恒定氣候環境下表面裂縫對混凝土內部濕度響應的影響

蔣建華，裘佳琪，付用全，林明益，胡飛飛

(河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210024)

0 引 言

混凝土結構工程的耐久性問題造成了大量經濟損失，引起了工程界的日益關注。混凝土含濕狀態是影響混凝土結構耐久性的主要因素之一[1]。混凝土的硅-堿反應、凍融破壞、氯離子侵蝕、碳化以及鋼筋銹蝕等耐久性問題均與混凝土孔隙含水量有關[2-6]。混凝土內部的含濕狀態又很大程度上取決于外部氣候環境，內部相對濕度總是隨著環境相對濕度的變化而變化[7]。

一般認為，在穩定的大氣環境作用下，混凝土內部相對濕度變化發生于近表面區域，在臨界深度之外趨于常數[8-9]。溫度、濕質擴散率作為影響混凝土內部相對濕度的重要因素得到了廣泛的認同[1,10]。同時，為定量化研究大氣環境對混凝土內部濕度環境的作用關系，劉鵬等[11]利用氣象資料理論推導出自然環境濕度作用譜和混凝土內濕度響應譜模型；Jiang等[12]基于某一特定區域的氣象資料，利用數學方法從溫度和濕度出發建立氣候作用譜，相應地建立了微環境作用譜。目前，對混凝土內部濕度響應的研究多基于材料層面，實際的混凝土結構需承擔荷載作用，研究荷載效應的影響具有實際意義。Min等[10]通過試驗驗證了混凝土內部相對濕度響應速率隨著荷載損傷程度的增加而加快。Ryu等[8]通過試驗對比發現，隨著裂縫寬度的增大，混凝土內部呈現出較快的干燥速率。實際混凝土結構往往是帶裂縫工作的，而目前進行混凝土內部相對濕度響應研究時較少考慮表面裂縫的影響，研究帶裂縫混凝土的內部濕度響應對服役混凝土結構的耐久性和壽命預測有重要意義。

本文通過人工模擬恒定氣候環境，考慮不同水灰比和不同粉煤灰摻量工況，研究混凝土表面不同寬度和不同深度裂縫對混凝土試件內部濕度響應的影響規律和機理，并提出考慮裂縫影響的混凝土內部濕度響應預測模型。

1 試驗方案

1.1 試件設計

濕度響應試件采用尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的混凝土立方體試件，混凝土內部濕度測量如圖1所示。本文的濕度響應試驗中，考慮不同水灰比工況時，采用水灰比w/c分別為0.33，0.40和0.50的普通混凝土；考慮不同粉煤灰摻量工況時，保持水膠比為0.40不變，粉煤灰摻量(質量分數)w(FA)分別為0%，15%和30%，具體配合比如表1所示。試驗中水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥；細骨料采用河砂(中砂)，細度模數為2.5；粗骨料采用粒徑為5～15 mm的碎石；粉煤灰為Ⅱ級粉煤灰；減水劑為液態聚羧酸減水劑；拌合水為普通自來水。

圖1 混凝土內部濕度測量示意(單位：mm)Fig.1 Diagram of Concrete Internal Humidity Measurement (Unit:mm)

表1 混凝土試件配合比Tab.1 Mix Proportions of Concrete Specimens

1.2 試件制備

采用側面開孔的木模具，在混凝土澆筑時，將直徑略大于濕度探頭外徑的PVC管通過模具的側面孔洞置入模具內部75 mm，形成預留孔洞，用以放置濕度探頭。混凝土振搗抹平后，利用鋼片在混凝土試件上表面預制出試驗所需的表面裂縫。裂縫預制過程具體如下：鋼片表面涂油，將鋼片垂直插入試件澆筑表面的中間位置，插入深度依據試驗設計的裂縫深度；混凝土終凝前小心拔出鋼片，避免對混凝土的擾動；為防止裂縫自愈合，將鋼片重新插入裂縫中，混凝土試件在標準條件下(溫度20 ℃±2 ℃，環境相對濕度95%以上)養護28 d，濕度響應試驗前取出鋼片。不同水灰比和不同粉煤灰摻量工況的混凝土試件表面裂縫設計如表2所示。

表2 帶表面裂縫混凝土試件設計Tab.2 Design of Concrete Specimen with Surface Crack

1.3 濕度響應試驗

將濕度探頭插入孔洞底端并用橡皮塞密封孔洞，橡皮塞和孔洞的縫隙用密封膠密封。為研究帶表面裂縫混凝土的正向一維濕度響應過程，濕度響應試驗前將試件置于真空干燥箱中干燥處理[13]，待混凝土試件內部初始濕度為60%±3%時取出，選取帶裂縫的澆筑面作為暴露面，其余面用密封膠帶密封，然后將試件置于溫度為25 ℃、環境相對濕度為95%的恒溫恒濕箱(圖2)中。濕度探頭外接溫濕度記錄器(圖3)，記錄器設置為每隔30 min記錄1次，試驗周期為15 d。

圖2 恒溫恒濕箱Fig.2 Constant Temperature and Humidity Box

圖3 溫濕度記錄器Fig.3 Temperature and Humidity Recorder

2 表面裂縫對混凝土內部濕度響應的影響分析

2.1 不同寬度裂縫的影響

為了研究不同寬度的表面裂縫對混凝土試件內部濕度響應的影響規律，取裂縫深度為20 mm，裂縫寬度為0.15，0.30，0.45 mm的混凝土試件與無裂縫混凝土試件的濕度響應數據進行對比分析。不同水灰比、不同粉煤灰摻量工況下，不同寬度的表面裂縫對混凝土內部濕度響應影響曲線如圖4所示。

圖4 不同寬度裂縫混凝土相對濕度響應曲線Fig.4 RH Response Curves of Concrete with Different Width Cracks

由圖4可知，在不同水灰比和不同粉煤灰摻量下，有裂縫混凝土與無裂縫混凝土相對濕度均滯后于環境相對濕度。濕度響應前期，由于混凝土內外濕度梯度較大，濕度增長較快，隨著濕度響應的繼續，內部濕度增長減緩。比較不同裂縫寬度的溫度響應曲線發現無裂縫混凝土內部濕度增長最慢，不同寬度裂縫引起的混凝土內部濕度響應差異并不顯著。

為了進一步定量分析不同寬度裂縫對混凝土濕度響應的影響規律，定義混凝土濕度響應速率為試驗周期內濕度增加量與試驗周期的比值。分別求出不同水灰比和不同粉煤灰摻量工況下混凝土的濕度響應速率，如圖5所示。

圖5 不同寬度裂縫混凝土相對濕度響應速率Fig.5 RH Response Rate of Concrete with Different Width Cracks

圖5表明，水灰比和粉煤灰摻量一定時，有裂縫混凝土內部濕度響應速率均高于無裂縫混凝土，混凝土內部濕度響應速率隨裂縫寬度的增大變化不明顯，即在本文研究的寬度范圍內，裂縫寬度對混凝土內部濕度響應的影響不顯著。這主要因為裂縫寬度的改變并未引起濕氣傳輸路徑的改變，即濕氣到達混凝土內部指定位置的距離并未改變，由于裂縫處于混凝土內部，相較于混凝土表層的濕氣交換，較小寬度的裂縫內部氣流更穩定，濕氣交換也更慢，因此裂縫寬度對混凝土內部濕度響應的影響并不明顯。

表面裂縫寬度一定時，濕度響應速率隨水灰比的增大而增大。這是由于濕質擴散系數隨著水灰比的增大而增長，內部相對濕度響應速率隨之增大。水灰比為0.50的平均速率比水灰比為0.33的平均速率增大17%～25%，比水灰比為0.40的平均速率增大12%～16%。另一方面，未摻粉煤灰的混凝土濕度響應速率最快，粉煤灰摻量30%的混凝土次之，粉煤灰摻量為15%的混凝土濕度響應速率最慢。具體表現為，未摻粉煤灰的混凝土濕度響應平均速率比粉煤灰摻量為15%的混凝土增大8%～11%，比粉煤灰摻量30%的混凝土增大3%～5%。這主要因為摻量為15%的粉煤灰使混凝土最可幾孔徑及平均孔徑減小，微觀結構更密實，而粉煤灰摻量30%混凝土的最可幾孔徑和平均孔徑與普通混凝土相當[14]。結構的致密程度顯著影響了內部相對濕度響應速率。

2.2 不同深度裂縫的影響

為了研究不同深度的表面裂縫對混凝土試件內部濕度響應的影響規律，取裂縫寬度為0.30 mm，裂縫深度為10，20，30 mm的混凝土試件與無表面裂縫的混凝土試件濕度響應結果進行對比分析。不同水灰比、不同粉煤灰摻量工況下，不同深度的表面裂縫對混凝土內部濕度響應影響曲線如圖6所示。

圖6 不同深度裂縫混凝土相對濕度響應曲線Fig.6 RH Response Curves of Concrete with Different Depth Cracks

由圖6可知，濕度響應時間一定時，混凝土內部相對濕度值隨表面裂縫深度的增加而增大。由于裂縫深度的增大，縮短了濕氣傳輸路徑，裂縫深度越深試件內部濕氣傳輸越快。為進一步定量分析不同水灰比和粉煤灰摻量工況下裂縫深度對混凝土內部濕度響應的影響，分別求出不同水灰比和粉煤灰摻量工況下混凝土的濕度響應速率，得到不同深度裂縫與濕度響應速率的關系，如圖7所示。

圖7 不同深度裂縫混凝土濕度響應速率Fig.7 RH Response Rate of Concrete with Different Crack Depths

由圖7可知，不同水灰比和粉煤灰摻量工況下的混凝土均表現為有裂縫混凝土試件內部濕度響應速率高于無裂縫試件，且隨裂縫深度的增加，混凝土試件內部濕度響應速率呈線性增大。裂縫深度相同時，混凝土內部濕度響應速率隨水灰比的增大而增大，水灰比為0.50的混凝土濕度響應速率比水灰比為0.33的混凝土增大15%～25%。未摻粉煤灰的混凝土內部相對濕度響應速率最快，粉煤灰摻量為30%的混凝土次之，粉煤灰摻量為15%的最小，這與第2.1節的研究結果一致。

不同水灰比工況下水灰比越大，裂縫深度對混凝土內部濕度響應影響越明顯；粉煤灰摻量為30%時，裂縫深度對混凝土濕度響應的影響較粉煤灰摻量為15%時明顯。這主要是因為水灰比越大和粉煤灰摻量過大時，均會導致混凝土孔隙率增大，內部孔隙結構越不致密，濕氣傳輸系數越大，因而裂縫的影響更顯著。

3 考慮裂縫影響的混凝土內部濕度響應預測模型

裂縫的存在會改變外部環境濕氣進入混凝土內部環境的路徑，從而影響混凝土的濕度響應，因此在建立服役環境下混凝土內部濕度響應預測模型時應考慮裂縫的影響。在建立預測模型時，為同時反映裂縫寬度和深度的影響，可選取裂縫體積作為定量表征裂縫的指標。

本文研究的帶表面裂縫的混凝土試件相對濕度一維響應過程可分為濕氣在未開裂混凝土中的擴散過程及濕氣在裂縫內的擴散過程。濕氣在裂縫內的擴散過程可近似看作濕氣在空氣中的擴散。根據相關文獻[15]，空氣中的濕氣擴散系數大小一般在1×10-5～2×10-5m2·s-1，與壓強、溫度等因素有關。鑒于混凝土裂縫寬度較小，且裂縫中空氣流通性差，本文取裂縫中的濕氣擴散系數Dc為1.50×10-6m2·s-1。未開裂混凝土的濕氣擴散系數可通過公式(1)計算得到[16]

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

0.037ΔH-14.192)

(1)

式中：Dp為無裂縫混凝土等效濕氣擴散系數；T為混凝土內溫度；ΔH為混凝土內外初始濕度差。

參照文獻[17]，可通過考慮裂縫對混凝土傳質系數的影響，進而考慮裂縫存在對混凝土傳質過程的影響，帶表面裂縫的混凝土等效濕氣擴散系數可表達如下

(2)

式中：Dcr為帶裂縫混凝土的等效濕氣擴散系數；Vc為裂縫的體積；Vp為未開裂混凝土的體積。

由文獻[16]可知，混凝土內部任意位置、任意時刻的相對濕度可用式(3)表示

(3)

在混凝土相對濕度響應預計模型公式(3)中，涉及誤差函數erf(φ)的計算，本文采用雙曲正切函數近似計算法[18]，即

erf(φ)=tanh(1.128 38φ+0.102 77φ3)

(4)

下面以水灰比為0.40，裂縫寬度為0.30 mm，裂縫深度為30 mm的混凝土試件為例，介紹理論模型的驗證過程。混凝土內部溫度T=20 ℃，混凝土內部初始相對濕度H0=58.5%，環境相對濕度He=95.0%。具體驗證過程為：

(1)首先計算帶裂縫混凝土的等效濕氣擴散系數Dcr，由式(1)可得Dp=7.70×10-6m2·h-1，取Dc=5.40×10-3m2·h-1，裂縫體積Vc=1.35×10-6m3，無裂縫的混凝土體積Vp=3.37×10-3m3。因此，可計算出Dcr=9.85×10-6m2·h-1。

(2)將x=0.075 m和t，Dcr代入計算不同時刻的φ值，然后將φ值代入公式(4)，得到不同時刻的誤差函數erf(φ)值。

(3)將已知的H0，He以及不同時刻對應的誤差函數erf(φ)值代入公式(3)，計算出不同時刻的混凝土內部相對濕度值，濕度響應理論值與實測值的對比如圖8所示。

圖8 混凝土濕度理論值與實測值的比較Fig.8 Comparison Between Theoretical and Measured RH of Concrete

由圖8可知，相對濕度理論值與實測值的均值分別為65.46%，66.27%，標準差分別為4.69%，4.62%，均值和標準差的差值均在1%以內，且2組數據的判定系數R2為0.988，表明理論值與實測值吻合度較好，建立的考慮表面裂縫影響的混凝土內部相對濕度響應預測模型可行。

4 結 語

(1)同一水灰比和粉煤灰摻量工況下，有裂縫混凝土內部濕度響應速率高于無裂縫混凝土內部濕度響應速率，在本文所研究的裂縫寬度和深度范圍內，混凝土內部濕度響應速率隨裂縫寬度的增大變化不明顯，隨裂縫深度的增大呈線性增大。

(2)裂縫形態一定時，混凝土內部濕度響應速率隨水灰比的增大而增大；對于不同粉煤灰摻量工況，未摻粉煤灰混凝土試件內部濕度響應速率最快，粉煤灰摻量30%的混凝土次之，粉煤灰摻量15%的最小。

(3)不同水灰比混凝土相比較而言，水灰比越大，裂縫對混凝土濕度響應的影響越顯著；不同粉煤灰摻量混凝土相比較而言，粉煤灰摻量為30%時裂縫對混凝土濕度響應的影響較粉煤灰摻量為15%時顯著。

(4)提出了考慮表面裂縫影響的混凝土等效濕氣擴散系數計算公式，進而建立恒定氣候環境下帶表面裂縫混凝土內部濕度響應預測模型，模型理論值與實測值吻合較好，驗證了該模型的可行性。