混凝土水分传输及边界条件试验研究

2021-10-21庞超明

长江科学院院报 2021年10期

蒋科，庞超明，张晖，李洋，陈薇

(1.长江科学院工程检测中心，武汉 430010；2.东南大学材料科学与工程学院，南京 211189)

1 研究背景

混凝土内部水分含量的分布和变化对混凝土强度、水化、收缩和徐变都有着重要影响。水分传输是环境中的侵蚀性物质进入混凝土内部重要的传输媒介，也是结构发生耐久性破坏的重要原因[1]。尤其对干湿交替环境下的结构混凝土，长期处于非饱和状态[2]，氯离子在浓度梯度和水分传输的共同作用下，侵入混凝土内部速度较快，会加速混凝土中的钢筋锈蚀和结构失效[3-4]。

干湿循环作用下的传输过程包括混凝土的润湿和干燥，由于主导这两个过程的机制不完全相同，干燥过程和润湿过程的传输速率有着很大的差别，将干湿循环分为干燥过程和润湿过程两部分来研究，是研究干湿循环的有效手段[5]。润湿过程的吸湿机制包括早期的表层吸附作用、毛细吸附作用和扩散作用，尤其是试件较为干燥时，毛细吸附作用将占主导作用；而在长期的过程中，扩散将起主导作用，盐溶液浓度的差异会影响润湿过程中的毛细吸附作用和扩散过程的扩散系数[5-6]。

混凝土边界层(即最表层)是环境与混凝土之间的界面，表面层的传输过程对于混凝土内部整体传输过程都有显著影响，能直接反映出混凝土与外界环境进行物质交换的能力[7-8]。现有研究多侧重于混凝土内水分传输，而忽视了对混凝土与环境间水分传输边界条件的定量探讨。因此在混凝土整体水分传输的基础上，有必要对边界层传输现象进行单独研究[9]。本文根据混凝土块体与薄片传输过程的相似性，建立了混凝土薄片润湿过程质量传输方程，在不同浓度盐溶液环境下混凝土块体和薄片润湿实验的基础上，根据质量传输方程进行了数据拟合，并在此基础上提出了混凝土-环境界面饱和度变化模型。

2 混凝土润湿过程质量传输方程

通常认为，混凝土的润湿过程在较短时间内以毛细吸附作用为主导，在长时间的吸湿过程中扩散作用才能明显地体现出来。根据平行管吸附理论和Washburn方程，可得混凝土润湿过程中毛细吸附导致的混凝土质量增重w(t)为[10-12]

(1)

式中：γ为液体表面张力；η为溶液黏度；ρ为溶液密度；r为孔隙半径；θ为润湿角；t为润湿时间。

假设孔为圆柱形孔，根据孔隙率Ø的定义，即

(2)

式中：VP为孔隙体积；Vb为试样体积；L为试样长度；Sb为试样的横截面积；n为孔隙数量。则试样单位面积重量增量可表示为[13]

(3)

其中，

式中S为毛细吸收系数。则以毛细吸附为主导的混凝土单位面积增重可表示为

(4)

式中S0代表混凝土与液态水环境接触时发生的表面吸附，一般情况下可忽略不计。式(4)表明以毛细吸附为主导的干燥混凝土一维润湿过程中吸水量与时间的平方根成正比。

Martys等[10]认为，式(4)较好描述了混凝土吸水量随时间的变化关系，但未能体现出混凝土作为多孔材料随着饱和度提升吸水速率逐渐减小的特点[14]，此外，在混凝土吸水达到饱和时，吸水量应趋近于一固定值，因此用式(5)来描述润湿过程。

式中：M是吸收的水的质量；A是试件与水接触的横截面积；B与混凝土内部润湿前锋有关，即混凝土内部能达到完全润湿状态的影响深度，反映了混凝土通过毛细吸附过程所能引起的最大质量变化；Sg系数远小于S，描述了小孔内传输及扩散机制相关的吸水系数；S0用于描述由于表层吸附，在较长时间的润湿情况下可以忽略。系数S、Sg、S0可以通过试验数据拟合得到。

混凝土薄片的吸水过程和块体具有一定相似性，可借用块体吸水的式(6)来表述表层的毛细吸附过程。由于薄片的吸水过程能在较短的时间内达到饱和，同时因小孔内传输及扩散机制引起的吸水过程在薄片中可忽略不计，令C=B，SF=S/B，Sg=0，D=S0，得到混凝土薄片吸水过程传输方程为

(6)

式中：M为从试样接触水源开始到测试时间t内流经面积为A的质量变化；C为由毛细吸附引起的最大质量变化，代表混凝土表面的毛细吸收能力；SF为薄片水吸收系数，反映了传输过程达到平衡的快慢程度；D为由表面吸附引起的质量变化。

3 原材料和试验方法

3.1 原材料及混凝土配合比

本试验采用水泥为华新52.5普硅水泥，粉煤灰采用F类I级粉煤灰，细骨料采用细度模数2.67的中砂，饱和面干吸水率为1.1%，粗骨料为5～20 mm二级配玄武岩碎石(小石5～10 mm，中石10～20 mm，质量比(小石∶中石)为60∶40，减水剂为江苏苏博特公司生产的JM-PCA(Ⅳ)型高性能减水剂，减水率35.0%。混凝土设置C30、C50和C80这3个强度等级，其中C30和C50组混凝土均设置不掺粉煤灰和掺30%粉煤灰2个对比组。水泥基本物理性能见表1，粉煤灰基本性能见表2，混凝土配合比及基本力学性能见表3。

表1 水泥基本物理性能Table 1 Basic physical properties of cement

表2 粉煤灰基本性能Table 2 Basic properties of fly ash

表3 混凝土配合比及基本性能Table 3 Mix ratio and basic properties of concrete

3.2 试验方法

(1)成型100 mm×100 mm×100 mm的C30B、C30F、C50B、C50F和C80F立方块试件，用环氧树脂密封5面，以确保润湿过程中的水分传输在垂直于未密封面的一维方向上进行，每组混凝土成型3个试块，进行混凝土块体润湿试验。

(2)成型100 mm×100 mm×400 mm混凝土试块，并使用混凝土切割机沿100 mm× 100 mm截面方向将混凝土试块切割成2～3 mm厚度的薄片，每组混凝土切割5个薄片，用环氧树脂密封其中一面进行混凝土薄片润湿试验以模拟混凝土表层的传输过程。

(3)所有块体和薄片试件置于60 ℃电热鼓风干燥箱中干燥5 d，然后置于真空干燥箱中干燥1 d以确保试件初始状态尽可能接近完全干燥状态，将未密封面自然浸泡于20 ℃纯水、20 ℃1%NaCl(aq)、20 ℃3.5%NaCl(aq)、20 ℃5%NaCl(aq)的液体环境中，测量并记录试件质量随时间的变化。

4 试验结果与讨论

4.1 块体润湿试验结果

记录不同时间各组混凝土块体的质量变化，取3个试块的质量变化平均值作为最终结果，并除以混凝土与溶液接触面面积，可以得到不同介质环境中块体吸水量随时间变化曲线，如图1所示。

图1 不同溶液环境下块体吸水过程质量变化Fig.1 Mass changes of block in the water absorptionprocess under different solution environments

由各混凝土吸水曲线可见，随着时间增加，混凝土吸水量逐渐增大，吸水速率逐渐降低。各组试件1 d时吸水量均达到了3 d吸水量的1/2以上。经过3 d的吸水过程后，混凝土饱和度增大，内部大部分毛细孔开始达到饱和，由毛细主导的快速吸附作用减弱，而此时吸水过程主要靠扩散作用进行。此时混凝土吸水过程已接近平衡，在较长时间内都不会发生大的改变，因此选取3 d的吸水量状态作为近似的平衡态，可代表代表混凝土润湿过程吸湿能力。由各配合比混凝土吸湿曲线对比可以看出，随着水胶比降低，混凝土吸水量减小，C30B组相同时间内吸水量最大，20 ℃时其在纯水中浸泡3 d吸水量约为3.1 kg/m2，而C80F组相同条件下3 d吸水量不到0.5 kg/m2。添加矿物掺合料能够细化混凝土孔结构，抑制水分向混凝土内部的传输，C50F组吸水速率明显低于未加矿物掺合料的C50B组。

对比各浓度NaCl溶液中混凝土块体吸水过程，可以看到水分的传输过程与纯水环境下基本相似，均满足随时间推移块体吸水量逐渐增大，吸水速率降低，降低水胶比和添加掺合料能使混凝土吸水量减小的规律。1%NaCl(aq)组的1 d吸水量均达到了3 d吸水量的50%以上，3.5%NaCl(aq)组的1 d吸水量达到了3 d吸水量的约80%，5%NaCl(aq)中的1 d吸水量则达到了3 d吸水量的90%。但从3 d吸水量来看，1%和3.5%浓度组的吸水量相当，也与纯水环境下的3 d吸水量接近，5%组3 d吸水量明显要小。上述结果说明氯离子的存在不会从根本上改变混凝土吸水过程基本规律，但是会显著降低水的扩散系数[5]。此外，氯离子的存在使得混凝土早期吸水过程能够更快地达到平衡态，即吸水曲线上拐点出现得更早。

运用式(5)对20 ℃下各组混凝土在纯水环境以及各浓度氯盐溶液中的传输过程试验数据进行拟合可以得出相应的S、B、Sg、S0以及决定系数R2，并计算出相应的3 d吸水量，得到的结果如表4所示。

表4 混凝薄片体传输过程拟合参数Table 4 Fitting parameters of moisture transmission process in concrete bulk

由表4可以看出，各组润湿试验数据决定系数R2为0.965～1，利用式(5)进行拟合的可信度非常高，该式能比较准确地反映混凝土块体在润湿过程中的质量变化。

比较表4各组的B，可以发现大部分润湿环境下存在着C30B>C30F>C50B> C50F>C80F的规律。润湿前锋的影响深度体现出了混凝土抗渗透性能的大小，该变化规律也表明影响抗渗透性能最主要的因素是水胶比，降低水胶比能有效地提高混凝土密实度以及抵抗外界环境侵蚀的能力。添加掺合料能有效改善混凝土内部孔结构分布，细化孔结构，使润湿前锋难以进一步深入。

根据拟合数据可知，比较各配比混凝土在相同温度相同润湿环境下的水吸收系数S，发现普遍存在C30B>C30F>C50B>C50F>C80F的变化规律，即总孔隙率越大，毛细吸收系数越大。

此外，式(5)拟合计算的各组试件3 d吸水量与试验数据具有较高的吻合性，说明该公式在预测混凝土吸水量随龄期的变化时具有较高的实用性。根据式(5)的拟合参数，可以计算不同初始条件下经过一定时间的吸水过程混凝土的质量变化。相同溶液浓度下，3 d吸水量关系为C30B>C30F>C50B>C50F>C80F。NaCl溶液浓度对于吸水量的影响规律主要取决于溶液浓度变化引起的黏度和表面张力变化的权重，其变化规律呈倒U型，在一定的温度下存在某一浓度使一定配比的混凝土吸水量达到最大。

4.2 薄片润湿试验结果

记录不同时间薄片的质量，并除以混凝土薄片面积，可以得到不同润湿介质环境中薄片吸水量随时间变化曲线，如图2所示。

图2 不同溶液环境下薄片吸水过程质量变化Fig.2 Mass changes of slices in the water absorptionprocess under different solution environments

由图2可知，经过2 h的润湿过程，各组薄片质量变化曲线趋于平缓，吸水速率趋近于0，吸水过程达到或接近平衡状态，故以2 h吸水量代表混凝土薄片吸湿能力。不同浓度溶液中C30B的2 h吸水量约为0.22～0.28 kg/m2，C30F的2 h吸水量约为0.20～0.25 kg/m2，C50B的2 h吸水量约为0.17～0.18 kg/m2，C50F的2 h吸水量在约为0.11～0.16 kg/m2，C80F的2 h吸水量约为0.07～0.11 kg/m2。在相同溶液环境下，薄片总体吸水量主要取决于混凝土孔结构本身的性质(包括总孔隙率、孔分布等)，孔隙率最大的C30B明显高于其他各组，约为C80F组的2～6倍。对比不同配比试件的吸水过程，C30B达到平衡所需时间最短，即吸水过程发展最快，而添加掺合料，降低水胶比，都使吸水曲线变得平滑，即吸水速率降低。C30F和C50F组由于添加了掺合料，使内部孔结构变得细小，吸水速率均小于不添加掺合料的C30B组和C50B组，而C80F组降低了水胶比，降低了总孔隙率，毛细吸收系数减小。

对比不同溶液环境下的薄片吸水过程可以看出，在纯水环境下的薄片吸水量相对较大，1%和3.5%NaCl溶液中吸水量相当，5%浓度下略小。以吸水过程最快的C30B组为例，纯水环境下经过0.5 h吸水量达到了2 h吸水量的90%，而在其他浓度的NaCl溶液环境中，达到90%吸水量分别用了0.2 h、0.15 h和0.22 h，表明氯离子的存在能更快地使吸水过程趋于平衡，随溶液浓度增大吸水速率先增大后减小。这主要是由于溶液的表面张力在一定的盐浓度范围内随着浓度增加而增大，黏度也随着浓度的增加而增大，但表面张力增大的幅度相对于黏度较小，因此在高浓度溶液环境下，传输速率反而降低。其余各组混凝土薄片均展现出类似的规律，吸水曲线拐点出现的时间更早。

运用式(6)对部分组别薄片润湿试验数据进行了拟合，得到表5所示结果。

表5 混凝土薄片传输过程拟合参数Table 5 Fitting parameters of moisture transmission process of concrete slice

由表5可见，各组拟合结果决定系数R2均在0.974～0.999之间，表明可信度非常高，式(6)能较好地反映混凝土薄片吸水过程规律。随着混凝土总孔隙率的降低，毛细吸附总量C显著减小。水吸收系数SF随着孔隙率的降低而减小，最大的C30B约为C80F组的5倍。掺合料的添加降低了各孔隙间的连通度，因此C30F组的吸收系数SF远小于C50B组。表面吸附引起的质量变化D相对于毛细吸附作用引起的变化很小，但对同一试件，随着外界溶液浓度的升高，混凝土表面吸附作用增强，C50B组5%NaCl溶液中表面吸附量约为纯水环境下的4 000倍。通过拟合得到的参数计算得出2 h吸水量，与实测吸水量基本吻合，满足C30B>C30F>C50B>C50F>C80F的规律，与前述试验结论相符合。

4.3 混凝土-环境界面饱和度变化模型

混凝土润湿过程本质上是物质由环境通过界面向混凝土运动的过程，而干燥过程则是物质由混凝土通过界面向环境运动的过程，两者方向互逆，将混凝土的干燥过程看作润湿过程的逆过程，则可以认为干燥过程是大气体系被混凝土体系润湿的过程。水分在大气中的运动迁移与在混凝土中的运动迁移机理不一，速率各不相同，造成了润湿和干燥过程质量变化速率的差异。就边界层来说，质量的变化在不同过程中应具有相似的数据形式，根据此相似性结合式(6)，即可得到干燥过程表面层质量变化公式为

(7)

式中：M0为从试样干燥过程开始测试时间t内在通过面积A0扩散到大气中的水分质量；E为由扩散作用引起的最大质量变化，代表一定湿度环境下混凝土薄片最大失水能力；SA为水分散失系数；F为由于水分蒸发蒸发作用引起的质量损失。

在足够长的时间内，可以认为C=E，D=F，即混凝土在润湿过程中通过毛细吸附和表面吸附增加的水分均通过扩散和蒸发的作用进入大气中。式(7)可看作是表面充满各种空隙的空气平面被润湿达到饱和度1即吸湿量达到最大值E+F的过程。故对于初始为饱水状态混凝土表层，饱和度Θ0随时间变化可以表示为

(8)

在此基础上，润湿过程混凝土边界层饱和度随时间变化可表示为

(9)

随着吸水过程的进行，孔隙饱和度不断增大，饱和度随时间的变化率不断减小。表层孔隙达到饱和之后，润湿锋面向混凝土内部前进，内部逐层达到饱和状态。