掺粉煤灰再生混凝土反向湿度响应规律与预测模型研究

蒋建华，吴 琦，付用全，眭 源，林明益

(河海大学 土木与交通学院，江苏 南京 210024)

0 引 言

再生骨料混凝土是利用再生骨料代替普通骨料生产的混凝土，具有环境保护意义，符合当前社会可持续发展的要求[1]。然而现有研究表明，再生混凝土由于新旧界面过渡区结构复杂，其耐久性能通常低于普通混凝土，如何改善再生混凝土耐久性能成为今后研究趋势[2-3]。

近些年，国内外学者在再生混凝土领域进行了大量的研究，但是大部分集中在再生混凝土的生产加工工艺[4]、不同材料对再生混凝土耐久性能的影响[5]，以及通过掺加矿物掺合料来改善再生混凝土性能[6-7]。然而影响再生混凝土耐久性能的因素除了混凝土材料本身以外，还受到其所处的环境因素影响[8]。其中混凝土内部湿度环境就是影响混凝土耐久性能的主要因素之一，相关学者对混凝土内部相对湿度展开了研究。高原等[9]通过干湿循环试验对混凝土试件进行循环干湿传导，研究混凝土变形与内部湿度的关系。戚彦福等[10]研究了风速对混凝土试件收缩变形及内部相对湿度分布的影响，分析了混凝土试件收缩变形与内部相对湿度之间的内在关系。蒋建华等[11]在人工恒定气候环境条件下进行了混凝土湿度响应研究，并提出了混凝土内相对湿度响应预测模型。常洪雷等[12]将高性能混凝土分别暴露于自干燥环境和恒温恒湿环境中，并测试了混凝土的内部湿度演变规律。Aparicio等[13]根据再生混凝土骨料表面附着旧砂浆的孔隙结构特点，研究了不同温度、再生骨料替代率和荷载条件下混凝土内部相对湿度的响应过程和机理。Liu等[14]研究了再生骨料替代率为100%的混凝土在不同温度、深度和弯曲荷载作用下内部温湿度响应规律和机理。

目前，常通过掺加矿物掺合料如粉煤灰等方式改善再生混凝土的耐久性能。粉煤灰再生混凝土作为变革混凝土传统配方的大胆尝试，其部分耐久性问题已经解决。关于掺粉煤灰再生混凝土湿度响应规律的相关研究不足，有待进一步研究。因此本文在人工气候环境条件下进行力学性能试验和反向湿度响应(水汽由混凝土内部扩散到外界环境)试验，考虑再生粗骨料取代率和粉煤灰掺量2种影响因素，研究粉煤灰再生混凝土的反向湿度响应规律和机理，并建立再生混凝土的反向湿度响应预测模型。本文研究成果可以为钢筋混凝土结构的寿命预测和定量分析提供依据。

1 试验方案

1.1 试件设计

试验选用100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块，试件的水胶比为0.40。试件设计包括2组试验工况，分别是粉煤灰掺量ρF(质量分数)为20%时考虑不同再生粗骨料取代率ρR的试验工况，及ρR为100%时考虑不同ρF的试验工况。具体的混凝土配合比如表1所示。试验采用的水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥；细骨料采用河砂(中砂)，细度模数为2.7；天然粗骨料(NCA)采用粒径为5～15 mm的碎石；再生粗骨料(RCA)产自于南京富源资源利用有限公司，粒径范围为5～15 mm；粉煤灰采用二级F类灰；拌合水为普通自来水；减水剂采用聚羧酸系液态减水剂。骨料的物理性质如表2所示。

1.2 试件制作与养护

普通塑料模具用于抗压强度试验试件的浇筑，侧面开孔的木模具用于湿度响应试件的浇筑。本文为了便于埋置温湿度传感器来测量混凝土内部相对湿度，采用PVC管预留孔洞。为避免水泥浆渗入管内，将尼龙棒插入PVC管中且与管底齐平。试件制作前，称取3组自然状态下再生粗骨料进行烘干处理，测得3组骨料的平均初始含水率为4.50%。考虑到再生粗骨料的初始含水率，为了保持试件水胶比一定，搅拌时减少相应拌合水的用量。

表1 混凝土试件配合比Table 1 Mix Proportions for Concrete Specimens

表2 骨料物理性质Table 2 Physical Properties of Aggregates

试件浇筑24 h后拆模，此时木模板中的PVC管和尼龙棒暂不拔出，试件在标准养护条件下(温度(20±2) ℃，相对湿度95%以上)养护28 d。养护结束后，将进行反向湿度响应试验的试件放在室内静置60 d，待水泥水化充分。

1.3 试验方法

1.3.1 抗压强度试验

利用微机控制电液伺服万能试验机进行混凝土28 d抗压强度试验，加载速率设置为3 kN·s-1。28 d抗压强度的取值符合《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)。由于再生混凝土抗压强度取值的折算与普通混凝土不同，不能简单地乘以折算系数，因此本文所有的抗压强度均为实测值，不进行折算。

1.3.2 反向湿度响应试验

试验开始之前，为了控制试件的初始湿度，将试件置于温度为40 ℃，相对湿度为95% 以上的恒温恒湿箱中，一段时间后测量试件内部相对湿度，待试件内部相对湿度为90%±3%时取出。为了模拟一维反向湿度响应过程，所有试件除暴露面外，其余5个面用铝箔胶带密封，其示意图如图1所示。将处理后的试件置于恒温恒湿箱(图2)中，模拟混凝土试件干燥过程的反向湿度响应条件为：试件初始相对湿度H0=90%，环境相对湿度He=50%，环境温度T=40 ℃。记录仪设置为每隔6 h记录1次，记录时长30 d。

2 抗压强度试验结果与分析

在控制水胶比为0.40的条件下，分别考虑再生粗骨料取代率ρR(0%，25%，50%，75%，100%)和粉煤灰掺量ρF(0%，10%，20%，30%)对混凝土试件28 d抗压强度的影响。同一工况下浇筑3个试件，取3个试件强度实测值的平均值作为该组试件的强度值。2种影响因素下混凝土的28 d抗压强度如图3所示。

从图3(a)可以看出，混凝土抗压强度随着ρR的增大呈先增大后减小的趋势。当ρR小于25%时，混凝土抗压强度随ρR的增大而缓慢增大。这是因为再生粗骨料孔隙率较普通骨料大，吸水性较强，再生粗骨料吸收了混凝土中的游离水，在一定程度上减小了混凝土的实际水胶比，从而使混凝土的抗压强度增大。当ρR大于25%时，混凝土的抗压强度随ρR的增大而显著减小。随着ρR逐渐增大，再生骨料新老界面的缺陷及其内部损伤增多，当荷载逐渐增加时，再生骨料界面处的微小裂缝及内部的微小孔隙逐渐展开，导致混凝土破坏的裂缝增多，使得再生混凝土抗压强度逐渐下降[15]。

从图3(b)可以看出，ρR一定时，随着ρF的增大，混凝土的抗压强度先增大后减小。当ρF小于10%时，混凝土28 d抗压强度随之增大而略有增大；当ρF大于10%时，混凝土的抗压强度随之增大而显著减小。粉煤灰尺寸细小而且呈球形，具有微骨料效应，其内部含有的微细颗粒在水化反应时可以填充水泥浆中的孔隙和毛细孔，因此适量掺加粉煤灰可提高混凝土强度[16]。然而由于粉煤灰活性较低，ρF过大时会影响混凝土早期水化反应从而导致混凝土抗压强度下降。

3 反向湿度响应试验结果与分析

在控制水胶比一定的条件下，分别考虑再生粗骨料取代率ρR(0%，25%，50%，75%，100%)和粉煤灰掺量ρF(0%，10%，20%，30%)对干燥状态下混凝土内部反向湿度响应的影响。2种影响因素下混凝土的反向湿度响应曲线如图4所示。

分析图4可知，2种影响因素下混凝土相对湿度下降趋势均随着试验进行逐渐减缓。ρR为25%时湿度响应最慢，ρR为0%，50%，75%，100%时混凝土湿度响应依次加快。湿度响应进行到第30 d时，ρR为0%，25%，50%，75%，100%的混凝土内部相对湿度分别下降了17.9%，17.1%，18.6%，19.7%和23.2%。在整个反向湿度响应试验过程中，ρF为10%的混凝土反向湿度响应最慢，ρF为0%，20%，30%的混凝土反向湿度响应依次加快。湿度响应进行至第30 d时，ρF为0%，10%，20%，30%的混凝土内部相对湿度分别下降了17.5%，16.6%，23.2%和27.8%。

为进一步定量分析2种因素对再生混凝土反向湿度响应的影响，定义湿度响应速率Δv=ΔH/t，ΔH为t时间内的相对湿度变化量。2种因素影响下混凝土反向湿度响应速率如图5所示。

由图5可知，在整个湿度响应过程中，随着ρR和ρF的增大，混凝土反向湿度响应速率均先缓慢减小后显著增大。ρF为20%时，ρR为25%的混凝土反向湿度响应速率最低，ρR为0%，50%，75%，100%的混凝土反向湿度响应速率依次增大。这是因为ρR较小时，混凝土内部孔隙较为致密，湿度响应速率变化不大。ρR越大，大孔数量越多，混凝土内部孔隙率越大，水蒸气在孔隙内的凝聚能力越弱，反向湿度响应速率越快[17]。试验进行至第5 d时，ρR为0%，50%，75%，100%的混凝土试件较ρR为25%的试件反向湿度响应速率分别增大9.6%，15.1%，23.2%，43.8%。第30 d时，ρR为0%，50%，75%，100%的混凝土试件较ρR为25%的试件反向湿度响应速率分别增大5.3%，3.5%，14%，22.8%。由此可见：在试验的早期，ρR对反向湿度响应速率的影响更大；随着试验的进行，影响逐渐减弱。

ρR为100%时，ρF为10%的混凝土反向湿度响应速率最低，ρF为0%，20%，30%的混凝土反向湿度响应速率依次增大。这是因为混凝土中掺入适量粉煤灰后，粉煤灰的微集料效应和二次水化产生胶凝物质填充了混凝土孔隙，使其内部孔隙更致密，混凝土与外界的湿气交换变慢。当ρF超过10%后，粉煤灰抑制水化活性现象更明显，导致水泥水化不充分，混凝土内部孔隙连通性增强，混凝土内部湿度交换变快，湿度响应加快。试验进行至第5 d时，ρF为0%，20%，30%的混凝土试件较ρF为10%的试件反向响应速率分别增大12.9%，53.2%，93.5%。第30d时，ρF为0%，20%，30%的混凝土试件较ρF为10%的试件反向响应速率分别增大10%，30.7%，50.2%。由此可知：在试验的早期，ρF对混凝土响应速率影响较大；随着湿度响应的进行，影响逐渐减小；随着ρF的增大，不同时间段的反向湿度速率差距逐渐增大。

4 反向湿度响应预测模型

4.1 表层混凝土反向湿气扩散系数

在干燥状态下混凝土的反向湿度响应试验结果表明，混凝土内湿气含量随着响应时间而变化，因此混凝土反向湿度传输可以归为非稳态扩散问题。参考Fick第二定律[18]，得到变值扩散系数情形下的扩散方程解，从而混凝土的反向湿气扩散系数D可以表示为[11]

(1)

式中：η为Boltzmamn变量，η=xt-1/2，x为混凝土内部深度；Hf为响应时刻末对应的混凝土内部相对湿度；H为混凝土内相对湿度。

按照公式(1)计算得到ρR和ρF影响下的混凝土反向湿气扩散系数随相对湿度的变化规律，如图6所示。

由图6可知，2种影响因素下混凝土的反向湿气扩散系数均随着混凝土内部相对湿度的减小而减小，且减小的趋势先迅速后缓慢，最终趋向稳定。这是因为混凝土内外湿度梯度是湿气传输的驱动力，随着反向湿度响应进行，混凝土内外湿度梯度减小，反向湿气扩散系数减小。

4.2 再生混凝土相对湿度响应预测模型

4.2.1 相对湿度响应模型的推导

混凝土内的传质过程由Fick第二定律所决定，由此可获得任意时间混凝土内部任意位置处的相对湿度H，计算公式如式(2)所示[11]。

(2)

公式(2)为本文建立的混凝土内部相对湿度预测理论模型。从公式(2)可以看出，混凝土的等效湿气扩散系数对混凝土内部相对湿度响应过程具有决定性作用，等效湿气扩散系数越大，混凝土内部达到与环境相对湿度平衡的时间越短，反之越长。因此，为确定干燥状态下混凝土内部相对湿度的预测模型，首先应建立反向湿气扩散系数的计算模型。

4.2.2 混凝土反向等效湿气扩散系数的计算模型

(3)

利用公式(3)及混凝土反向湿气扩散系数可以计算得到不同ρR和ρF下混凝土的反向等效湿气扩散系数，结果如图7所示。

基于图7中的计算结果，利用软件进行数值拟合，可得到2种影响因素下混凝土反向湿气扩散系数的计算模型，如公式(4)所示。

0≤ρR≤100%，0≤ρF≤30%

(4)

4.2.3 相对湿度响应模型的验证

在公式(2)的验证过程中，误差函数的计算选用双曲正切函数的近似算法，其计算式为

erf(φ)=tanh(1.128 384φ+0.102 77φ3)

(5)

以反向湿度响应过程R75工况为例，介绍混凝土内部相对湿度的计算过程。混凝土水胶比w/b=0.40，距混凝土表面深度x=0.05 m，混凝土内部实际初始相对湿度H0=90%，外界环境实际相对湿度He=50%，外界环境温度T=40 ℃。混凝土内部相对湿度计算过程为：

(1)首先，利用公式(4)计算R75的反向等效湿气扩散系数，其中ρR=75%，ρF=20%。

13.429)=3.399×10-6m2·h-1

(2)然后，再根据公式(5)计算得到不同时刻的误差函数值。

(3)将已知的x=0.05 m，H0=90%，He=50%，以及不同时刻的误差函数值代入公式(2)中，得到不同时刻混凝土内部相对湿度的计算值，试验值与计算值的对比如图8所示。

由图8可知，以反向等效湿气扩散系数的计算模型为基础，采用双曲正切函数的近似算法计算误差函数，计算得到的混凝土内部相对湿度的计算值与试验值的最大相对误差为2.13%，小于5%，计算结果与试验结果吻合较好。因此本文提出的反向湿度响应的计算模型切实可行。

5 结 语

(1)混凝土28 d抗压强度随着再生粗骨料取代率和粉煤灰掺量的增大均呈现先增大后减小的趋势。试验结果表明，当再生粗骨料取代率为25%且粉煤灰掺量为10%左右时，混凝土的抗压强度达到最大值。

(2)在整个反向湿度响应过程中，随着再生粗骨料取代率和粉煤灰掺量的增大，混凝土反向湿度响应速率均先减小后增大。在同一湿度响应时刻，再生粗骨料取代率为25%时混凝土反向湿度响应速率最低，取代率为0%，50%，75%，100%的混凝土湿度响应速率依次增大；粉煤灰掺量为10%的混凝土反向湿度响应速率最低，掺量为0%，20%和30%的混凝土反向湿度响应速率依次增大。在反向湿度响应的早期，2种影响因素对混凝土的反向湿度响应速率影响更大；随着湿度响应的进行，影响逐渐减小；随着粉煤灰掺量的增大，不同时间段的反向湿度响应速率差距逐渐增大。

(3)根据混凝土传质学的相关理论，建立了以再生混凝土取代率和粉煤灰掺量为变量的反向湿度响应模型并验证了其可行性。