不同环境对水泥混凝土早龄期水分蒸发效应的影响

苏爱斌，田波，王子豪，袁野真，李立辉

（1.广西邕洲高速公路有限公司，广西 南宁 530028；2.交通运输部公路科学研究所，北京 100088）

0 引言

大量工程实践表明[1]，80%混凝土结构裂缝是由混凝土材料在环境温、湿度变化或自身内因作用下产生的非荷载应力引起的。美国Mehta 教授[2-3]曾经有如下论述：“引起混凝土劣化的物理和化学因素是密切相关且互为增强的，要想把原因彼此分离出来往往不可能”。对于混凝土在恶劣环境条件中的开裂劣化，很大程度上与微裂缝发展相关。Huang 和Liu[4]、赵红昌等[5]对混凝土早龄期表面层开裂的试验表明，湿度梯度和温差变化幅度较大是导致混凝土面层发生收缩变形和开裂裂缝的主导因素。高纪宏等[6]的研究表明，风速从1.0 m/s 增大至6.6 m/s 时，混凝土表面最大温度梯度增大了约53.7%，若大风条件下无有效措施进行混凝土浇筑，则其表面开裂的概率将大幅增加。环境相对湿度较低时，混凝土表面水分持续蒸发散失到环境中，内部水分受渗透压作用不断向表面迁移，导致内部相对湿度持续下降，造成混凝土构件的干燥收缩[7]。Seungwook 等[8]研究表明，早龄期混凝土处于塑性阶段，板内水分扩散系数大，正是混凝土面板剧烈水化放热的阶段，早期湿度先明显减小，之后再缓慢增大。在多重破坏因素作用下，混凝土性能的劣化速度并不是各种因素单一作用下损伤效应的简单加减，而是各因素之间的相互作用，相互叠加，正效应和负效应之间相互转换，不同试验阶段会出现不一样的损伤效果。

混凝土浇筑后与覆膜前，表面层抹面完成后即暴露于空气中，依所处环境与混凝土性能的差异，表层混凝土会受到各种程度的劣化影响。在混凝土的表层，其含湿量的变化原因有2 个：一是周边气候环境，混凝土会向非饱和空气介质发生湿度传递的过程；二是与表层混凝土自身的传湿性能，表层混凝土的水分扩散完全依赖于混凝土内部相对湿度。日照、刮风、降雨是自然天气环境中最基本的气象因素变量。为此，本文在恒定温湿度的人工环境下，开展对混凝土早期水分蒸发的影响试验，考虑各种试验条件下的混凝土蒸发速率，研究环境包括风速、湿度、日照效果对混凝土传湿规律的影响。

1 试验

1.1 原材料及配比

水泥：华润水泥（南宁）有限公司产P·O42.5 水泥，初、终凝时间分别为185、265 min，3、28 d 抗压强度分别为26.4、50.7 MPa；细集料：广西南宁市吴龙碎石加工场产石灰岩Ⅱ区机制砂，石粉含量5.2%，细度模数2.9；粗集料：广西南宁市扶绥千秋山石场产5～25 mm 连续级配石灰岩碎石；外加剂：北京路智恒信科技有限公司LZ-R1 型聚羧酸高效减水剂，固含量23%，减水率28%；水：自来水。

混凝土配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（砂）∶m（石）∶m（水）∶m（减水剂）=450∶756∶1050∶175∶5.4。

1.2 试验方法

1.2.1 风速

选用2000 W 多用吹风机，室内最大风速可达15 m/s，试验通过调节档位控制风机的转速，在距离椭圆状出风口不同距离处混凝土表面风速各不相同。为了确定13、11、9、7、5、3 m/s 风速下混凝土试样的摆放位置，使用DIGITAL ANEMO MOTER-SW6036 型便携式高精度风速计进行测量，采用5 片航空翼形扇叶，可高精度精密测量风速，量程为0.1～45.0 m/s，精度为±（2.5±0.1）%。

1.2.2 相对湿度

试验在混凝土试件振动成型后，转移至多功能恒温恒湿养护箱中，表层不覆盖薄膜暴露于空气中。通过多功能恒温恒湿养护箱，控制薄板状混凝土试件分别暴露于相对湿度为20%、40%、60%、80%、97.5%的环境条件下，同时设定箱体内温度为（20±2）℃。

1.2.3 表层温度

选用375 W 红外线保温烘烤灯，加热混凝土表层，试验装置见图1。为模拟太阳辐射产生热量对混凝土水分蒸发的影响，通过调整灯与试验板之间的距离实现混凝土面板的温度调控，当灯与板的距离为80 cm 时，混凝土板的表层温度在160 min 后趋于稳定，达到36 ℃且之后有小幅度波动；当灯与板的距离为60 cm 时，混凝土板的表层温度在205 min 后趋于稳定，达到44 ℃且之后有小幅度波动；当灯与板的距离为40 cm 时，混凝土板的表层温度在150 min 后趋于稳定，达到50 ℃，且之后有小幅度波动；当灯与板的距离为20 cm 时，混凝土板的表层温度在90 min 后趋于稳定，达到62 ℃且之后有小幅度波动。即灯与板的距离80、60、40、20 cm 对应温度分别为36、44、50、62 ℃。

图1 光照模拟太阳热辐射装置

2 试验结果分析

2.1 环境风速对混凝土水分蒸发的影响

在环境温度为（26±2）℃、相对湿度为60%工况下，研究不同风速对混凝土板的质量损失和水分蒸发速率的影响，结果如图2、图3 所示。

图2 不同风速下试件质量损失随时间的变化

图3 不同风速对混凝土水分蒸发速率的影响

由图2 可知，不同梯级风速作用下，风速越大混凝土试样的质量损失也越大。但是，梯级风速为13、11 m/s 工况下的质量损失的增幅较其他梯级风速时更为突显，混凝土蒸发速率也存在相同规律。另外从由图3 可知，不同梯级风速环境下新拌混凝土8 h 内的水分蒸发速率较大，8 h 后的水分蒸发速率显著减小。综上可知，梯级风速中每一层级的风速在对混凝土成型结束后表面蒸发效果都有显著影响。其原因主要是暴露的混凝土表面上方空气处于快速流动状态，这不仅使得空气运动加剧，也加剧了新拌混凝土水分由内向外的湿气扩散传输过程。另外根据Penman 公式[9]：物体表面水分蒸发与含水率、风速和温度成正相关。硬化初期混凝土表面自由水分较多，则水分蒸发量高，所以混凝土初期阶段存在蒸发率过大的现象，塑性收缩开裂风险也随之增大，重视早龄期的保湿养护成为控制开裂的关键。

2.2 环境湿度对混凝土水分蒸发速率的影响

试验环境无风，温度为（26±2）℃，并利用多功能湿度调节试验箱调控环境相对湿度分别为97.5%、80.0%、60.0%、40.0%和20.0%。试验步骤为：试样制作完成后，立即使用塑料薄膜覆盖于混凝土表面，防止风环境干扰。随后不拆模转移至多功能恒温恒湿环境箱内，观测相对湿度变化对水分蒸发的影响，混凝土板的质量损失和水分蒸发速率分别见图4、图5，12 h 内混凝土板的累计蒸发量见表1。

表1 不同相对湿度条件下混凝土的累计蒸发量

图4 不同相对湿度下试件质量损失随时间的变化

图5 不同相对湿度对混凝土水分蒸发速率的影响

由图4、图5 可知，在温度及风速不变时，环境湿度的降低加剧了混凝土板水分的蒸发，环境相对湿度由80%降低至20%时，2、4、6、8、10、12 h 混凝土每平方米蒸发量增幅分别为154%、146%、149%、155%、158%、163%。

不同相对湿度作用下混凝土的蒸发量和蒸发速率也存在一个明显的梯度，相对湿度由80%降低至60%时，4、8、12 h混凝土每平方米蒸发量增幅分别为35%、37%、36%；相对湿度由60%降低至40%时，4、8、12 h 混凝土每平方米蒸发量增幅分别为52%、55%、61%；相对湿度由40%降低至20%时，4、8、12 h 混凝土每平方米蒸发量增幅分别为20%、20%、19%。即环境相对湿度40%以下时混凝土板的质量损失和水分蒸发明显加快，此外，值得注意的是不同湿度环境下混凝土蒸发速率约在8 h 内趋于稳定。

由表1 可以看出，随着环境相对湿度的减小，混凝土试样的蒸发量逐渐增大，相对湿度分别为97.5%、80.0%、60.0%、40.0%、20.0%时，12 h 内混凝土水分累计蒸发量分别为0、0.94、1.28、2.06、2.47 kg/m2。

2.3 环境温度对混凝土水分蒸发速率的影响

试验环境相对湿度为（60±5）%，无风，其中混凝土表层温度按照本文温度试验方法进行调控，分别为36、44、50、62 ℃，不同表层温度下混凝土的蒸发量见表2，混凝土板的质量损失和水分蒸发速率分别见图6、图7。

图6 温度对混凝土质量损失的影响

图7 温度对混凝土水分蒸发速率的影响

表2 不同表层温度下混凝土的累计蒸发量

由表2 可知，红外灯光照距离越近，混凝土表面温度越高，单位面积混凝土水分蒸发量越大，热量加快了混凝土表层自由水分剧烈运动，加快水分的蒸发，其中红外灯光照距离为20 cm、温度为62 ℃时，混凝土试样的蒸发质量变化最大，12 h的累计蒸发量高达4.93 kg/m2。

由图6 和图7 可知，在相对湿度为60%、无风条件下，12 h 早龄期阶段的4 组混凝土试样质量损失随时间延长而逐渐增大，其中在距离20 cm 的红外灯加热环境下混凝土板的质量损失最大，且初期4 h 内质量损失速率最大。早龄期阶段12 h 内蒸发速率峰值皆出现在第2 h，红外灯光照距离分别为20、40、60、80 cm 的混凝土试样蒸发速率为0.81、0.71、0.52、0.32 kg/（m2·h）。在红外灯光照距离由20 cm 增大至80 cm 时，使得早期1 h 内单位面积蒸发速率从0.71 kg/（m2·h）降至0.13 kg/（m2·h），降幅达81.8%；早期12 h 内单位面积蒸发速率从0.23 kg/（m2·h）降至0.03 kg/（m2·h），降幅达86.7%。环境表层温度对初期3 h 内混凝土蒸发效果的影响较为显著，传热量较大。

蒸发速率影响混凝土早期收缩与裂纹萌生，由图3、图5和图7 可知，在单一因素下，温度变化对混凝土的影响最大，低风速（我国大部分地区年平均风速小于3 m/s）次之，湿度影响最小。而且蒸发峰值均出现在混凝土拌合后8 h 以内。

2.4 我国部分地区混凝土早龄期养护关键

为更好地指导各地区水泥混凝土早龄期养护，从国家气象数据中心收集我国部分地区近30年气象资料，如表3 所示。

表3 我国部分地区近30年气象资料统计

由表3 可知，我国青藏高原地区主要气象特征是年相对湿度低（小于50%），年平均风速大（大于2.5 m/s），导致较高的年蒸发量（大于2000 mm），虽然，该地区年平均气温较低，但是极低的相对湿度和较大的风速加快了混凝土早龄期的水分蒸发，因此，青藏高原地区要注重混凝土早龄期的保湿养护，尤其是施工后12 h 内的保湿养护；我国东部地区主要气象特征是年平均气温低（小于10 ℃），风速大（大于2 m/s），与高原地区相比，虽然温度较低，蒸发减缓，但也应注重混凝土早龄期的养护，尤其是大风天气；我国中部及东南沿海地区主要表现为相对湿度高（大于70%），年平均气温高（大于18℃），该地区相对湿度高、风力温和，混凝土施工后要注重遮阳，避免混凝土早龄期水分蒸发产生收缩微裂纹。

3 结论

（1）混凝土早龄期水分蒸发影响其收缩和裂纹萌生，试验表明，单一条件下温度对混凝土表面水分蒸发影响最大，低风速（小于5 m/s）次之，相对湿度影响最小。当风速大于5 m/s 时风速影响占主导，温度的影响次之。

（2）温度越高、风速越大、相对湿度越低则混凝土水分蒸发速率越快，但是，无论是风速、温度还是相对湿度其对混凝土表面水分蒸发峰值均出现在8 h 以内；另外，风速和相对湿度对混凝土的蒸发量和蒸发速率均存在一个明显增强梯度临界值，其中风速梯度为大于9 m/s（极端天气），相对湿度梯度为小于50%（青藏高原常见）。

（3）青藏高原地区要注重混凝土早龄期的保湿养护，尤其是施工后12 h 内的保湿养护；我国东部地区虽然温度较低，蒸发减缓，但也应注重混凝土早龄期的养护，尤其是大风天气；我国中部及东南沿海地区相对湿度高、风力温和，混凝土施工后要注重遮阳，避免混凝土早龄期水分蒸发产生收缩微裂纹。