不同强度等级混凝土等温干燥脱水规律

韩进生, 李宗利, 张国辉, 谭 聪, 韩金家

(1.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院， 陕西 杨凌 712100；2.昆明理工大学 电力工程学院， 云南 昆明 650500)

混凝土内部湿度大小对其力学性能具有显著影响[1].在SL 352—2006《水工混凝土试验规程》和GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》等相关标准规定中，试件从标准养护室取出后应立即进行测试，即意味着一般混凝土的强度是从湿态的试件获取的；在试件取出后，测试前应采用湿布覆盖、防止干燥，说明试件内部的湿度变化会引起强度的变化.在研究混凝土内部湿度效应时需要得到干基混凝土，但是规范并没有给出具体的干燥温度和干燥方式，造成研究者所采用的干燥条件各不相同，势必引起研究结果的差异.张永亮[2]将混凝土试件自然风干后测试其力学性能.宋来忠等[3]将试件放入烘箱，分别采取50℃和100℃烘烤1d后再进行水饱和处理.王海龙等[4]将饱水试件先用50℃的温度烘烤1d，然后分别升温至65℃和75℃烘烤3d，最后在85℃下烘烤至恒重.刘保东等[5]在45℃下将混凝土烘干至恒重.李鑫鑫[6]先将混凝土分别在 30℃ 和50℃下干燥2d，然后在110℃下干燥至恒重.冯驰等[7]在研究加气混凝土等温吸湿曲线时，将试件分别在70℃和105℃下烘干至恒重.Yurtdas等[8]采用的干燥温度为60℃，而Cadoni等[9]采用 50℃.以上表明，实际研究中确实没有统一的干燥标准，而不同干燥过程对混凝土的强度会造成影响.张国辉等[10]建议105℃为最佳干燥温度，但其研究对象仅针对C20混凝土，并不能覆盖工程上常用的混凝土强度等级.不同强度等级的混凝土孔隙率及孔隙结构不同，其饱和含水率也存在差异.本文采用不同温度对不同强度等级的混凝土开展干燥脱水试验，分析了干燥失水变化规律及其作用机理，为混凝土加热干燥工艺设计提供参考.

1 试验

1.1 原材料

1)文中涉及的用水量、含泥量等均为质量分数.

水泥：陕西冀东水泥厂产“盾石”牌P·O 42.5R级普通硅酸盐水泥，标准稠度用水量1)28.78%；初、终凝时间分别为3.7，5.7h；28d抗压、抗折强度分别为49.30，8.43MPa.砂：陕西渭河砂场的天然中砂，细度模数2.75，堆积密度1771.67kg/m3，表观密度2.56g/cm3，含泥量1.2%.粗骨料：陕西渭河卵石，粒径5～20mm，堆积密度1648.71kg/m3，表观密度2.62g/cm3，含泥量0.33%.减水剂：青岛虹夏聚羧酸高效减水剂.粉煤灰：河南蓝科Ⅱ级粉煤灰，密度2.34g/cm3，勃氏比表面积360m2/kg，含水量0.5%，烧失量2.34%；三氧化硫含量2.14%，氧化钙含量9.80%，二氧化硅含量51.49%，三氧化二铝含量24.36%，三氧化二铁含量5.49%.

1.2 试验仪器及试件制备

天津市试验仪器厂产电热恒温鼓风干燥箱；电子天平，精度为 1.0g.混凝土试件为 100mm×100mm×100mm的立方体，标准养护，拌和过程按SL 352—2006《水工混凝土试验规程》进行，混凝土强度等级分别为C20，C30，C40，C50，配合比及主要参数见表1.

1.3 试验设计与方法

将标准养护28d的混凝土试件按照强度等级分为40组，每组6块试件，其中20组作为对照组，20组作为试验组.对照组试件进行破碎处理，每个破碎块直径不大于2倍的最大骨料粒径，将对照组破碎块装入托盘后均匀平铺，进行干燥，称量时注意不要将破碎块抛洒出.分别在不同温度下干燥试验组和对照组试件，干燥前用干布将试件表面的水擦拭干净后测量其质量并记录数据.

干燥方式为持续干燥，干燥温度(θ)分别为60，80，105，120，150℃.干燥箱达到预设温度后，将试件放置于其中的不锈钢网板上，每层2组，试件间隔 100mm 均匀放置.干燥前期每隔1h测量1次试件质量，结果取6块试件的平均值，测量在10min内完成；后期每隔4h测量1次，直至试件达到完全干燥状态.对照组适当延长测量时间间隔，以减少因测量过程导致的误差.定义失水率(wL)为试件失水量和失水前总质量之比，干燥速率为试件在单位时间和单位面积内蒸发的水分质量，单位为kg/(h·m2).

2 结果及分析

2.1 混凝土干燥速率分析

以150℃干燥条件为例，各强度等级试件的干燥速率随干燥时间的变化如图1所示.

图1 150℃下不同强度等级混凝土的干燥速率曲线Fig.1 Drying rate curves of concretes with different strength grades at 150℃

由图1可知，不同强度等级混凝土的干燥速率随干燥时间的变化规律基本一致，可将其分为3个阶段(以C50混凝土为例)：(1)AB段为升速干燥阶段，该阶段混凝土吸收的热量一部分用于加热混凝土，使得混凝土温度升高，另一部分用于将混凝土表层的水分蒸发，随着干燥时间的延长，干燥速率逐渐增大并在B点达到最大值，升速干燥阶段的持续时间约为3h；(2)BC段为降速干燥阶段，随着干燥的进行，混凝土表层水分已经基本蒸发，水分蒸发面逐渐向内部移动，混凝土内部由于干燥路径增长，阻力增大，内部水分迁移到表面的速率越来越小，且小于水分在表面的蒸发速率，因此C点的干燥速率仅为B点干燥速率的1%；(3)CD段为基本干燥阶段，此阶段混凝土干燥速率极低且数值保持不变，D点的干燥速率约为0.0007kg/(h·m2).若定义混凝土干燥速率小于0.001kg/(h·m2)时为完全干燥状态，则混凝土试件在D点已达到完全干燥状态.

在不同干燥温度θ下，不同强度等级混凝土达到完全干燥状态所需时间(td)、总失水量、失水率、最大干燥速率以及对照组失水率见表2.由表2可见，试验组与对照组试件的失水率基本吻合，可以认为试验组已经完全干燥.

表2 混凝土试件干燥结果

不同强度等级、不同干燥温度混凝土湿基含水率随干燥时间变化的规律如图2，3所示.

由表2和图2可知，混凝土强度等级越高，完全干燥所需时间越长，总失水量越少，最大干燥速率越小.以150℃为例，C20混凝土完全干燥所需时间、总失水量和最大干燥速率分别是C50混凝土的0.53，1.40和2.11倍.

结合表2和图3可知，干燥温度越高，混凝土完全干燥所需时间越短，总失水量越多，最大干燥速率越大.以C20混凝土为例，其在150℃下完全干燥所需时间、总失水量和最大干燥速率分别是在60℃下干燥时的0.08，1.42和11.88倍.

图2 150℃下不同强度等级混凝土的湿基含水率变化Fig.2 Moisture content variation of concretes with different strength grades at 150℃

图3 不同干燥温度下C20混凝土的湿基含水率变化Fig.3 Moisture content variation of C20 concrete under different drying temperatures

2.2 干燥时间变化规律

不同强度等级混凝土完全干燥所需时间td与干燥温度θ的关系如图4所示.

图4 不同强度等级混凝土完全干燥所需时间与干燥温度的关系Fig.4 Relationship between completely drying time and drying temperature of concretes with different strength grades

结合表2和图4可知：对于相同强度等级的混凝土，干燥温度越高，完全干燥所需时间越短；相同干燥温度下，混凝土强度等级越高，完全干燥所需时间越长.当干燥温度为60℃时，不同强度等级混凝土完全干燥所需时间均在400h以上，远高于其他干燥温度下的完全干燥所需时间；当干燥温度在120℃以上时，混凝土完全干燥所需时间均小于100h，且不同强度等级混凝土完全干燥所需时间差异较小，各级之间的差异值均小于24h.

水分蒸发是吸热过程，在标准大气压下，1mol水分在一定温度下蒸发所需的热量称为蒸发热.蒸发热与蒸发时的温度和压强有关，在相同大气压下，等质量的液体蒸发时，温度越高，所需热量越少.因此，在相同大气压下，相同强度等级的混凝土在干燥时，干燥温度越高，水分吸热速率越快，且水分蒸发所需热量越少，完全干燥所需时间越短.在相同干燥温度下，混凝土中水分吸热速率和所需热量相同，但是由于混凝土强度等级提高，其内部密实度加大，缺陷量减少，水分从混凝土内部排出时所遇到的阻力增大，因此完全干燥所需时间增加.对不同干燥温度下混凝土完全干燥所需时间进行拟合，得到完全干燥所需时间td和干燥温度θ的经验计算公式如下：

C20：td=39.43501+13525.96×0.94273θ，

R2=0.998

(1)

C30：td=50.56242+13797.30×0.94290θ，

R2=0.993

(2)

C40：td=61.77485+16005.76×0.94254θ，

R2=0.991

(3)

C50：td=72.25158+15840.18×0.94485θ，

R2=0.986

(4)

2.3 混凝土完全干燥时失水率变化的分析

通过试验发现，不同干燥温度下混凝土完全干燥时的失水率存在差异.由表2可知：随着干燥温度θ的升高，混凝土达到完全干燥时的失水率逐渐增大；60℃下干燥所失去的水分最少，C20，C30，C40，C50混凝土在60℃下达到完全干燥时的失水率分别为150℃下的0.72，0.71，0.63，0.63倍.

不同干燥温度下混凝土失水率的差异是由于脱水的形式不同造成的，下面从2个方面给予解释.

一方面，混凝土内不同类型的水分脱水温度不同.混凝土中的水分存在形式主要有结晶水、吸附水和自由水3种形式[11].其中自由水与普通水的性质相同，吸收一定的热量即可蒸发；吸附水可分为凝胶水和毛细孔水，其结合力较弱，脱水温度也较低；结晶水按照其结合力的强弱可以分为强结合水和弱结合水，强结合水只有在较高温度下晶格破坏时才能脱去，而部分弱结合水在100～200℃下即可脱去[12-13].混凝土的干燥过程主要是胶凝材料部分脱水的过程，粗细骨料基本不发生变化.硅酸盐水泥水化产物主要为水化硅酸钙凝胶(C-S-H)、氢氧化钙(CH)和钙矾石(AFt)等.在水泥净浆中氢氧化钙约占水化产物总质量的20%，其脱水温度一般为400～500℃[14]，因此在本文研究温度范围内氢氧化钙不会脱水.关于钙矾石的相关研究表明[13]，在50℃时其有少量结晶水脱出，在74℃左右时其脱水相当强烈，该温度虽在本文设计的干燥温度区间内，但由于钙矾石含量低于7%，因此可忽略其脱水量对结果的影响.水化硅酸钙凝胶约占水化产物总质量的70%，有文献表明[15]，水化硅酸钙凝胶是水泥浆体中最早受温度影响的固相，且在80℃以后就开始发生变化，其结晶水脱落发生在 100℃ 左右[15].另外，水化硅酸钙凝胶是无定形结构，原材料、配合比、龄期和尺寸等因素的不同都会造成其成分与结构上的差异，从而影响到其脱水温度及在不同温度下的脱水程度[16]，但是其开始脱水时的温度相差不大.因此在本文研究的温度范围内，结晶水的脱去主要发生在水化硅酸钙凝胶中.

另一方面，通过混凝土差热-热重试验结果进行验证.Zhang等[17]对与C20混凝土相同水灰比的水泥净浆进行差热-热重分析得出：当干燥温度为 67～71℃ 时，混凝土中的物理水(自由水和吸附水)蒸发扩散，质量损失约为水泥净浆总质量的21%，由于水泥净浆质量与混凝土总质量之比为0.1757，所以失去的这部分水分约为混凝土总质量的3.69%；当干燥温度为100℃左右时，混凝土中的部分弱结合水开始脱落.本试验中，C20混凝土在干燥温度为60，80℃时的失水率分别为3.54%和3.89%，试验结果与文献[17]基本吻合，因此可以认为当干燥温度为60～80℃ 时，混凝土干燥失去的水分为自由水和吸附水.

混凝土作为多孔介质材料，其水分迁移过程十分复杂，因此很难用一种比较通用的机理来解释.本文初步运用修正Page模型Ⅱ[18]对试验数据进行拟合，得到干燥温度为150℃时C20混凝土湿分比MR(某时刻脱去的自由含水率与初始总自由含水率的比值)与干燥时间t的拟合曲线，如图5所示.

图5 150℃下C20混凝土干燥过程与修正Page模型Ⅱ的拟合曲线Fig.5 Drying process of C20 concrete and modified Page model Ⅱ fitting curve at 150℃

从图5可以看出，修正Page模型 Ⅱ 适用于C20混凝土在150℃下的干燥过程描述，其相关系数R2为0.991.以C20混凝土在150℃下的干燥过程为基准，引入温度系数α1，α2和强度等级系数β，对修正Page模型Ⅱ进行修正，得到适用于混凝土的干燥模型：

MR=α1aexp(-α2βktn)

(5)

式中：a，k和n为与干燥介质有关的经验常数，分别取1.04，0.24和1.

经过多次数据拟合，得到不同强度等级混凝土干燥模型的参数，见表3.

表3 混凝土干燥模型参数

根据不同干燥温度、不同强度等级混凝土的干燥试验数据，对上述模型进行验算，所得结果与试验数据拟合度较高，相关性较强，因此式(5)可以作为C20～C50混凝土在60～150℃下的干燥模型，为预估各时段混凝土含水率提供依据.

3 结论

(1)不同干燥温度下，不同强度等级混凝土的干燥脱水规律基本相同，均分为3个阶段：升速干燥阶段、降速干燥阶段和基本干燥阶段.升速干燥阶段一般持续3h，与混凝土强度等级无关.

(2)相同干燥温度下，混凝土强度等级越高，干燥速率越小，完全干燥所需时间越长，总失水量越少；混凝土强度等级相同时，干燥温度越高，干燥速率越大，完全干燥所需时间越短，总失水量越多.

(3)不同干燥温度下混凝土失水率的不同是由于失去水分的形式不同造成的：80℃以下干燥时，主要是自由水和吸附水失去；80℃以上干燥时，部分结晶水开始脱去，且干燥温度越高，脱去的结晶水越多.基于修正Page模型Ⅱ，考虑干燥温度和混凝土强度等级的影响，得到了适用于C20～C50混凝土在60～150℃下的干燥模型.