of test values and calculated values of relative hum idity

圖5 表明，在自干燥條件下混凝土內(nèi)部相對濕度的試驗結(jié)果與本文提出的相對濕度的計算模型的計算值比較非常接近，相對誤差不大于1%。

3 結(jié) 論

本文對自干燥條件下混凝土內(nèi)部相對濕度的變化規(guī)律進行理論及試驗研究，主要結(jié)論如下：

（1）混凝土試件在密封養(yǎng)護條件下，自干燥效應(yīng)引起的混凝土內(nèi)部相對濕度變化與水灰比關(guān)系密切。低水灰比混凝土早期相對濕度下降非常快，表明低水灰比混凝土早期開裂的幾率顯著增大。

（2）提出自干燥效應(yīng)引起混凝土內(nèi)部相對濕度是飽水度的指數(shù)函數(shù)，并得到相對濕度與飽水度的函數(shù)關(guān)系式。

（3）采用帶桿式探頭的數(shù)字式濕度變送器測量密封養(yǎng)護條件下不同齡期混凝土內(nèi)部相對濕度值，并將試驗值與本文提出的相對濕度模型計算值比較，結(jié)果表明試驗值與模型計算值的相對誤差非常小。

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（編輯：周曉雁）

Theoretical Study and Tests on Relative Hum idity Change of Concrete Under Self-Desiccation Effect

ZHANG Deng-xiang1，YANGWei-jun2
（1.School of Hydraulic Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410076，China；2.School of Civil Engineering and Architecture，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410076，China）

The functional equations of internal humidity and saturation fraction in concrete induced by self-desiccation effect are presented based on theoretical studies and tests on the relative humidity change in concrete.Digital humidity sensors are used to measure the internal relative humidity change against concrete age under sealed curing.The testsmanifest that the relative humidity in concrete with low water-cement ratio decreases rapidly in the early-age，which indicates that the cracking probability of concrete with low water-cement ratio is significantly increased.There is a quite small relative error between the test values of relative humidity and the calculated values from themodel proposed in the paper.

concrete；self-desiccation；relative humidity

TV431；TU528

：A

2011-03-28

國家自然科學(xué)基金資助（50908023）

張登祥（1971-），男，湖南祁陽人，博士，主要從事混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計理論研究（電話）0731-85258436（電子信箱）dxz＿168＠163.com。