DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.03.026

基于微环境温湿度的混凝土孔隙水饱和度预计

鲁彩凤^{1, 2}，张艳龙³，姬永生^{1, 2}，蒋建华⁴

(1. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州，221116；

2. 中国矿业大学 江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室，江苏 徐州，221008；

3. 徐州原土建筑设计有限公司，江苏 徐州，221008；

4. 河海大学 土木与交通学院，江苏 南京，210098)

摘要：研究混凝土微环境相对湿度、温度及微观结构对孔隙水饱和度的影响机理，并通过恒定人工气候环境下粉煤灰混凝土孔隙水饱和度的测定进行验证，建立基于混凝土微环境影响的孔隙水饱和度预计模型。研究结果表明：粉煤灰混凝土水胶比越小，其孔隙水饱和度越大；粉煤灰混凝土孔隙水饱和度随微环境相对湿度的提高而增大，随微环境温度的升高而下降；恒定微环境温湿度情况下，当粉煤灰掺量不超过15%时，混凝土孔隙水饱和度随粉煤灰掺量的增大而增大，但粉煤灰掺量超过15%时，其随粉煤灰掺量的增大而降低。粉煤灰混凝土孔隙水饱和度与微环境相对湿度、微环境温度、粉煤灰掺量和水胶比之间的关系可以用指数函数较好地拟合。

关键词：孔隙水饱和度；微环境温度；微环境湿度；粉煤灰混凝土；水胶比

中图分类号：TU528         文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)03-0761-08

Prediction of pore water saturation based on micro-environment temperature and relative humidity in concrete

LU Caifeng^{1, 2}, ZHANG Yanlong³, JI Yongsheng^{1, 2}, JIANG Jianhua⁴

(1. State Key Laboratory for Geomechanics & Deep Underground Engineering,

China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116, China;

2. Jiangsu Key Laboratory of Environmental Impact and Structural Safety in Engineering,

China University of Mining & Technology, Xuzhou 221008, China;

3. Xuzhou Yuantu Architectural Design Co. Ltd., Xuzhou 221008, China;

4. College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Abstract: The effect mechanism of micro-environment temperature, relative humidity and microstructure on pore water saturation of fly ash concrete was studied, and was verified through measuring pore water saturation of fly ash concrete in constant artificial climate conditions, and then the prediction model of pore water saturation based on micro-environment temperature and humidity was established. The results show that water-binder ratio of fly ash concrete is smaller, and the pore water saturation is higher. Pore water saturation of fly ash concrete increases with the increase of micro-environment relative humidity, but decreases with the increase of micro-environment temperature. The pore water saturation in concrete increases with fly ash replacement at constant micro-environment temperature and under humidity conditions when fly ash replacement is less than 15%, but the pore water saturation decreases with fly ash replacement that is more than 15%. The relationship between pore water saturation in fly ash concrete and parameters (including micro-environmental relative humidity, temperature, fly ash content and water to binder ratio) can be fitted by an exponential function.

Key words: pore water saturation; micro-environment temperature; micro-environment relative humidity; fly ash concrete; ratio of water to binder

混凝土湿度(含湿量)不仅对混凝土力学性能如强度、收缩等有重要影响，而且对混凝土抗气候环境的耐久性能也有重要影响，是引起混凝土耐久性能劣化过程发生的必要条件和许多失效机理与模型建立的基础^[1-4]。混凝土的湿度分为混凝土外部环境湿度和混凝土内部微环境湿度，目前有些混凝土耐久性研究中直接以混凝土外部环境相对湿度作为表达混凝土含湿量的参数，显然这是不准确的。混凝土耐久性能的退化应该由混凝土内部微环境气候条件决定，如即使混凝土表面含水率很高但其内部含水率很低，混凝土内部钢筋腐蚀缺少必要的条件(水)，钢筋也不会发生锈蚀；反过来，则混凝土表面干燥但内部含水率较高，则混凝土内部钢筋仍存在锈蚀的可能。混凝土微环境湿度指混凝土含水率，常用混凝土孔隙水饱和度来表示^[5-11]，但混凝土孔隙水饱和度无法直接测量。混凝土内部的孔隙水饱和度取决于混凝土所处的外部环境气候条件(指大气环境温湿度等)以及混凝土本身材料性能(如水胶比、矿物掺合料等)。在恒温恒湿条件下，如果保持混凝土外部环境条件恒定不变，混凝土内部的水分将达到与外部环境湿气蒸发与凝聚的平衡，此时就能得到相对比较固定的混凝土内孔隙水饱和度。本文作者基于微环境温湿度影响孔隙水饱和度的机理分析，通过对不同粉煤灰掺量混凝土在不同温湿度控制条件下孔隙水饱和度的测定，建立混凝土孔隙水饱和度基于微环境温湿度影响的预计模型，从而为建立考虑微环境影响的耐久性能退化模型奠定基础。

1  影响混凝土孔隙水饱和度的机理分析

根据Feldman-Sereda模型，混凝土中的水由自由水、吸附水、结晶水和结构水4部分组成^[1]。其中，自由水(毛细孔水)是混凝土与水直接接触时所吸收的水分；结构水(层间水)以氢键结合在水化硅酸钙凝胶层的层间，只能在强烈干燥(相对湿度低于11%)才会失去；结晶水是指结合在矿物之中的水分，它只有在高温时才分解释放。大气吸附水是牢固存在于混凝土微毛细孔及大毛细孔与非毛细孔孔壁表面的水分。混凝土孔隙中的水有气态和液态2种存在形式，气态水是指当环境湿度较低时较易以水蒸汽的形式存在孔隙中，当环境湿度较高时水蒸汽凝聚成液态水，它以液态水膜形式吸附在混凝土孔壁上。

混凝土暴露于大气环境中，混凝土表面孔隙与环境湿度差将导致混凝土-环境界面上的水分交换，混凝土孔隙中与大气环境相平衡的仅为吸附水。当环境湿度低于混凝土表面孔隙湿度时，孔隙中的水蒸汽直接扩散到空气中，同时混凝土表面孔隙液态水先蒸发到大气中并导致表面孔隙毛细压力增加，进而导致液态水由混凝土深处向表面渗透；当环境湿度高于混凝土表面孔隙湿度时，水蒸气通过扩散进入混凝土内部使得混凝土内部孔隙相对湿度逐渐增大。混凝土内外湿气交换通常可用Fick第二定律表述^[12]：

            (1)

式中：H为混凝土微环境相对湿度；t为时间；为湿质扩散系数。

在一定大气环境条件下，混凝土内外湿度达到热力学平衡，此时混凝土含湿量(孔隙水饱和度)取决于混凝土表面的外部环境条件及混凝土孔隙结构。

1.1  微环境湿度的影响

根据吸附理论，在恒定温度下平衡吸附量与被吸附气体压力之间的关系，可以用等温吸附曲线描述^[13]。等温吸附曲线数学描述较典型的有BET多层(n层)吸附模型，即

       (2)

式中：Q为实际吸附量；Q_m为表面吸满分子层时的吸附量；为吸附系数，它与温度和吸附热有关；为吸附气体的相对压力；p为被吸附气体的压力；p_s为被吸附气体的饱和压力。

对于混凝土内外环境湿质传递而言，式(2)中等式左边的相对吸附量反映了混凝土的含水率；同时根据相对湿度定义，吸附气体的相对压力即是混凝土微环境相对湿度。由此可知在恒定微环境温度下，环境相对湿度越高，混凝土吸附水蒸汽量就越多，孔隙水饱和度越大。

1.2  微环境温度的影响

相对湿度H是指水蒸汽分压与该温度下饱和水蒸汽压力之比，即

               (3)

式中，饱和状态下水蒸汽压与温度T的关系满足Clausius-Clapeyron方程，近似可表示成^[13]：

     (4)

由式(4)可知：在标准大气压下，混凝土内孔隙饱和水蒸汽压随温度的升高而增大。在恒定湿度情况下，随着温度升高，混凝土内水蒸汽压必然随饱和水蒸汽压的增大而增大，这导致混凝土内将有更多的水分以气态水的形式存在于混凝土孔隙中，液态水含量减小，导致孔隙水饱和度减小。

1.3  混凝土微观结构的影响

若外部环境条件相同，则混凝土孔隙水饱和度受混凝土微观结构的影响较大。当混凝土孔隙中水蒸汽和液态水处于热力学平衡状态时，通过Kelvin方程可计算各相对湿度H下可能饱和的最大毛细孔径r_k^[14]，即

               (5)

式中：为表面张力(N/m)；M_w为水的摩尔质量(kg/mol)；R为理想气体常数(J/mol)；T为热力学温度(K)；为液态水密度(kg/m³)。

由式(5)可知，混凝土孔隙中相对湿度与孔隙半径直接相关。饱和状态最大孔隙半径为r_k时处于平衡状态下的相对湿度记为H_r，当相对湿度超过H_r时，孔隙的水蒸汽将发生液化转化成液态水。反过来，环境相对湿度H一定时所对应的可能饱和的最大毛细孔径记r_k，若混凝土结构越密实，则恒定环境条件下混凝土内可能饱和的孔隙相对越多，孔隙水饱和度也就越大。

2  混凝土孔隙水饱和度影响的试验验证

影响混凝土孔隙水饱和度的主要因素有：微环境温度、相对湿度以及混凝土孔隙结构，而混凝土孔隙结构与混凝土本身的水胶比及矿物掺合料的掺量有关。本文针对不同粉煤灰掺量的粉煤灰混凝土，通过试验验证微环境相对湿度、微环境温度、水胶比、粉煤灰掺量与混凝土内孔隙水饱和度之间的相关性。

2.1  试验概况

试验粉煤灰采用徐州柳新彭城电厂排出的干排灰，其化学组成见表1。依照GB/T 1596—2005“用于水泥和混凝土中的粉煤灰”，采用负压筛析仪(45 μm方孔筛)测得粉煤灰细度(筛余量)为6.2%，采用灼烧差减法测得粉煤灰烧失量的质量分数为3.09%，需水量为92%，可知试验所用的粉煤灰为Ⅰ级灰。水泥采用徐州淮海水泥厂生产的P.O42.5水泥，其化学组成见表1，测得水泥细度1.2%，初凝时间2 h，终凝时间3.5 h，胶砂28 d抗压强度为69.64 MPa，沸煮法合格。细骨料采用天然河砂(中砂)，细度模数M_x=2.42。粗骨料石子采用为徐州汉王采石场生产的碎石，粒径为5~20 mm。

粉煤灰混凝土配合比设计采用超量取代法，超量系数取1.2。本试验考虑C20，C30和C40 3种强度等级混凝土，粉煤灰掺量分别取0%(基准混凝土)，15%，30%和45%，对应编号分别为FA0，FA15，FA30，FA45。这里只给出了C30粉煤灰混凝土配合比(质量比)如表2所示，通过添加江苏博特SBTJM-Ⅷ萘系高效减水剂(减水率28%)控制各配合比混凝土坍落度均在(90±5) mm范围内。

2.2  试验过程

采用标准试验方法制作各种粉煤灰掺量的混凝土立方体试块100 mm×100 mm×100 mm若干，标准养护至30 d左右后取出，用砂轮进行切割，假设立方体试块浇筑面为上面，则从试块侧立面切割得到切片，并加工成厚约为15 mm的切片(图1)。在切割过程中用浇水方法对砂轮进行降温，并用砂轮将切片切面磨平。每类配合比混凝土得到的切片不少于10片。试验过程如下：1) 将试件切片再标准养护至90 d左右后，放入水中浸泡若干天后称其饱水质量G_w。浸泡时间按以下方法确定：每周用精度为0.1 mg的电子分析天平测定试块质量1次，当2次测定质量差不超过±1‰时,认为混凝土已处于完全饱水状态；2) 将饱水切片放入105 ℃的烘箱中烘干，称取干质量G_g，烘干时间的确定方法与上相同；3) 将烘干的混凝土切片放入设定好温湿度的SN-90氙灯耐气候试验箱内，该仪器主要是通过控制箱内温湿度来模拟外界环境，又称人工气候箱，温度范围为0~70 ℃，湿度范围为50%~98%。当混凝土含水率与环境相对湿度达到平衡时，称取该温度、相对湿度组合下试块的质量G_i。这里混凝土微环境与环境相对温湿度达到平衡的确定方法同上。根据式(6)计算各温湿度控制下对应孔隙水饱和度S：

           (6)

表1  粉煤灰和水泥的化学组成(质量分数)

                           Table 1  Chemical composition of fly ash and cement                           %

表2  C30混凝土质量比

Table 2  Mix proportions of C30 concrete

2.3  试验结果分析

根据不同温湿度控制条件下测得的粉煤灰混凝土孔隙水饱和度，分析微环境温度、微环境相对湿度、水胶比及粉煤灰掺量对孔隙水饱和度的影响。

分别控制混凝土微环境温度为20 ℃和40 ℃，C20，C30，C40粉煤灰混凝土孔隙水饱和度(S)随微环境相对湿度(H)的变化规律如图2所示。由图2可知：在微环境温度一定的条件下，粉煤灰混凝土孔隙水饱和度都随着混凝土微环境相对湿度的增大而逐渐增大。由图2(f)可知：C40混凝土控制微环境温度为40 ℃，基准混凝土(FA0)在微环境相对湿度为58%，77%，92%和100%时的孔隙水饱和度分别为相对湿度42%时的1.35倍、1.92倍、2.53倍和2.94倍，30%粉煤灰掺量混凝土(FA30)在微环境相对湿度58%，77%，92%和100%时的孔隙水饱和度分别是相对湿度42%时的1.34倍、1.89倍、2.48倍和2.88倍。

图1  试件切割位置示意图

Fig. 1  Sketch map of specimen cutting

分别控制混凝土微环境相对湿度为H=42%，77%及100%，C20，C30，C40粉煤灰混凝土孔隙水饱和度(S)随微环境温度的变化规律，如图3所示。由图3可知：在混凝土内微环境相对湿度一定时，相同掺量和强度等级的粉煤灰混凝土的孔隙水饱和度随微环境温度的升高而下降。图3(e)中，控制C30混凝土微环境相对湿度H=77%，粉煤灰掺量分别为0，15%，30%和45%的各混凝土试件，40 ℃时孔隙水饱和度比20 ℃时分别降低17.2%，17.4%，17%，16.9%。

图2  微环境相对湿度对粉煤灰混凝土孔隙水饱和度的影响

Fig. 2  Effect of micro-environment relative humidity on pore water saturation of fly ash concrete

在恒定混凝土微环境温湿度条件下，粉煤灰掺量对C20，C30，C40粉煤灰混凝孔隙水饱和度的影响规律如图4所示。从图4可知：在混凝土内微环境相对温湿度恒定情况下，当粉煤灰掺量不超过15%时，混凝土内孔隙水饱和度随粉煤灰掺量的增加而增大；当粉煤灰掺量超过15%时，混凝土内孔隙水饱和度随粉煤灰掺量的增大而降低。如图4(c)中C30混凝土，控制混凝土微环境温湿度为20 ℃，H=92%，粉煤灰掺量为15%时混凝土孔隙水饱和度分别较基准混凝土增大了8.8%，而粉煤灰掺量为30%和45%时混凝土孔隙水饱和度较基准混凝土分别下降了8.0%和15.1%。这是由于15%粉煤灰掺量使混凝土有害孔及多害孔(孔径＞50 nm的孔)的分孔隙率略有增大，30%和45%粉煤灰掺量使混凝土总孔隙率、有害孔及多害孔的分孔隙率明显增大^[15]，即粉煤灰掺量提高使混凝土总孔隙率或孔隙孔径增大，混凝土孔隙内越不容易发生毛细管凝聚现象，导致混凝土内孔隙水饱和度减小。

图3  微环境温度对粉煤灰混凝土孔隙水饱和度的影响

Fig. 3  Effect of micro-environment temperature on pore water saturation of fly ash concrete

图4  粉煤灰掺量对混凝土孔隙水饱和度的影响

Fig. 4  Effect of fly ash replacement on pore water saturation of concrete

图5  水胶比对粉煤灰混凝土孔隙水饱和度的影响

Fig. 5  Effect of water-binder ratio on pore water saturation in fly ash concrete

图5所示为在粉煤灰掺量相同条件下，控制混凝土微环境温湿度，水胶比对粉煤灰混凝孔隙水饱和度的影响规律。从图5可知：在相同的温度和湿度条件下，水胶比越小，混凝土孔隙水饱和度越大。如图5(a)所示，对于基准混凝土，控制微环境条件20 ℃，H=77%，水胶比0.49时的孔隙水饱和度分别比水胶比为0.60和0.74时提高了11.2%和27.2%。

3  混凝土孔隙水饱和度的预计方法

由机理分析及试验研究可知，对于给定的微环境温湿度条件，混凝土孔隙水饱和度取决于孔隙分布情况。混凝土孔径分布情况可以用由压汞法测定的孔半径分布函数表示：

            (7)

式中：为孔半径分布函数(即半径为r的孔隙体积占所有开孔孔隙总体积的百分比)；V为开孔孔隙总体积；V_r为半径小于r的所有开孔体积；p为汞的附加压力。由式(5)可知：恒定微环境条件下，混凝土中孔径小于r_k的孔隙处于饱和状态，则其孔隙率可表示为

            (8)

混凝土中孔径大于r_k的孔隙表面被一层厚度为w的水膜覆盖，水膜厚度计算式为^[6]

     (9)

式中：C为BET常数；d_w为水分子直径。由式(9)可知孔径大于r_k的孔隙水填充率可表示为

        (10)

根据式(8)和(10)可知，孔隙水饱和度计算式可表示为

 (11)

式中：S为孔隙水饱和度；为混凝土总孔隙率；为某一微环境条件下水饱和孔隙的孔隙率，由式(8)确定；为某一微环境条件下不饱和孔隙的水填充率，由式(10)确定。由式(11)可知，只要已知混凝土微环境温度和湿度条件及孔径分布情况，就可以确定混凝土孔隙水饱和度的理论值。

根据在不同微环境温湿度组合控制条件下测得的不同掺量和水胶比的粉煤灰混凝土孔隙水饱和度，拟用线性函数、幂数函数和指数函数3种回归方程进行数据回归分析，并计算各函数的相对误差，得到粉煤灰混凝土孔隙水饱和度与微环境相对湿度、微环境温度、粉煤灰掺量和水胶比之间的关系式，如表3所示。

由表3可知：在不同微环境温湿度组合条件下测得的不同掺量和水胶比的粉煤灰混凝土孔隙水饱和度的3种回归方程中，指数函数具有良好的拟合性，相对误差较小，回归精度较高，而线性函数和幂数函数的相对误差比指数函数大的多。因此，粉煤灰混凝土孔隙水饱和度与微环境相对湿度、微环境温度、粉煤灰掺量和水胶比之间的关系可以用下式拟合(相关系数R²=0.996 1)：

        (12)

表3  粉煤灰混凝土孔隙水饱和度的回归方程

Table 3  Regression equations of pore water saturation in fly ash concrete

4  结论

1) 在混凝土微环境温度一定时，粉煤灰混凝土孔隙水饱和度随微环境相对湿度的增大而逐渐增大。

2) 在混凝土微环境相对湿度一定时，随着温度升高，混凝土内孔隙饱和水蒸汽压增大，水蒸汽压必然随饱和水蒸汽压的增大而增大，这导致混凝土内将有更多的水分以气态水的形式存在于混凝土孔隙中，液态水含量减小，导致孔隙水饱和度减小。

3) 在混凝土微环境温湿度条件一定时，混凝土越密实，混凝土内可能饱和的孔隙相对就越多，孔隙水饱和度也就越大。因此，混凝土水胶比越小，其孔隙水饱和度越大；当粉煤灰掺量不超过15%时，混凝土孔隙水饱和度随粉煤灰掺量的增大而增大；当粉煤灰掺量超过15%时，混凝土孔隙水饱和度随粉煤灰掺量的增大而降低。

4) 粉煤灰混凝土孔隙水饱和度与微环境相对湿度、微环境温度、粉煤灰掺量和水胶比之间的关系可以用指数函数较好地拟合。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2016-03-05；修回日期：2016-05-20

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51178455)(Project(51178455) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：鲁彩凤，博士，副教授，从事混凝土耐久性及建筑结构检测鉴定加固的研究；E-mail: lucaifeng@cumt.edu.cn