大坝混凝土内部相对湿度与孔隙水饱和度关系

费大伟，黄耀英，丁 倩，夏世法，包腾飞

(1. 三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2. 中国水利水电科学研究院 材料研究所，北京 100038；3. 河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098)

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，在研究混凝土吸湿-脱湿特性时，常需要建立相对湿度和孔隙水饱和度之间的吸湿-脱湿关系曲线[1]。目前，关于混凝土外部环境湿度和孔隙水饱和度的关系，多是表现为环境相对湿度100%对应孔隙水饱和度100%[2-6]。然而，混凝土耐久性能的退化取决于混凝土的内部微环境，因此需要研究混凝土内部微环境相对湿度和孔隙水饱和度的关系。从已有的研究来看，混凝土内部环境湿度和孔隙水饱和度的关系并不等同于混凝土外部环境湿度和孔隙水饱和度的关系，即混凝土内部相对湿度100%并不对应孔隙水饱和度100%。张庆章等[1]预测了不同温度下相对湿度、毛细压力与饱和度之间的关系，并给出了水灰比为0.43 混凝土在20～80 ℃下的排湿曲线，表明孔隙内部相对湿度100%时，混凝土孔隙水饱和度为50%～100%。Jiang 等[7]通过试验获得了水胶比0.48～0.68 的混凝土在10～45 ℃下孔隙水饱和度与内部相对湿度的关系曲线，可得混凝土内部湿度接近100%时，孔隙水饱和度基本在80%左右。鲁彩凤等[8]通过试验验证了不同强度等级混凝土内部微环境相对温湿度、粉煤灰掺量与孔隙水饱和度之间的关系，结果表明混凝土内部湿度100%时，孔隙水饱和度均未达到100%，最低仅为50%。

大坝混凝土是一种贫胶凝材料（胶凝材料为100～300 kg/m3），工程中为了降低坝体混凝土内部水化热及节约成本，在配合比设计时常高掺粉煤灰来代替水泥，因此大坝混凝土与结构工程中使用的高性能混凝土的内部孔隙结构存在较大差异。混凝土大坝长期运行后，坝体上游面会形成稳定渗流场，而由于混凝土的水分扩散系数比导温系数小（后者为前者的1 200～1 600 倍），坝体下游面一定深度处的内部相对湿度常年保持为100%，那么对于大坝混凝土内部相对湿度与孔隙水饱和度的关系是否也呈现出上述规律，针对这个问题，本文结合0.5 水胶比的大坝混凝土，开展混凝土内部相对湿度监测和孔隙水饱和度测试。

1 物理量概念

1.1 混凝土内部相对湿度

绝对湿度指单位体积的空气中含有的水汽量（g/m3）。温度对绝对湿度有着直接影响，一般情况下，温度越高，蒸发得到的水蒸气越多，绝对湿度就越大；反之绝对湿度越小。

饱和绝对湿度指在一定温度下，单位体积的空气中所能容纳的最大水汽量。如果超过最大水汽量，多余的水蒸气就会凝结，变成水滴。空气的饱和绝对湿度不是固定不变的，随温度的变化而变化。温度越高，单位体积空气中能容纳的水蒸气就越多，饱和绝对湿度就越大。

混凝土内部相对湿度[9]是指混凝土内部孔隙中的绝对湿度与同温度下的饱和绝对湿度的比值，代表着空气中水蒸气的饱和度。相对湿度为100%的空气就是水蒸气饱和的空气。

1.2 混凝土含水率

混凝土含水率指混凝土中所含水分质量与混凝土干燥状态下质量的比值[10-13]，以百分数表示，即

式中：Wi为混凝土i 时刻含水率；mi为混凝土i 时刻质量（g）；md为混凝土烘干后的质量（g）。

1.3 混凝土孔隙水饱和度

混凝土孔隙水饱和度[7]是指混凝土孔隙中水的体积与孔隙体积的比值。通常用任意湿度状态下混凝土的含水率Wi与饱和状态下混凝土的含水率Ws之比计算得到，以百分数表示，即：

式中：Si为混凝土i 时刻孔隙水饱和度；Wi为混凝土i 时刻含水率；Ws为混凝土浸水饱和时的含水率。

2 大坝混凝土内部相对湿度与孔隙水饱和度试验

2.1 原材料及配合比

试验采用的水泥为葛洲坝水泥厂生产的P·O 42.5 华新牌普通硅酸盐水泥；粉煤灰为宜昌地区生产的F 类II 级粉煤灰；细骨料为宜昌地区长江口的细砂，细度模数为2.03，含水率为3.27%；粗骨料为花岗岩碎石，粒径为5～40 mm，其中小石粒径5～20 mm，中石粒径20～40 mm，小石与中石的质量比为40∶60；减水剂为青岛虹厦生产的聚羧酸高效减水剂，质量掺量为0.65%。混凝土配合比采用中国西南某典型混凝土高坝工程二级配混凝土，其中，水胶比为0.5，砂率34%，粉煤灰掺量0 和35%，具体见表1。

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

2.2 试验仪器

采用大连北方测控工程有限公司生产的DB485 型温湿度传感器监测混凝土内部湿度，湿度监测范围为0～100% ，误差为±1%；温度测量范围为−40～120 ℃，误差为±0.5%，温湿度传感器采用北方测控温湿度监测系统，其监测工作界面见图1 所示。采用上海跃进医疗器械有限公司生产的电热恒温鼓风干燥箱对砂浆样品进行烘干，烘箱型号GZX-GF101-3-BS-II/H，最高工作温度300 ℃，如图2 所示。

图1 温湿度采集界面Fig. 1 Temperature and humidity collection interface

图2 干燥箱Fig. 2 Drying oven

2.3 试验方案

为了研究大坝混凝土内部相对湿度100%和孔隙水饱和度100%是否具有唯一对应关系，设计成型了8 个0.5 水胶比的大坝混凝土试件，其中，4 个试件不掺粉煤灰，4 个试件掺35%粉煤灰，如表2 所示。当试件在（20±2）℃养护室中养护27 d 后，将试件分为两组，一组未浸水，测试绝湿状态下的相对湿度和孔隙水饱和度；另一组浸水，测试饱和状态下的相对湿度和孔隙水饱和度，以方便进行对比分析。

表2 大坝混凝土试验方案Tab. 2 Test schedule of dam concrete

详细试验步骤如下：

Step1：材料准备。准备试验所需的原材料、模具(内尺寸150 mm×150 mm×150 mm)、PVC 管、铝棒等，并对温湿度传感器进行率定。PVC 管管长100 mm，外径20 mm，壁厚1 mm，提前在PVC 管外壁75 mm 处做好标记，确定PVC 管的植入深度。

Step2：试件成型及养护。试件成型后，将PVC 管植入边长为150 mm 立方体的几何中心处(植入深度75 mm)，为了防止水泥浆涌入PVC 管内部，试验前先在PVC 内部插入与其内径相当的铝棒；接着试件上表面抹平并覆盖一层薄膜保湿；试件在标准养护室养护 1 d 后脱模，并对试件进行编号，再立即用保鲜膜和锡箔纸包裹进行绝湿处理，置于(20±2) ℃养护室中养护。

Step3：混凝土内部相对湿度监测。8 个混凝土试件在(20±2) ℃养护室中绝湿状态养护27 d 后，准备进行湿度监测。首先缓慢拔出封堵PVC 管的铝棒并用海绵吸出残留在PVC 管管底的浆体，然后将率定过的温湿度传感器缓慢插入PVC 管中，传感器探头距管底1 cm，最后用橡胶塞对PVC 管进行密封，进行试件内部相对湿度监测，如图3 所示。

Step4：对比试验。将试件分为两组：第一组试件(1#、2#、5#、6#)继续处于绝湿状态，继续监测内部湿度30 d；另一组试件(3#、4#、7#、8#)拆除绝湿包裹，取出温湿度传感器，并用橡胶塞密封PVC 管，之后将试件浸水，保证水面高于试件顶面2 cm 但不淹没PVC 管管口，如图4 所示，浸水30 d 后取出试件，再次进行绝湿处理，并监测混凝土浸水后内部湿度。

Step5：样品初始质量测试。对比试验结束后，将8 个试件进行劈拉试验，分别在试件中心处取砂浆样品，并对样品依次进行编号1#～8#，如图5 所示，接着采用精度0.01 g 的电子天平测量获得砂浆样品的初始质量，记为m0i(i=1～8)。

Step6：混凝土孔隙水饱和度测试。将8 个样品在60 ℃烘箱中烘干至恒重，在烘干过程中，每天用精度0.01 g 的电子天平测定样品质量，直至两次测定质量相差不超过0.02 g(即天平精度的2 倍)时，认为此时样品完全烘干，此时，烘干质量记为mdi(i=1～8)。由于m03、m04、m07、m08相当于样品浸水饱和时质量，采用式(1)和式(2)，计算得到样品的孔隙水饱和度。

图3 湿度测量Fig. 3 Moisture measurement

图4 混凝土浸水Fig. 4 Concrete immersion

图5 样品Fig. 5 Sample

3 试验结果及分析

3.1 试件内部相对湿度和含水率

试验获得混凝土试件内部湿度、各样品初始质量m0和烘干质量md，通过式（1）计算获得混凝土样品的含水率，测量及计算结果见表3。

表3 试验结果Tab. 3 Test results

由表3 可见：

(1)当8 个混凝土试件在(20±2) ℃养护室绝湿养护27 d 时，将温湿度传感器插入PVC 管内，进行试件内部相对湿度实时监测，温湿度传感器测值在短时间内即由实验室环境湿度上升到相对湿度100%，并保持不变。而且第一组试件（1#、2#、5#、6#）由于一直处于绝湿状态，在接下来的31 d 连续内部湿度实时监测过程中，相对湿度一直保持100%。

(2)当第二组试件（3#、4#、7#、8#）浸水30 d 后，再次插入温湿度传感器进行内部相对湿度监测时，温湿度传感器测值同样在短时间内即由实验室环境湿度上升到相对湿度100%，并保持不变。

(3) 0.5 水胶比不掺粉煤灰的28 d 龄期混凝土，浸水30 d 饱和后，其内部含水率上升了0.9%；0.5 水胶比掺35%粉煤灰的28 d 龄期混凝土，浸水30 d 饱和后，其内部含水率上升了2.3%。这主要是由于混凝土高掺粉煤灰后，水化反应减缓，在前期绝湿养护的情况下，孔隙率增大[14]，导致混凝土浸水饱和后，内部含水率增量较大。

3.2 混凝土孔隙水饱和度

对于浸水饱和的混凝土，其孔隙水饱和度为100%；而一直进行湿度测量处于绝湿状态的混凝土，其孔隙水饱和度显然不为100%。在第二组浸水的试件中，由于试件间的孔隙结构存在一定差异，浸水30 d 结束后，同一配合比的两个试件的含水率并不相同，在进行孔隙水饱和度计算时，取其中较大的含水率为该配合比下混凝土浸水饱和时的含水率，分别对应着3#和7#混凝土试件，从而通过式（2）计算得到不同含水率混凝土对应的孔隙水饱和度。每个混凝土试件的孔隙水饱和度如表4 所示。

表4 混凝土孔隙水饱和度与内部相对湿度Tab. 4 Concrete pore water saturation and internal relative humidity单位：%

由表4 可见，当混凝土内部相对湿度为100%时，不掺粉煤灰的混凝土，其孔隙水饱和度为85%～100%；而掺35%粉煤灰的混凝土，其孔隙水饱和度为73%～100%。这说明混凝土内部相对湿度100%对应孔隙水饱和度不唯一。究其原因为，高水胶比混凝土内部相对湿度虽然为100%，但由于其内部大毛细孔较多，内部孔隙并未被水分完全填充，导致孔隙水饱和度并不为100%，而混凝土浸水后，内部孔隙逐渐被水分填充，导致孔隙水饱和度增加，但内部相对湿度维持在100%。

绝湿状态下，不掺粉煤灰的混凝土的孔隙水饱和度为85%～89%，而掺35%粉煤灰的混凝土的孔隙水饱和度相对较小，为73%～76%。分析认为，主要原因是高掺粉煤灰降低了水泥的水化反应程度，增大了混凝土的总孔隙率[15-16]、总孔隙中有害孔及多害孔的比例[8,17]，使孔隙内部不易产生毛细管凝聚现象，最终导致混凝土内孔隙水饱和度减小。虽然粉煤灰存在二次反应会降低孔隙率，但是由于本次试验混凝土龄期在60 d 以内，此时二次反应十分有限，对混凝土孔隙率的影响较小。

4 结 语

针对大坝混凝土内部相对湿度100%和孔隙水饱和度100%的相关性问题，在室内设计开展了0.5 水胶比不同粉煤灰掺量的大坝混凝土试件的湿度监测和孔隙水饱和度测试，通过对比分析，得到如下结论：

（1）绝湿状态的0.5 水胶比大坝混凝土内部相对湿度一直保持为100%；对于0.5 水胶比不掺粉煤灰的28 d 龄期大坝混凝土，浸水30 d 饱和后，其内部含水率上升了0.9%；0.5 水胶比掺35%粉煤灰的28 d 龄期大坝混凝土，浸水30 d 饱和后，其内部含水率上升了2.3%。

（2）当混凝土内部湿度为100%时，不掺粉煤灰与掺35%粉煤灰的混凝土的孔隙水饱和度分别为85%～89%和73%～76%。即大坝混凝土孔隙水饱和度100%对应于内部相对湿度100%，而内部相对湿度100%不是唯一对应孔隙水饱和度100%。此外，绝湿状态下掺35%粉煤灰的混凝土，其孔隙水饱和度要小于不掺粉煤灰的混凝土。