費(fèi)大偉，黃耀英，丁 倩，夏世法，包騰飛

(1. 三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 材料研究所，北京 100038；3. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

混凝土的濕度分為混凝土外部環(huán)境濕度和混凝土內(nèi)部微環(huán)境濕度，在研究混凝土吸濕-脫濕特性時(shí)，常需要建立相對(duì)濕度和孔隙水飽和度之間的吸濕-脫濕關(guān)系曲線[1]。目前，關(guān)于混凝土外部環(huán)境濕度和孔隙水飽和度的關(guān)系，多是表現(xiàn)為環(huán)境相對(duì)濕度100%對(duì)應(yīng)孔隙水飽和度100%[2-6]。然而，混凝土耐久性能的退化取決于混凝土的內(nèi)部微環(huán)境，因此需要研究混凝土內(nèi)部微環(huán)境相對(duì)濕度和孔隙水飽和度的關(guān)系。從已有的研究來(lái)看，混凝土內(nèi)部環(huán)境濕度和孔隙水飽和度的關(guān)系并不等同于混凝土外部環(huán)境濕度和孔隙水飽和度的關(guān)系，即混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度100%并不對(duì)應(yīng)孔隙水飽和度100%。張慶章等[1]預(yù)測(cè)了不同溫度下相對(duì)濕度、毛細(xì)壓力與飽和度之間的關(guān)系，并給出了水灰比為0.43 混凝土在20～80 ℃下的排濕曲線，表明孔隙內(nèi)部相對(duì)濕度100%時(shí)，混凝土孔隙水飽和度為50%～100%。Jiang 等[7]通過(guò)試驗(yàn)獲得了水膠比0.48～0.68 的混凝土在10～45 ℃下孔隙水飽和度與內(nèi)部相對(duì)濕度的關(guān)系曲線，可得混凝土內(nèi)部濕度接近100%時(shí)，孔隙水飽和度基本在80%左右。魯彩鳳等[8]通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土內(nèi)部微環(huán)境相對(duì)溫濕度、粉煤灰摻量與孔隙水飽和度之間的關(guān)系，結(jié)果表明混凝土內(nèi)部濕度100%時(shí)，孔隙水飽和度均未達(dá)到100%，最低僅為50%。

大壩混凝土是一種貧膠凝材料（膠凝材料為100～300 kg/m3），工程中為了降低壩體混凝土內(nèi)部水化熱及節(jié)約成本，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)常高摻粉煤灰來(lái)代替水泥，因此大壩混凝土與結(jié)構(gòu)工程中使用的高性能混凝土的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)存在較大差異?；炷链髩伍L(zhǎng)期運(yùn)行后，壩體上游面會(huì)形成穩(wěn)定滲流場(chǎng)，而由于混凝土的水分?jǐn)U散系數(shù)比導(dǎo)溫系數(shù)?。ê笳邽榍罢叩? 200～1 600 倍），壩體下游面一定深度處的內(nèi)部相對(duì)濕度常年保持為100%，那么對(duì)于大壩混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度與孔隙水飽和度的關(guān)系是否也呈現(xiàn)出上述規(guī)律，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文結(jié)合0.5 水膠比的大壩混凝土，開(kāi)展混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度監(jiān)測(cè)和孔隙水飽和度測(cè)試。

1 物理量概念

1.1 混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度

絕對(duì)濕度指單位體積的空氣中含有的水汽量（g/m3）。溫度對(duì)絕對(duì)濕度有著直接影響，一般情況下，溫度越高，蒸發(fā)得到的水蒸氣越多，絕對(duì)濕度就越大；反之絕對(duì)濕度越小。

飽和絕對(duì)濕度指在一定溫度下，單位體積的空氣中所能容納的最大水汽量。如果超過(guò)最大水汽量，多余的水蒸氣就會(huì)凝結(jié)，變成水滴?？諝獾娘柡徒^對(duì)濕度不是固定不變的，隨溫度的變化而變化。溫度越高，單位體積空氣中能容納的水蒸氣就越多，飽和絕對(duì)濕度就越大。

混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度[9]是指混凝土內(nèi)部孔隙中的絕對(duì)濕度與同溫度下的飽和絕對(duì)濕度的比值，代表著空氣中水蒸氣的飽和度。相對(duì)濕度為100%的空氣就是水蒸氣飽和的空氣。

1.2 混凝土含水率

混凝土含水率指混凝土中所含水分質(zhì)量與混凝土干燥狀態(tài)下質(zhì)量的比值[10-13]，以百分?jǐn)?shù)表示，即

式中：Wi為混凝土i 時(shí)刻含水率；mi為混凝土i 時(shí)刻質(zhì)量（g）；md為混凝土烘干后的質(zhì)量（g）。

1.3 混凝土孔隙水飽和度

混凝土孔隙水飽和度[7]是指混凝土孔隙中水的體積與孔隙體積的比值。通常用任意濕度狀態(tài)下混凝土的含水率Wi與飽和狀態(tài)下混凝土的含水率Ws之比計(jì)算得到，以百分?jǐn)?shù)表示，即：

式中：Si為混凝土i 時(shí)刻孔隙水飽和度；Wi為混凝土i 時(shí)刻含水率；Ws為混凝土浸水飽和時(shí)的含水率。

2 大壩混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度與孔隙水飽和度試驗(yàn)

2.1 原材料及配合比

試驗(yàn)采用的水泥為葛洲壩水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5 華新牌普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為宜昌地區(qū)生產(chǎn)的F 類(lèi)II 級(jí)粉煤灰；細(xì)骨料為宜昌地區(qū)長(zhǎng)江口的細(xì)砂，細(xì)度模數(shù)為2.03，含水率為3.27%；粗骨料為花崗巖碎石，粒徑為5～40 mm，其中小石粒徑5～20 mm，中石粒徑20～40 mm，小石與中石的質(zhì)量比為40∶60；減水劑為青島虹廈生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，質(zhì)量摻量為0.65%。混凝土配合比采用中國(guó)西南某典型混凝土高壩工程二級(jí)配混凝土，其中，水膠比為0.5，砂率34%，粉煤灰摻量0 和35%，具體見(jiàn)表1。

表1 混凝土配合比Tab. 1 Mix proportions of concrete

2.2 試驗(yàn)儀器

采用大連北方測(cè)控工程有限公司生產(chǎn)的DB485 型溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部濕度，濕度監(jiān)測(cè)范圍為0～100% ，誤差為±1%；溫度測(cè)量范圍為?40～120 ℃，誤差為±0.5%，溫濕度傳感器采用北方測(cè)控溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其監(jiān)測(cè)工作界面見(jiàn)圖1 所示。采用上海躍進(jìn)醫(yī)療器械有限公司生產(chǎn)的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱對(duì)砂漿樣品進(jìn)行烘干，烘箱型號(hào)GZX-GF101-3-BS-II/H，最高工作溫度300 ℃，如圖2 所示。

圖1 溫濕度采集界面Fig. 1 Temperature and humidity collection interface

圖2 干燥箱Fig. 2 Drying oven

2.3 試驗(yàn)方案

為了研究大壩混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度100%和孔隙水飽和度100%是否具有唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)計(jì)成型了8 個(gè)0.5 水膠比的大壩混凝土試件，其中，4 個(gè)試件不摻粉煤灰，4 個(gè)試件摻35%粉煤灰，如表2 所示。當(dāng)試件在（20±2）℃養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)27 d 后，將試件分為兩組，一組未浸水，測(cè)試絕濕狀態(tài)下的相對(duì)濕度和孔隙水飽和度；另一組浸水，測(cè)試飽和狀態(tài)下的相對(duì)濕度和孔隙水飽和度，以方便進(jìn)行對(duì)比分析。

表2 大壩混凝土試驗(yàn)方案Tab. 2 Test schedule of dam concrete

詳細(xì)試驗(yàn)步驟如下：

Step1：材料準(zhǔn)備。準(zhǔn)備試驗(yàn)所需的原材料、模具(內(nèi)尺寸150 mm×150 mm×150 mm)、PVC 管、鋁棒等，并對(duì)溫濕度傳感器進(jìn)行率定。PVC 管管長(zhǎng)100 mm，外徑20 mm，壁厚1 mm，提前在PVC 管外壁75 mm 處做好標(biāo)記，確定PVC 管的植入深度。

Step2：試件成型及養(yǎng)護(hù)。試件成型后，將PVC 管植入邊長(zhǎng)為150 mm 立方體的幾何中心處(植入深度75 mm)，為了防止水泥漿涌入PVC 管內(nèi)部，試驗(yàn)前先在PVC 內(nèi)部插入與其內(nèi)徑相當(dāng)?shù)匿X棒；接著試件上表面抹平并覆蓋一層薄膜保濕；試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù) 1 d 后脫模，并對(duì)試件進(jìn)行編號(hào)，再立即用保鮮膜和錫箔紙包裹進(jìn)行絕濕處理，置于(20±2) ℃養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。

Step3：混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度監(jiān)測(cè)。8 個(gè)混凝土試件在(20±2) ℃養(yǎng)護(hù)室中絕濕狀態(tài)養(yǎng)護(hù)27 d 后，準(zhǔn)備進(jìn)行濕度監(jiān)測(cè)。首先緩慢拔出封堵PVC 管的鋁棒并用海綿吸出殘留在PVC 管管底的漿體，然后將率定過(guò)的溫濕度傳感器緩慢插入PVC 管中，傳感器探頭距管底1 cm，最后用橡膠塞對(duì)PVC 管進(jìn)行密封，進(jìn)行試件內(nèi)部相對(duì)濕度監(jiān)測(cè)，如圖3 所示。

Step4：對(duì)比試驗(yàn)。將試件分為兩組：第一組試件(1#、2#、5#、6#)繼續(xù)處于絕濕狀態(tài)，繼續(xù)監(jiān)測(cè)內(nèi)部濕度30 d；另一組試件(3#、4#、7#、8#)拆除絕濕包裹，取出溫濕度傳感器，并用橡膠塞密封PVC 管，之后將試件浸水，保證水面高于試件頂面2 cm 但不淹沒(méi)PVC 管管口，如圖4 所示，浸水30 d 后取出試件，再次進(jìn)行絕濕處理，并監(jiān)測(cè)混凝土浸水后內(nèi)部濕度。

Step5：樣品初始質(zhì)量測(cè)試。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)束后，將8 個(gè)試件進(jìn)行劈拉試驗(yàn)，分別在試件中心處取砂漿樣品，并對(duì)樣品依次進(jìn)行編號(hào)1#～8#，如圖5 所示，接著采用精度0.01 g 的電子天平測(cè)量獲得砂漿樣品的初始質(zhì)量，記為m0i(i=1～8)。

Step6：混凝土孔隙水飽和度測(cè)試。將8 個(gè)樣品在60 ℃烘箱中烘干至恒重，在烘干過(guò)程中，每天用精度0.01 g 的電子天平測(cè)定樣品質(zhì)量，直至兩次測(cè)定質(zhì)量相差不超過(guò)0.02 g(即天平精度的2 倍)時(shí)，認(rèn)為此時(shí)樣品完全烘干，此時(shí)，烘干質(zhì)量記為mdi(i=1～8)。由于m03、m04、m07、m08相當(dāng)于樣品浸水飽和時(shí)質(zhì)量，采用式(1)和式(2)，計(jì)算得到樣品的孔隙水飽和度。

圖3 濕度測(cè)量Fig. 3 Moisture measurement

圖4 混凝土浸水Fig. 4 Concrete immersion

圖5 樣品Fig. 5 Sample

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試件內(nèi)部相對(duì)濕度和含水率

試驗(yàn)獲得混凝土試件內(nèi)部濕度、各樣品初始質(zhì)量m0和烘干質(zhì)量md，通過(guò)式（1）計(jì)算獲得混凝土樣品的含水率，測(cè)量及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)結(jié)果Tab. 3 Test results

由表3 可見(jiàn)：

(1)當(dāng)8 個(gè)混凝土試件在(20±2) ℃養(yǎng)護(hù)室絕濕養(yǎng)護(hù)27 d 時(shí)，將溫濕度傳感器插入PVC 管內(nèi)，進(jìn)行試件內(nèi)部相對(duì)濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，溫濕度傳感器測(cè)值在短時(shí)間內(nèi)即由實(shí)驗(yàn)室環(huán)境濕度上升到相對(duì)濕度100%，并保持不變。而且第一組試件（1#、2#、5#、6#）由于一直處于絕濕狀態(tài)，在接下來(lái)的31 d 連續(xù)內(nèi)部濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，相對(duì)濕度一直保持100%。

(2)當(dāng)?shù)诙M試件（3#、4#、7#、8#）浸水30 d 后，再次插入溫濕度傳感器進(jìn)行內(nèi)部相對(duì)濕度監(jiān)測(cè)時(shí)，溫濕度傳感器測(cè)值同樣在短時(shí)間內(nèi)即由實(shí)驗(yàn)室環(huán)境濕度上升到相對(duì)濕度100%，并保持不變。

(3) 0.5 水膠比不摻粉煤灰的28 d 齡期混凝土，浸水30 d 飽和后，其內(nèi)部含水率上升了0.9%；0.5 水膠比摻35%粉煤灰的28 d 齡期混凝土，浸水30 d 飽和后，其內(nèi)部含水率上升了2.3%。這主要是由于混凝土高摻粉煤灰后，水化反應(yīng)減緩，在前期絕濕養(yǎng)護(hù)的情況下，孔隙率增大[14]，導(dǎo)致混凝土浸水飽和后，內(nèi)部含水率增量較大。

3.2 混凝土孔隙水飽和度

對(duì)于浸水飽和的混凝土，其孔隙水飽和度為100%；而一直進(jìn)行濕度測(cè)量處于絕濕狀態(tài)的混凝土，其孔隙水飽和度顯然不為100%。在第二組浸水的試件中，由于試件間的孔隙結(jié)構(gòu)存在一定差異，浸水30 d 結(jié)束后，同一配合比的兩個(gè)試件的含水率并不相同，在進(jìn)行孔隙水飽和度計(jì)算時(shí)，取其中較大的含水率為該配合比下混凝土浸水飽和時(shí)的含水率，分別對(duì)應(yīng)著3#和7#混凝土試件，從而通過(guò)式（2）計(jì)算得到不同含水率混凝土對(duì)應(yīng)的孔隙水飽和度。每個(gè)混凝土試件的孔隙水飽和度如表4 所示。

表4 混凝土孔隙水飽和度與內(nèi)部相對(duì)濕度Tab. 4 Concrete pore water saturation and internal relative humidity單位：%

由表4 可見(jiàn)，當(dāng)混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度為100%時(shí)，不摻粉煤灰的混凝土，其孔隙水飽和度為85%～100%；而摻35%粉煤灰的混凝土，其孔隙水飽和度為73%～100%。這說(shuō)明混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度100%對(duì)應(yīng)孔隙水飽和度不唯一。究其原因?yàn)?，高水膠比混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度雖然為100%，但由于其內(nèi)部大毛細(xì)孔較多，內(nèi)部孔隙并未被水分完全填充，導(dǎo)致孔隙水飽和度并不為100%，而混凝土浸水后，內(nèi)部孔隙逐漸被水分填充，導(dǎo)致孔隙水飽和度增加，但內(nèi)部相對(duì)濕度維持在100%。

絕濕狀態(tài)下，不摻粉煤灰的混凝土的孔隙水飽和度為85%～89%，而摻35%粉煤灰的混凝土的孔隙水飽和度相對(duì)較小，為73%～76%。分析認(rèn)為，主要原因是高摻粉煤灰降低了水泥的水化反應(yīng)程度，增大了混凝土的總孔隙率[15-16]、總孔隙中有害孔及多害孔的比例[8,17]，使孔隙內(nèi)部不易產(chǎn)生毛細(xì)管凝聚現(xiàn)象，最終導(dǎo)致混凝土內(nèi)孔隙水飽和度減小。雖然粉煤灰存在二次反應(yīng)會(huì)降低孔隙率，但是由于本次試驗(yàn)混凝土齡期在60 d 以?xún)?nèi)，此時(shí)二次反應(yīng)十分有限，對(duì)混凝土孔隙率的影響較小。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)大壩混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度100%和孔隙水飽和度100%的相關(guān)性問(wèn)題，在室內(nèi)設(shè)計(jì)開(kāi)展了0.5 水膠比不同粉煤灰摻量的大壩混凝土試件的濕度監(jiān)測(cè)和孔隙水飽和度測(cè)試，通過(guò)對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：

（1）絕濕狀態(tài)的0.5 水膠比大壩混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度一直保持為100%；對(duì)于0.5 水膠比不摻粉煤灰的28 d 齡期大壩混凝土，浸水30 d 飽和后，其內(nèi)部含水率上升了0.9%；0.5 水膠比摻35%粉煤灰的28 d 齡期大壩混凝土，浸水30 d 飽和后，其內(nèi)部含水率上升了2.3%。

（2）當(dāng)混凝土內(nèi)部濕度為100%時(shí)，不摻粉煤灰與摻35%粉煤灰的混凝土的孔隙水飽和度分別為85%～89%和73%～76%。即大壩混凝土孔隙水飽和度100%對(duì)應(yīng)于內(nèi)部相對(duì)濕度100%，而內(nèi)部相對(duì)濕度100%不是唯一對(duì)應(yīng)孔隙水飽和度100%。此外，絕濕狀態(tài)下?lián)?5%粉煤灰的混凝土，其孔隙水飽和度要小于不摻粉煤灰的混凝土。