變溫條件下大體積混凝土內部溫濕度演化規律與驅動機制

盧曉春，雙 寧，陳博夫，陰國強，劉 曉

（三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002）

1 引 言

混凝土的溫控防裂貫串大壩全生命周期，尤其是大體積混凝土的溫控防裂問題一直備受工程界的關注。雖然我國施工期溫控防裂技術已十分成熟，但大體積混凝土在其漫長的服役期仍面臨環境溫度的季節性變化與氣溫驟降的挑戰。

服役期中環境溫度的季節性變化或氣溫驟降將引起混凝土的內外溫差，從而在結構的約束作用下產生溫度應力，當溫度應力超過混凝土極限強度時則會導致混凝土開裂［1－2］。在內外溫差產生的過程中，受溫濕耦合作用的影響，混凝土內部的濕度將在其內外溫差的驅動下發生變化，從而產生濕脹或干縮應力［3］。已有研究表明，混凝土內部的溫度梯度對濕度具有顯著的驅動作用［4－5］，且混凝土的溫濕度與溫濕應力也具有耦合關系［6］，其溫度應力與濕度應力間的相互影響可能產生明顯的疊加效應，從而增大開裂風險［7－8］。由此可見，混凝土溫濕應力對其開裂具有重要的影響，變溫條件下其內部溫濕度演化是研究開裂問題的重要前提之一。目前的溫控防裂措施大多控制最高溫度和降溫速率，以減小內外溫差來降低混凝土的結構應力［9－12］。而混凝土作為多孔材料在外界環境溫度變化時，其結構面臨著溫度應力與濕度應力的雙重考驗［13］。此外，雖然以上研究從試驗與理論上分析了變溫條件下混凝土內部的溫濕度演化規律，但主要圍繞小試件開展研究，側重混凝土溫濕度相互影響機理，受尺寸效應的影響，變溫條件下大體積混凝土內部的溫濕度演化仍有待進一步研究。

鑒此，筆者澆筑高1.0 m、直徑0.8 m 的大體積混凝土試件并在其內部埋設溫濕度傳感器，在人工氣候環境實驗室模擬變溫環境，探究變溫條件下混凝土內部溫濕度演化規律及其驅動機制，以期為大體積混凝土溫控防裂提供參考。

2 試驗設計

2.1 試驗原理

試驗通過對模具的預制，采用鋼絲固定溫濕度傳感器與逐層澆筑的方式澆筑了高1.0 m、直徑0.8 m 的圓柱形大體積混凝土試件。試件底面與側面采用聚氨酯涂層進行絕熱、絕濕處理，使得試件僅通過頂面受環境溫濕度影響，從而在總體上保證試件內部溫濕度在鉛直方向上進行傳導與傳輸，最終配合人工氣候環境實驗室探究變溫條件下混凝土內部的溫濕度變化，試驗原理如圖1（a）所示。試驗采用的變溫曲線根據某工程氣溫變化歷程進行放縮并采用正弦函數擬合得到，溫度變化歷程見圖1（b），環境溫度從20 ℃下降到0 ℃再回升到20 ℃，降溫階段與溫度回升階段各36 h，一個溫度循環周期為72 h，試驗共設置兩個循環周期，共計144 h。此外，在試驗開始前將試件置于人工氣候環境實驗室使其初始溫度達到20 ℃，以保障試驗開始時試件溫度與初始環境溫度相同，環境濕度采用工程所在地年平均相對濕度75.2%。

圖1 試驗原理與溫度變化歷程曲線

2.2 試件配合比

試件配合比參照某水利工程的三級配常態混凝土，該配合比設計滿足《水工混凝土試驗規程》（SL／T 352—2020）的要求。試驗設計配合比見表1。

表1 試驗設計配合比 kg／m3

2.3 試件制備與試驗過程

制備試件采用樺楊木立模，內側涂有防水涂層，以防止模板吸水影響混凝土的水灰比，模具底部架設木柵墊層、保溫板與防水膜以滿足試件底部保溫隔濕的要求。澆筑前，采用鋼絞線與活動卡扣布設6 層溫濕度傳感器用于采集混凝土試件內部的溫度和濕度數據，從試件的頂面到底部依次編號為T0（表面）、T1、T2、T3、T4、T5 層，每層布置9 個傳感器，呈十字形排布，每個方向的傳感器按等距離布置并按順序進行編號；同時考慮到熱傳導與濕擴散的時空效應，各層傳感器的間距從頂面到底部逐漸稀疏。溫濕度傳感器布置如圖2 所示。

圖2 溫濕度傳感器布置（單位：m）

試件澆筑采用分層澆筑的方式，逐層振搗，待試件澆筑初凝后，從模具側面抽出固定傳感器的鋼絞線，并采用相同水灰比的砂漿進行補漿。待養護3 d 后對試件拆模，并在室內進行標準養護至28 d；隨后將試件置于人工氣候環境實驗室內，設置實驗室溫度為20 ℃、相對濕度95%進行恒溫預處理，連接傳感器至采集系統，待數天后試件內部溫度讀數均達到20 ℃左右時，停止恒溫預處理；然后將設計的溫度與濕度輸入人工氣候環境實驗室控制器，開始試驗，每5 min 采集1 次混凝土內部的溫度和濕度數據。

3 溫濕度演化規律與驅動機制

3.1 溫濕度演化規律

試驗結果取每層測點溫度和濕度的平均值來說明變溫條件下大體積混凝土內部的溫濕度演化規律，見圖3（其中，5～10 ℃內的環境溫度波動是環境實驗室制冷壓縮機轉換時造成的）。混凝土內部各層平均溫度演化見圖3（a），在環境溫度周期性先降后升的影響下，試件的T0～T4 層溫度也呈現出“先下降后上升再下降再回升”的規律，而T5 層的溫度在整個過程中持續降低，且由表及里試件的溫度響應變慢。同時，在兩次環境溫度循環的過程中，試件T0～T4 層的最低溫度與出現的時間有所不同，第1 次循環中T0～T4 的最低溫度（出現時間）分別為5.2 ℃（39.3 h）、8.5 ℃（43.3 h）、11.1 ℃（52 h）、13 ℃（56.8 h）、15.6 ℃（70.7 h），第2次循環中分別為4.4 ℃（110.5 h）、7.1 ℃（114.1 h）、9.2 ℃（119 h）、10.9 ℃（122.5 h）、12.9 ℃（139.7 h）。對比兩次循環中各層最低溫度及其出現時間可知，第2 次循環混凝土的最低溫度更低；以兩次循環最低環境溫度出現時間36 h 與108 h 為基準，T0 層的最低溫度出現的滯后時間分別為3.3、2.5 h。以上結果說明大體積混凝土內部的溫度傳導具有明顯的滯后，且測點距離環境溫度邊界越遠，熱傳導的時空差異越大，環境溫度對混凝土溫度影響越小。此外，由于第2 次循環環境溫度循環開始時試件整體溫度低于第1 次循環試件整體溫度，因此第2 次循環試件內外溫差更大，其內部溫度響應較第1 次循環迅速。

圖3 各層平均溫度和平均濕度演化規律

由圖3（b）（由于T1～T5 層試驗數據近似，因此圖中曲線重疊）可知，大體積混凝土內部的濕度演化與溫度演化的時空特性具有顯著的差異，其中試件表面的濕度變化十分明顯，而其他層濕度基本維持不變。表面濕度變化趨勢與溫度變化趨勢大致相同，隨環境溫度變化呈現“先降后升，再降再升”的規律。在兩次環境溫度循環的過程中，T0 層的最低相對濕度（出現時間）分別為70.4%（36.1 h）、70.1%（108.4 h），最大濕度降幅為24.9%，而其他測層濕度降幅不明顯。值得注意的是，雖然在17.9～53.8 h 與89.1～129.3 h 內環境濕度高于試件表面濕度，但這兩個階段內試件表面濕度仍有所下降，說明此階段試件表面濕度可能主要受到變溫環境的影響，試件表面溫度變化較為明顯，混凝土表面的濕度變化受到了表面溫度變化的作用。

3.2 溫濕度變化速率

為了進一步分析混凝土內部溫濕度演化規律，由溫濕度測試結果計算得出各測層中心點溫度和濕度的變化速率（見圖4）。由圖4（a）可知，混凝土內部溫度變化速率隨時間呈周期性變化。第1 次循環中初期溫度變化速率為負值，混凝土內部溫度逐漸下降且降溫速率在增大；在降溫速率達到最大后，其內部降溫速率開始減小。隨后溫度變化速率成為正值且不斷增大，此時混凝土內部溫度逐漸上升，處于升溫階段，此時段內混凝土內部升溫速率不斷增大，單位時間內溫度變化幅度增大。同時，隨著測層深度的增大，混凝土溫度的變化速率減小，溫度變化幅度降低。第2 次循環過程中的溫度變化速率的演化規律與第1 次循環相同。圖4（b）（由于T1～T5 層試驗數據近似，因此圖中曲線重疊）表明，表面濕度變化速率隨時間變化十分顯著，其變化趨勢與溫度變化速率趨勢相同。在0～36 h和72～108 h 兩個時段內，濕度變化率為負值，表面濕度逐漸降低，濕度降低速率逐漸減小，結合圖3（b）可知，即使當表面濕度低于環境濕度時，試件表面仍在溫度驅動作用下強制向外界傳輸水分。在36～72 h和108～144 h 兩個時段內，濕度逐漸上升；同理，即使當外界環境濕度低于試件表面濕度，混凝土表面仍可在溫度驅動作用下從試件內部與環境得到水分補充。

圖4 各層中心點溫濕度變化速率

3.3 溫濕度驅動機制

為了進一步研究混凝土試件的溫濕耦合作用，由Luikov 熱質耦合方程建立了混凝土溫濕耦合作用方程（一維）：

式中：T為混凝土的溫度，℃；x為一維方向上的熱傳導或濕遷移距離，m；t為時間，h；λ為導熱系數，W／（m?℃）；ρ為混凝土密度，kg／m3；ε為相變系數；hlv為相變潛熱，kJ／kg；c為混凝土比熱容，kJ／（kg ?℃）；H為相 對濕度，%；D為混凝土濕擴散系數，m2／h；δ為索瑞系數。

通過對式（1）進行轉化，將濕度控制方程中濕度關于距離的二階偏導替換為溫度和濕度對于時間的一階導數，化簡后的公式如下：

由于混凝土內部溫度擴散方向與濕度自由擴散方向可能存在相反的情況，因此采用kT的絕對值來表示混凝土溫度對濕度的影響占比，則可表示為

本文選取常規的多孔混凝土的相關參數進行計算［5，14－15］并分析大體積混凝土內部溫濕度演化規律，此過程不考慮溫濕度變化對其他混凝土相關參數的影響。混凝土試件相關計算參數見表2。

表2 混凝土試件相關計算參數

由式（4）計算得到混凝土試件表面（T0 層，下同）和T1 層中心點溫度對其濕度影響的占比k′T，結果如圖5 所示。

圖5 表面和TI 層中心點k′T 的變化規律

由圖5 可知，試件表面的值整體上比T1 層的值大，其的平均值達到86.2%，混凝土表面濕度受到了表面溫度梯度較為明顯的影響，前期由于外界環境溫度發生變化，因此混凝土內外溫差逐漸變大，表面溫度梯度增大使得試件表面kT值變大，一段時間后隨著混凝土內外溫差減小，表面溫度梯度減小導致值相應減小，并且第2 個環境溫度循環值的變化趨勢與第1 個溫度循環一致；T1 層的平均值達到53%，小于混凝土表面溫度梯度對表面濕度的影響，前期由于T1 層溫度變幅小于表面溫度變幅，其值小于表面值且增長較為緩慢，后期因溫度梯度減小且濕度變化速率增大而值出現了下降。由上述分析可知，在環境溫度變化而環境濕度不變的條件下，混凝土表面溫度梯度對表面濕度產生明顯影響，使混凝土表面濕度產生劇烈變化。

周期性變溫條件下大體積混凝土內部的溫濕度演化的時空差異性極大，溫濕度的變化由表及里。大體積混凝土溫度的變化主要受環境溫度與內部溫度梯度的影響，試件在經過保溫隔濕處理后形成了單一方向的溫度傳導路徑，越靠近試件表面，溫度變化越明顯；溫度的傳導需要一定的時間，并且存在溫濕耦合作用，在溫度梯度作用下水分會由高溫部位向低溫部位遷移，而在此過程中，會帶走部分熱能，故不同測層的溫度變化會表現出一定的滯后性，溫度變化速率降低，溫度變化幅度減小，且隨著測層深度的增加，這種現象會愈發明顯。而對于濕遷移，即混凝土表面水分主要在表面溫度梯度產生的驅動力作用下進行遷移。隨著外界環境溫度的變化，混凝土表面溫度變化劇烈，表面溫度梯度大，溫度驅動力遠大于內部濕度梯度產生的驅動力，溫度對濕度的驅動力越大，濕遷移越快，故混凝土表面濕度變化較為劇烈；混凝土內部T1 層至T5 層的濕度梯度極小，水分主要在溫度驅動力的作用下進行遷移。由此可知，對于晝夜溫差大、環境溫度變化劇烈的地區，如服役在西北地區的大體積混凝土，由于放熱過程存在內外溫度差，在溫濕耦合機制和西北地區較為干燥的環境作用下，混凝土表面濕度會產生明顯的變化，因此對于此類地區的混凝土工程，在漫長的服役過程中，溫控防裂的同時還需注意表面保濕，兼顧對干縮應力的控制。

4 結 論

（1）變溫環境對混凝土的溫度影響遠大于對濕度影響，但對混凝土表面濕度會產生比較明顯的影響。對于晝夜溫差大、環境溫度變化較為劇烈地區的混凝土工程，如西北地區的工程，在漫長的服役過程中需考慮混凝土表面濕度的變化，控制干縮應力的產生。

（2）大體積混凝土內部的溫濕度演化時空差異性顯著，其溫度響應的滯后性隨深度的增加而更為明顯；雖然水分的自由擴散十分緩慢，但受溫濕耦合作用的影響，混凝土內部的溫度梯度使得表面濕度對變溫環境的響應十分迅速。

（3）大體積混凝土溫度的變化源于變溫環境與內部溫度梯度的影響；在環境溫度變化而環境濕度不變的條件下，結合實測數據與理論分析得到混凝土表面溫度梯度對表面濕度產生了明顯影響，平均影響占比達到了86.2%，溫度梯度產生的熱濕擴散效應遠大于自由擴散效應，且局部溫度梯度越大濕遷移越快。