冻融循环过程中混凝土内部温度－相对湿度关系

侯云芬，司武保，王 玲，吴越恺，王振地

（1.北京建筑大学 土木与交通工程学院，北京 100044；2.北京建筑大学 北京市高校工程结构与新材料工程研究中心，北京 100044；3.中国建筑材料科学研究总院，北京 100024）

混凝土中的湿度变化对混凝土耐久性影响很大.大量研究［1－8］表明：混凝土的开裂主要是由非荷载因素引起的，其中湿度变化导致的塑性收缩、干缩及自干燥是开裂的主要原因.一般混凝土表面干缩较大，而自收缩则相对均匀地分布在混凝土内部.因此，许多研究者针对混凝土内部湿度分布特点、湿度随养护龄期的变化、湿度变化对混凝土体积变形及强度等的影响、不同强度等级和不同骨料对混凝土湿度分布的影响以及湿度测定方法等进行了研究.另外的研究还发现，混凝土内部湿度的变化也会对混凝土的微观结构造成影响.但是，以上各项关于混凝土内部湿度的研究主要是基于常温条件，检索发现，有关在冻融作用下混凝土湿度变化的研究成果几乎为零.在冻融循环作用下，随着温度的变化，尤其是在结冰过程和冰晶融化过程中，混凝土中的湿度分布及其变化规律、湿度变化与混凝土孔结构和孔溶液的关系等等都是十分重要的.为此，本文研究了冻融循环过程中混凝土内部温度－相对湿度（以下简称为湿度）关系，获得该条件下的湿度分布规律，为进一步研究湿度变化对混凝土其他性能的影响提供借鉴.

1 原材料与试验设计

1.1 原材料

为了控制材料对试验结果的影响，本文采用传统混凝土配制方法，即不加掺和料和外加剂.原材料为：42.5普通硅酸盐水泥，其性能见表1；Ⅱ区中砂，细度模数为2.6；碎石，颗粒级配为5～20mm.

表1 水泥技术性能Table 1 Properties of cement

1.2 试验设计

1.2.1 配合比

为了比较混凝土的孔隙率和孔隙特征对冻融循环作用下混凝土内部温度－湿度关系的影响，设计3组边长100mm 的立方体混凝土试件，其配合比见表2.制作好的试件标准养护1d后拆模，继续标准养护至28d.

1.2.2 传感器选择及布置

试验中需要在混凝土试件内部埋设温度、湿度传感器来收集混凝土内部湿度随温度的变化情况.混凝土试件需经过浇注成型、养护脱模和后期测试等环节，所以在选择与试件匹配的传感器时主要考虑传感器埋设的稳定性与可操作性，以及数据传递的准确性和及时性.

表2 混凝土试件配合比Table 2 Mix proportion of concrete specimen

（1）选择JWSM－6 系列防爆型温湿度传感器，其温度量程为－20～60℃，准确度为±0.5℃；湿度量程为0%～100%，准确度为±3%.传感器探头部分为棒状，外径约12mm，材质为复合金属材料，能够与试件浇注时预留的PVC外套管相匹配；另外在传感器探头外部加装固定橡胶套以便与外套管紧密连接，从而达到将其固定在混凝土试件内任意深度的要求.传感器探头与外加套管之间的连接情况如图1所示.

图1 传感器探头与外加套管的连接Fig.1 Join of sensor probe with outer drivepipe（size：mm）

（2）为研究混凝土内部不同深度处的湿度分布情况，在试件的竖直方向上，传感器埋设深度分别为距试件上表面16.7，33.3，50.0mm；水平方向上则是位于试件中心处，见图2.

图2 传感器布置图Fig.2 Arrangement diagram of digital sensor（size：mm）

1.2.3 湿度计算

混凝土是固、液、气三相结合体，在冻融循环的温度变化范围内，混凝土的固相部分变化很小，而液相会有很大变化，并导致其气相发生变化，所以通过测定混凝土内部空气的相对湿度来表征其内部湿度随温度的变化.因此，混凝土内部湿度RH 的计算式为：

式中：p1为湿空气中的水蒸气分压力；p2为相同温度下水的饱和压力.

1.2.4 冻融循环试验

采用中国建筑材料科学研究总院自行研制的混凝土耐久性研究多功能试验机对标准养护28d的试件进行冻融试验，在冻融循环试验过程中同时监测试件内部的温度和湿度变化.因为常规快速冻融循环试验所用试件高度为300mm，本试验采用的是边长100mm 的立方体试件，所以先在橡胶套筒中放置2块立方体试块，然后将预埋有温湿度传感器的试件放在最上面且高出液面10mm，即试件上表面处于空气中，属于气冻状态，下面部分处于水中.

试验设定的冻融循环温度区间为－15～10℃.

2 试验结果与分析

2.1 冻融循环作用下混凝土内部温度－湿度关系曲线

图3为经历n次（n＝5，10，15，20，25）冻融循环的R1组试件在内部深度为16.7，33.3，50.0mm 处的温度－湿度曲线.

图3 经历不同冻融循环次数的R1组试件在内部不同深度处的温度－湿度曲线（上半部为降温段，下半部为升温段）Fig.3 Temperature－humidity curves at different depths for R1specimen with different freezing and thawing cycles（upper half is freezing period，lower half is thawing period）

由图3可见，经历不同冻融循环次数的R1 组试件，其内部湿度均随着温度的变化呈现出一定的变化规律.根据温度－湿度曲线的变化趋势，可以将该曲线划分为4个阶段，定义为降温增湿段、降温降湿段、增温增湿段和增温降湿段.

在降温增湿段，混凝土内部孔隙中充满液态水，由于体系温度下降，使其饱和蒸汽压降低，进而使测得的湿度增大.当温度降到－5～－10℃时，试件内部湿度变化出现了转折，可以认为是混凝土中毛细孔水开始结冰，使孔隙中液态水含量开始降低所致，因而认定湿度转折点所对应的温度就是混凝土内部水的结冰温度.此后随着温度继续降低至－15 ℃（降温降湿段），存在于较小孔隙中的水分也开始结冰，混凝土内部液态水含量迅速减小，湿度呈现迅速下降的趋势，由原来的97%左右降低到91%左右（见图3（c））.

观察发现，混凝土内部的结冰温度并不是水的理论冰点（即0℃），而是－5～－10℃，即出现了过冷现象.原因是混凝土内部存在着大量的微小孔隙，其中的水分要在0℃以下才会结冰；另外，混凝土孔隙中的水分是含有各种离子（如钙离子、硫酸根离子、氢氧根离子等）的盐溶液，这也导致了过冷现象的出现.

温度为－15～－5 ℃时属增温增湿段.此时试件内部湿度随温度升高而增大.在此温度范围内，尽管混凝土内部孔隙的水分仍然以冰的形态存在，但由于温度升高，混凝土内部气相的水汽压增大，而其饱和蒸汽压仍不变，从而使测得的湿度值呈现随温度升高而增大的趋势.

温度为－5～0℃时属增温降湿段.此时混凝土中的冰开始融化，使其内部湿度状态发生改变，湿度曲线出现了转折，这一温度可以认为是混凝土中冰晶的融化温度.随着温度逐渐升高，孔隙中大量的冰相继融化，使混凝土内部的水分含量增多，液态水的数量也相对稳定，所以湿度基本恢复到冻融循环开始时的状态.又因为孔径越大的孔中水的结冰温度越高，孔径越小的孔中水的结冰温度越低，所以随着温度升高，不同孔径中的冰逐渐融化，在一定程度上有连续性，导致试件湿度不断增大.

综上所述，可以通过冻融循环过程中试件内部湿度随温度变化的转折点来确定经历冻融循环的混凝土中水分结冰和冰晶融化温度.

2.2 冻融循环过程中湿度在不同深度处的分布特点

比较图3（a）～（c）可以发现，随着深度的增大，经历不同冻融循环次数的试件湿度整体表现出增大的趋势.为了进一步比较，将R1组试件在不同深度处的最大湿度（对应于结冰温度）平均值RH1和最小湿度（对应于试验设置的最低温度）平均值RH2列于表3.

表3 R1组试件在不同深度处的湿度平均值Table 3 Humidity of R1specimen at different depths

由表3 可见，与16.7 mm 深度相比，深度为33.3mm 和50.0mm 处的最大湿度平均值分别增加了2.3%和6.8%，最小湿度平均值增加了5.4%和10.2%.因为在冻融试验时，试件的表面处于气冻状态，并没有浸泡在液体中，所以距离试件表面越近湿度值越低，即试件内部孔隙的充水程度越低；在试件深处的湿度值较大，孔隙的充水程度较高.

图3（a）的温度－湿度曲线与图3（b），（c）相比略有差异.分析认为，这一方面是和温湿度传感器的埋置深度有关，当埋置深度较浅时，测定结果会受试件成型时的影响而波动较大，当深度达50.0mm 时，传感器埋置的稳定性更好，测定结果更为稳定；另一方面，由于试件表面处于空气中，受空气湿度影响较大，这也会使测定结果出现差异.

研究发现水灰比为0.5和0.6的R2，R3组试件的温度－湿度曲线也有类似变化，即在传感器埋置深度较浅的位置，试件的温度－湿度曲线出现了异常.

总体而言，虽然个别冻融循环曲线出现了差异，但总的曲线变化趋势基本一致，即冻融循环过程中，试件内部的温度－湿度变化符合4个阶段规律.

2.3 水灰比对冻融循环过程中温度－湿度关系的影响

R1，R2，R3 组试件在16.7，50.0mm 深度处，冻融循环第1次时的温度－湿度曲线见图4.

图4 第1次冻融循环时3组试件的温度－湿度曲线（上半部为降温段，下半部为升温段）Fig.4 Temperature－humidity curves of 3groups of specimens for the 1st freezing and thawing cycle（upper half is freezing period，lower half is thawing period）

由图4可见，试件的湿度随着水灰比的增大而增大，且试件的结冰温度和融化温度也呈现增大的趋势.如16.7mm 深度处R1，R2和R3这3组试件的结冰温度分别约为－12，－10，－8 ℃，融化温度分别约为－5，－3，0℃.

水灰比的增大必然会使试件的孔隙率增大，孔隙尺寸增大.表4为通过压汞试验测得的试件冻融前和经历25次冻融循环后的孔隙率和孔径数据.大孔数量的增大会使试件结冰和融化温度提高.

进一步观察图4可以发现，在相同温度下，水灰比为0.4的R1组试件湿度值较小.由表2可知，水灰比为0.4的混凝土，其用水量为151kg／m3，远少于另2组试件.在纯水泥配比中，标准养护28d内，由于水泥的水化程度很高，使得混凝土内部水分很少，湿度很低.由张君等［6］的研究可知，相对湿度被认为是混凝土自收缩和干缩的统一内因.可以推定，水灰比小的混凝土，由于其内部湿度较低，毛细孔的充水程度达不到饱和状态，所以在受冻时产生的冻胀作用较小，但是内部湿度的降低会增大其自收缩量.综合以上分析认为，对于水灰比（或水胶比）小的混凝土（或单位用水量少的混凝土），由于其内部湿度低，毛细孔的充水程度低，由自干燥产生的自收缩影响程度可能会大于受冻时产生的冻胀应力的影响程度，对于这类混凝土建议更多地考虑自收缩的影响.

表4 冻融前后试件的孔结构Table 4 Pore structure of specimens before and after freezing and thawing cycles

3 结论

（1）在降温过程中，随着混凝土温度降低其湿度增大，当湿度出现转折表现为降低趋势时，表明混凝土内部开始结冰；在升温过程中，随着混凝土温度升高其湿度增大，当湿度出现转折表现为降低趋势时，表明混凝土内部的冰晶开始融化.

（2）根据冻融循环过程中湿度的变化，可以确定混凝土的结冰温度和融化温度.据此特点可以将温度－湿度关系划分为4个阶段，即降温增湿段、降温降湿段、增温增湿段和增温降湿段.

（3）当混凝土的水灰比相同时，随着深度的增大，试件内部的湿度值增大，且孔隙的充水程度越大，受到的冻胀作用越大.

（4）试件湿度随着水灰比的减小而降低，且其结冰温度和融化温度呈现减小的趋势.低水灰比混凝土内部较低的湿度可能会导致更大的自收缩和较小的冻胀作用力.

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