水環境下的混凝土濕度影響因素試驗

張國輝,李肖杭,魏 海

(1.昆明理工大學電力工程學院,云南 昆明 650500; 2.清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室,北京 100084)

混凝土結構部分或全部表面經常與水接觸,如大壩、過河橋梁的基礎及墩臺、海岸及近海岸的結構物、海洋采油平臺等,由于混凝土具有大量毛細管和孔隙,水會滲透到混凝土孔隙和裂縫中,使得混凝土結構常處于不同濕度狀態[1-3]。已有研究表明,混凝土孔隙或裂縫中的自由水對混凝土的力學特性存在較大的影響[4-5],Rossi等[6]通過試驗研究了水對混凝土力學性能的影響規律,得到應變速率為0.50 s-1時,飽和混凝土抗拉強度僅為干燥混凝土的75%。Li[7]通過試驗研究表明,干燥混凝土的強度要明顯高于飽和混凝土,隨浸泡時間的延長,混凝土強度逐漸降低,且濕度對水灰比高的混凝土強度影響更加明顯。王海龍等[8]的研究表明飽和混凝土與干燥混凝土相比,抗壓強度下降了4.5%,劈裂抗拉強度下降了11.41%。混凝土內部濕度的大小直接影響了混凝土力學特性的準確評價,因而混凝土吸水規律研究是混凝土力學性能研究的重要基礎。

土壤物理學中首先引入了材料在非飽和狀態下的吸水理論,后來通過理論及試驗證實,該方法同樣可以用來表征非飽和多孔建筑材料中的水分遷移過程[9-10]。混凝土由固、液、氣三相組成,這三相中均有水分的存在,按照水的存在形式,可以將混凝土中的水分分為自由水(毛細孔水)、吸附水、結晶水和結構水(層間水)[11-12]。當混凝土處于不平衡狀態時,混凝土內部不同形式的水分是可以相互轉化的,在濕潤過程中,一部分自由水會轉變為吸附水。混凝土中水分存在形式通常難以確定,因而要精確測定混凝土中的水分分布和形式是較為困難的,現有研究通常將不同形式的水分作為一種整體水分來分析[13]。非飽和狀態的混凝土試塊或結構的部分表面或全部表面同液態水直接接觸,通過混凝土孔的毛細吸附力將液態水吸入混凝土內部,在這個過程中除非外界壓力很大,否則毛細吸附力作用是水分進入混凝土內部的主要驅動力。研究者常采用剖開測重法直觀測量混凝土毛細吸水速度,但難以表征其動態吸水過程。核磁共振、中子照相射線技術能夠將混凝土整個吸水過程可視化,但普通實驗室因缺乏設備而難以實現[14]。李洪馬等[15]通過剖開法測量吸水高度,得出混凝土中的毛細吸水過程是一個早期吸水速度較快、吸水量較大、曲線呈線性增長,而后吸水速度降低、吸水量減少、曲線較為平緩的過程。Hall等[16-17]通過核磁共振試驗得到了混凝土內部水分分布規律,并分析了溫度、流體特性對混凝土吸水的影響規律。

表1 試驗分組及配合比

綜上,目前研究者主要關注于混凝土一維毛細吸水和一維吸水擴散理論與試驗研究,較少關注混凝土三維吸水規律,缺乏不同混凝土在三維吸水環境下的濕度變化規律研究。鑒于混凝土結構服役環境多為復雜的三維吸水工況,且試件濕度狀態將影響到試件室內力學性能檢測結果的準確性,本文研究不同最大骨料粒徑、強度等級、試件尺寸的混凝土在三維吸水條件下,混凝土自由吸水規律及其影響因素,為不同濕度下的混凝土力學性能研究提供支撐。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

水泥采用P·C 32.5R級復合硅酸鹽水泥,標準稠度用水量為28.6%,安定性合格,初凝時間4.2 h,終凝時間5.3 h,28 d抗壓強度38.58 MPa;砂子采用天然中砂,細度模數為2.43,泥沙質量分數為0.8%,表觀密度為2.59 g/cm3,堆積密度為1 540 kg/m3,有害物質含量均在規定值以下;粗骨料采用粒徑為5～20 mm和20～40 mm的卵石,泥沙質量分數為0.6%,表觀密度為2.65 g/cm3,堆積密度為1 563 kg/m3。

混凝土強度等級設置為 C15、C20、C30,每種強度等級的混凝土采用2種最大骨料粒徑,分別為20 mm和40 mm,即5～20 mm、5～40 mm的單級配與兩級配粗骨料。混凝土拌合過程按照SL 352—2006《水工混凝土試驗規程》進行,試件養護條件為標準養護。

1.2 試驗設計與方法

試驗控制因素為強度等級、最大骨料粒徑、試件尺寸和浸泡時間,按照預設的控制因素設置9個試驗組,每組6塊試件,總計54塊試件,具體分組及主要參數如表1所示。試件標準養護后放入電熱恒溫鼓風干燥箱內,干燥控制條件采用本團隊研究確立的最佳干燥工藝[18-19],即在105℃持續干燥120 h。完全干燥的試件待自然冷卻后,記錄其質量,然后將試件分組放入水箱中,慢慢加入自來水,讓水面與試件頂面平齊,并且保證試件吸水后仍能被淹沒。在開始浸泡的10 h內每隔0.5 h將各組試件取出,然后用濕布擦拭表面,使表面不存在水滴,但仍保持濕潤狀態,稱取浸泡后試件質量,再放回水箱中繼續浸泡。在浸泡時間為10～20 h內每隔1 h檢測一次質量,隨著浸泡時間的延長適當增大試件質量檢測的間隔時間,各試驗組浸泡時間總長均為270 h。通過分別間歇記錄9個試驗組試件質量隨浸泡時間的變化過程,按照式(1)(2)分別計算含水率和飽和度。當混凝土試件吸水速率(混凝土試件單位時間單位表面積吸收水的質量)不大于2×10-3kg/(m2·h)時,即認為試件達到近似飽和狀態,每個試驗組的含水率與飽和度均為6個試件的平均值。

(1)

(2)

式中:ρt為浸泡時間t時的含水率,%;St為浸泡時間t時的飽和度,%;mt為浸泡時間t時的試件質量,kg;mw為飽和試件的質量,kg;m0為干燥試件的質量,kg。

2 試驗成果及分析

2.1 不同浸泡時間下的濕度

圖1 不同混凝土的含水率變化曲線

通過間歇記錄不同浸泡時間下的試件吸水質量,共獲取54個試件的吸水質量數據,得到不同強度等級、最大骨料粒徑、試件尺寸的混凝土含水率隨浸泡時間的變化規律(圖1)。由圖1可知,各組試件的含水率隨浸泡時間的變化規律基本相似,在浸泡前期的5 h內,含水率呈近似線性快速增長,隨浸泡時間的延續,含水率呈非線性增長,待浸泡后期試件達到近似飽和狀態時,含水率變化極為緩慢,基本保持恒定。值得注意的是,由于混凝土吸水過程是復雜而緩慢的過程,短時間內并不能達到絕對飽和狀態,因而本文定義的飽和狀態為近似飽和狀態。

由圖1可以得出:

a. 最大骨料粒徑和試件尺寸相同時,相同浸泡時間條件下,強度等級越低,吸水速率越快,含水率越高。譬如,最大骨料粒徑為40 mm,試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的3種強度等級混凝土試件中,浸泡時間為32 h時,C15混凝土試件的含水率分別為C20、C30混凝土的1.09倍、1.18倍。達到相同含水率,低強度等級混凝土所需時間較短,譬如最大骨料粒徑為40 mm,試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的3種強度等級混凝土試件中,當含水率達到3.75%時,C15混凝土所需浸泡時間僅為C20、C30混凝土的42.68%、25.92%。

b. 相同水灰比和試件尺寸條件下,試件的最大骨料粒徑越大,試件達到飽和狀態時含水率越低。譬如第5、6試驗組的水灰比均為0.55,試件尺寸均為150 mm×150 mm×150 mm,當浸泡時間為125 h時,最大骨料粒徑為20 mm的第5組混凝土試件含水率是最大骨料粒徑為40 mm的第6組含水率的1.19倍。

c. 相同水灰比和最大骨料粒徑條件下,試件表面積與體積之比(比表面積)越大,試件達到飽和狀態時,其含水率越高。譬如,第4、5試驗組具有相同骨料粒徑和水灰比,第5組試件的比表面積為0.04 mm2/mm3,第4組試件的比表面積為0.06 mm2/mm3。浸泡時間均為100 h時,第5組試件含水率為第4組的1.05倍。

圖2 含水率的試驗值與預測值對比

圖3 飽和度的試驗值與預測值對比

目前我國工程項目與室內混凝土試驗主要采用尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的標準立方體試件,且骨料級配為兩級配。因而對本試驗中第3、6、9組數據,采用Gauss函數擬合得到強度等級為C15、C20、C30,最大骨料粒徑為40 mm的混凝土標準立方體試件含水率、飽和度關于浸泡時間的函數關系式,見式(3)(4)。圖2為C15、C20、C30混凝土含水率試驗值與預測值的對比,圖3為C15、C20、C30混凝土飽和度試驗值與預測值的對比。由圖2、3可知,試驗值與公式預測值吻合較好,有良好的相關性,表明該擬合公式可用于混凝土含水率與飽和度的估算,同時為后續不同濕度下的混凝土力學性能研究的濕度控制提供依據。

ρt=A0+A1e-t/A2

(3)

(4)

表2 公式(3)(4)參數

圖4 C15混凝土含水率曲線與吸水速率曲線

2.2 混凝土吸水機理及過程分析

以C15混凝土含水率和吸水速率隨浸泡時間的變化規律為例(圖4),進一步分析混凝土的吸水特性。由圖4可見,混凝土吸水過程近似可劃分為3個階段,即AB、BC、CD段。AB段為近似線性吸水階段,時間段為0～3 h,含水率呈線性快速增長,平均吸水速率達到0.42 kg/(m2·h),浸泡3 h后試件含水率已達近似飽和含水率的49.81%。該階段水分主要通過吸附和表面擴散進入干燥混凝土孔隙中,水在孔壁上形成吸附層,水分通過擴散進入試件內部,表現為表面吸水,水分分布于混凝土表層。將浸泡3 h的試件劈裂成兩半(圖5(a)),此時水分僅分布于試件表層部分,試件中心部位完全干燥,水分浸入深度約為2～3 cm。

BC段為非線性吸水階段,時間段為3～72 h，含水率呈非線性遞增,吸水速率逐漸降低。隨著內部濕度的繼續增加,水分持續以水膜形式向試件內部傳輸,出現局部水飽和,形成液體滲流,但水分并未均勻分布于整個試件,試件中心位置仍存在部分干燥區。浸泡72 h后試件含水率已達飽和含水率的96.88%。此時將浸泡試件劈裂分開(圖5(b)),水分基本已浸入試件內部,達到局部飽和狀態,但試件中心部分仍存在部分干燥區。

CD段為近似飽和階段,時間段為72～270 h,該階段吸水速率極為緩慢,含水率僅增加了3.12%。少量水分繼續以水膜形式向試件內部傳輸,形成液體滲流,同時在濕度梯度作用下,水分由外層向內層逐漸擴散,水分逐漸均勻分布于整個混凝土試件,該階段試件總體飽和度已基本恒定,主要為水分分布狀態的變化。浸泡270 h時試件內部水分分布如圖5(c)所示,水分基本已均勻分布于整個試件內部。

圖5 不同浸泡時間下C15混凝土水分分布

3 結 論

a. C15、C20、C30兩級配混凝土標準立方體試件在前3 h內含水率隨浸泡時間呈線性快速增長,浸泡3 h時其含水率分別已達近似飽和含水率的49.81%、36.25%、38.50%,浸泡270 h時各類型混凝土試件已到達近似飽和狀態。

b. 強度等級越高,水灰比越小,混凝土的吸水能力越低,其吸收和容水能力越弱?；炷磷畲蠊橇狭皆叫?試件達到飽和狀態時含水率越高?；炷猎嚰缺砻娣e越大,試件達到飽和狀態時的含水率越高。

c. 混凝土三維吸水過程近似可劃分為3個階段：近似線性吸水階段、非線性吸水階段、近似飽和階段。C15混凝土在近似線性吸水階段的飽和度可達49.81%,而近似飽和階段吸水速率極為緩慢,飽和度增長僅為3.12%。