混凝土孔隙水饱和度的试验研究.pdf

1 6 6 四川建筑科学研究 S i c h u a n Bu i l d i n g S c i e n c e 第3 6卷第 1 期 2 0 1 0年 2月 混凝土孔隙水饱和度的试验研究 姬永生 ， 司 维 ， 袁迎曙 ， 刘先观 ， 柏 霞 ( 1 中国矿业大学建筑工程学院， 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室， 江苏 徐州2 2 1 0 0 8 ； 2 连云港工贸高等职业技术学院， 江苏 连云港2 2 2 0 0 4 ) 摘要： 钢筋混凝土耐久性能的退化和混凝土的孔隙水饱和度有关， 而混凝土孔隙水饱和度的大小则取决于混凝土所处的外 部环境气候条件。本文通过试验研究了混凝土孔隙水饱和度的影响因素。研究表明： 混凝土的孑 L 隙水饱和度由混凝土的强 度等级以及混凝土表面的外部环境所决定。混凝土强度等级愈低， 环境相对湿度愈小， 温度愈高， 混凝土中被水分所充满的 孔隙愈少， 混凝土孔隙水饱和度愈低。 关键词： 孔隙水饱和度； 相对湿度； 温度； 孔隙结构 中图分类号 ： T U 3 7 5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 0 ) 0 11 6 6 0 3 Ex p e r i m e n t a l r e s e a r c h o n d e g r e e o f p o r e s a t ur a t i o n i n c o n c r e t e J I Yo n g s h e n g ， S I We i ， YU AN Yi n g s h u ， U U X i a n g u a n ， B AI X i a ( 1 S c h o o l o f A r c h i t e c t u r e& C i v i l E n g i n e e r i n g ， S t a t e K e y L a b o r a t o r y f o r G e o me c h a n i c s a n d D e e p U n d e r g r o u n d E n g i n e e r i n g ， C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， Xu z h o u 2 2 1 0 0 8， C h i n a； 2 L i a n y t mg a n g I n d u s t ri a l a n d C o mm e r c i al T e c h n i c a l C o H e g e ， L i a n y u n g a n g 2 2 2 0 0 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e d u r a b i l i t y d e t e ri o r a t i o n o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e h a s s o me t h i n g t o d o w i t h d e g r e e o f p o r e s a t u r a t i o n i n c o n c r e t e ， w h i c h d e p e n d s o n t h e a mb i e n t c l i ma t e e n v i r o n me n t c o n d i t i o n T h e i n fl u e n c e f a c t o r s o f d e g r e e o f p o r e s a t u r a t i o n i n c o n c r e t e w e re r e v e ale d t h r o u g h e x p e ri me n t s i n t h e p a p e r T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t t h e d e g r e e o f p o r e s a t u r a t i o n i n c o n c r e t e l i e s o n s t r e n g t h g r a d e o f c o n c r e t e a n d t h e a mb i e n t c l i ma t e e n v i r o n me n t c o n d i t i o n T h e h i g h e r t h e s t r e n gth g r a d e o f c o n c r e t e i s ， t h e s ma l l e r t h e a t mo s p h e ri c r e l a t i v e h u mi di t y i s a n d t he gre a t er t h e k e l v i n t e mpe r a t u r e i s， t he mo r e p o r e s i n c o n c r e t e a r e fil l e d wi t h wa t e r ， r e s ul t i n g h i g h e r d e gr e e of p o r e s a t u r a t i o n Ke y wo r d s ： d e g r e e o f p o r e s a t u r a t i o n； r e l a t i v e h u mi d i t y； t e mp e r a t u r e ； p o r e s i z e d i s t r i b u t i o n 0 前言 混凝土的湿度变化对混凝土性能如强度 、 水化 、 收缩、 徐变等有重要 影响 。 J 。混凝土 的湿含量 大 小 ， 是引起混凝土耐久性劣化过程发生的必要条件 和许多失效机理与模型建立 的基础。比如 ， 混凝土 的碱骨料反应以及寒冷冬季混凝土的冻融循环都需 要一定量的湿度才能进行。另外 ， 混凝土的湿含量 也是决定混凝土中钢筋腐 蚀行为 的重要 因素之一 。 一 方面 C l 一 在混凝土 中的传输需要水分才能进行 ， 同样 ， 混凝土碳化也需要混凝土达到临界湿度才能 进行 ； 另一方面， 当混凝土中钢筋 因氯盐侵蚀或混凝 土碳化而活化后 ， 水分是钢筋腐蚀 电池必备 的反应 收稿 日期 ： 2 0 0 8 - 0 6 - 2 3 作者简介 ： 姬 永生 ( 1 9 7 0一) ， 男 ， 江苏邳 州人 ， 副 教授 ， 博 士， 主要从 事混凝土耐久性方面 的研究 。 基金项 目： 国家 自然科学基 金资助项 目( 5 0 5 3 8 0 8 7， 5 0 4 7 8 1 0 0) ； 中国 矿业大学校基金 资助项 目( 0 B 0 6 1 0 4 5 ) Ema i l ： j y s b h 1 2 6 c o n 物之一 ， 而且 ， 水分使混凝土成为电解质 ， 进而影响 钢筋的腐蚀行为。 混凝土 的湿度分混凝土 内部的湿度和混凝土外 部的湿度。一般情况下 ， 混凝土 内部的湿度指混凝 土含水率 ， 常用混凝土孑 L 隙水饱和度来表示， 而 昆 凝 土外部的湿度是指混凝土所处 自然环境 的大气相对 湿度 。文献 4 认为 ， 钢筋混凝土耐久性能 的退化 ， 由混凝土 内部的微环境气候条件所决定 ， 而混凝 土 内部 的微环境气候条件， 则取决于混凝 土所处的外 部环境气候条件。西班牙 的 C A n d r a d e 等人通过 在混凝土内部留设空腔从而放置温、 湿度传感器 ， 来 研究 室外 自然环境温、 湿度气候条件 ( 西班牙 M a d r i d室外 自然环境 ) 对混凝土内部温、 湿度微气候条 件的影响。研究结果认 为： 混凝土 内钢筋 的腐蚀速 度取决于混凝土内部的液态水的含量 ， 而液态水的 含量是随外部环境相对湿度 的变化而变化 ， 如果在 较长的时间内， 保持混凝土外部相对湿度恒定 ， 混凝 土内部的水分将建立与环境湿气蒸发 与凝 聚的平 衡 ， 此时 ， 能得到相对 比较固定的混凝土内孔隙水饱 姬永生， 等 ： 混凝土孑 L 隙水饱和度的试验研究 1 6 7 和度 。 从 以上的分析可以看 出， 钢筋混凝土耐久性 能 的退化由混凝土的孔隙水饱和度所决定， 而混凝土 孔隙水饱和度的大小， 则取决于混凝土所处的外部 环境气候条件。研究外部环境气候条件对钢筋混凝 土耐久性能的退化 的影响 ， 必须首先研究混凝土孔 隙水饱和度随外部环境相对湿度的变化规律 。本文 通过试验 ， 研究混凝土孔隙水饱和度 的影响 因素及 其变化规律c 1 试验研究 1 1 试验设计方案 混凝土的孔隙水饱和度是随外部环境相对湿度 的变化而变化 。在恒温条件下 ， 如果在较长 的时间 内保持混凝土外部 的环境相对湿度恒定 ， 混凝土 内 部的水分将达到与环境湿气蒸发 与凝聚 的平衡， 此 时， 能得到相对比较固定的混凝土内孔隙水饱和度。 然而 ， 混凝土孔隙水饱 和程度不仅取决于外部环境 的相对湿度， 还受到环境温度、 混凝土孔隙结构等因 表 1 混凝土配合比设计 Ta b l e 1 W e i g h t o f c o n s t i t u e n t s u s e d i n 1 n l o f c o n c r e t e 素的影响。因为混凝土的孔隙结构和混凝土的水灰 比有关 ， 而混凝土 的水灰 比在水泥强度确 定情况下 和混凝土强度等级是一一对应的， 所以 ， 本试验采用 混凝土强度等级来反映混凝土的孔隙结构对混凝土 孔隙水饱和程度影响。 混凝土的孔隙水饱和度的影响因素主要有环境 相对湿度、 环境温度和混凝土强度等级。本试验采 用全组合设计方案 ， 环境温度取 2 0 ， 4 0 ， 6 0 这 3个水平 ， 环境相对湿度取 2 0 ， 4 0 ， 6 0 ， 8 0 ， 9 0 一 9 5 和 9 5 1 0 0 这 6个水平 ， 混凝土强 度等级取 C 2 0和 C 4 0这两个水平 。 1 2试件 制作 用标准试验方法制作 强度等级分别为 C 2 0和 C 4 0的混凝土试件若干 ， 试件为 1 0 0 rai n1 0 0 mm 1 0 0 mm立方体。试验所用的水泥为江苏 巨龙水泥 集团生产的 P 0 3 2 5水泥 ； 石子为粒径 52 0 m m 碎石 ， 级 配 良好 ； 砂子 为 中粗砂 ， 级 配 良好 ， Mx= 2 6 5 ， 表观密度 2 6 4 g c m ， 砂子、 石子均经 冲洗晾 干后使用 。混凝土配合 比设计见表 1 。 将标准养护 2 8 d后 的立方体试件 ， 用切割机将 其切成 1 5 mm1 5 m m 1 5 m m的立方体小块 ， 分 别放于对应 的温、 湿度环境 中， 测其孔隙水饱和度的 变化 。 1 3 试验步骤 ( 1 ) 将各立方体小块放 于水池 中浸 泡 3 0 d后 ， 称其饱水重量 G 。 ( 2 ) 将饱水试件分别放于对应温 、 湿度的干燥 皿( 干燥皿放于恒温恒湿箱 中) 中， 恒温干燥。干燥 过程中， 每 7 d用精度 0 0 0 0 1 g的电子分析天平测 定其重量 G i 一次， 直至两次测定相差不超过 1 o 时， 认为此时混凝土孔隙水饱 和度 和环境相对湿度 达到平衡。 试验的温度 由恒 温恒湿 箱 的加 热系 统控 制 ； 2 0 ， 4 0 ， 6 0 ， 8 0 这 4个相对湿度等级 ， 通过硫 酸浓度调节， 9 0 一9 5 和 9 5 一1 0 0 两个相对 湿度等级， 则将干燥皿敞开， 通过恒温恒湿箱内的加 湿 器调节 。 ( 3 ) 将试件放于 1 0 5 的烘箱中 ， 恒温干燥 4 8 h 后 ， 称取其绝干重量 C 。 。 1 4 混凝土孔隙饱和度的计算 由公式( 1 ) ， 计算各温湿度条件下混凝 土孔隙 饱和度 ： k： 1 o 0 ( 1 ) = l u u 幻 L u S 0 式中 混凝土孔隙水饱和度 ， ； C i 混凝土试件的重量 ， k g ； C 。 混凝土试件烘干至恒重时的重量 ， k g ； G 混凝土孔隙水饱 和时的重量 ， k g 。 2试验结果分析 2 ： 1 环境相对湿度对混凝土孔隙水饱和度的影响 在不同环境条件下 ， C 2 0和 C 4 0混凝土的孔隙 水饱和度如图 1 所示 。从图 1中可 以看出 ， 当混凝 土内部的微环境 同外部的环境条件达到湿度的平衡 时 ， 混凝土 中的孔隙水饱和度和环境相对湿度相对 应 ， 环境相对湿度愈大， 混凝 土中的孔 隙水饱和度也 愈高。孔隙水饱和度随环境相对湿度的变化呈睡倒 的“ s ” 形 ， 当相对湿度大于 9 0 时， 孔隙水饱和度随 环境相对湿度的变化较为显著， 而当相对湿度小于 9 0 时， 孔隙水饱和度随环境相对湿度 的变化较为 平缓。但值得注意的是， 1 0 0 环境相对湿度并不对 应 1 0 0 混凝 土内孑 L 隙水饱和度 ， 对于 C 2 0混凝土 ， 实际只有 8 0 左右 ， 对 于 C 4 0混凝土 ， 约为 9 5 。 1 6 8 四川建筑科学研究 第 3 6卷 大气相对湿度 大气相对湿度 ( a ) 环境温度2 0 ( b ) 环境温度4 O 图 1 不同湿度环境下 混凝 土中的孑 L 隙水饱和度 Fi g 1 Effe c t o f RH o n de g r e e o f por e s a t ur a t i on i n c o nc r e t e 2 2温度对混凝土孔隙水饱和度的影响 温度对混凝土孑 L 隙水饱和度 的影响如图 2所 示。从 图2中可以看出， 对于同一相对湿度 ， 混凝 土 孔隙水饱和度均随环境温度的升高而降低。当环境 相对湿度 同为 6 0 时， 2 O c c， 4 0 ， 6 0 的混凝土孔 隙水饱和度分别为 4 2 8 ， 3 8 4 ， 3 5 7 。 图 2 温度对混凝土孑 L 隙水饱和度 的影 响 Fi g 2 Effe c t o f t e mpe r at ur e o n de g r e e o f s a t ur a t i on o f t he po r e s 2 3混凝土强度等级对混凝土孔隙水饱和度的影 响 混凝土强度等级对混凝土孔隙水饱和度的影响 如图 1所示 。从图 1中可 以看出， 在相 同的环境条 件下 ， C A0混凝 土的孔隙水饱和度 明显高于 C 2 0混 凝土。对于 6 0 的相对湿 度， 2 O 时， C 2 0混凝土 的孔隙水饱和度为 4 2 8 ， C 4 0混凝 土的孔隙水饱 和度为 6 2 8 ， 约为 C 2 0混凝土 的 1 5倍 ； 4 0 o C时， C A 0和 C 2 0混凝 土的孑 L 隙水饱和度分别 为 6 2 8 和 4 2 8 ， 6 0 时 ， 分别为 6 2 8 和4 2 8 ， 均明显 高于C 2 0混凝土。这是由两种混凝土的孔隙结构 分布不同引起的， C 4 0混凝土不仅孔隙率远小于 大气相对湿度， ( C ) 环境温度6 0 C 2 0混凝土， 而且 ， 其被孔隙水充满的凝胶孔所 占的 比例较多， 毛细孔和大孔所占的比例较少。 3 结论 试验研究表 明， 混凝土的孔隙水饱和度 由混凝 土的强度等级以及混凝土表面的外部环境所决定。 混凝土强度等级通过影 响混凝 土的孔径分布 ， 从而 影响混凝土孔隙水饱和度的高低。混凝土强度等级 愈低 ， 混凝土的水灰 比愈大 ， 混凝 土中毛细孔愈多 ， 凝胶孔愈少 ， 混凝土中被水分所充满的孔隙愈少 ， 混 凝土孔隙水饱和度愈低 。外部环境 的相对湿度通过 与混凝土中大气吸附水的平衡 ， 影响混凝土的孑 L 隙 水饱和度 ， 环境相对湿度愈大， 混凝土中的孔隙水饱 和度也愈高。温度愈高 ， 被水分所充满 的孔隙愈少 ， 混凝土孔隙水饱和度愈低。 参 考 文 献 ： B a z a n t Z P Na j j a r L J N o n l i n e a r Wa t e r D i fl u s i o n i n N o n - s a tu r a t e d C o n c r e t e J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ，1 9 7 2， 5 ( 2 5 ) ： 3 - 2 0 P a r rut t L J F a c t o r s I n fl u e n c i n g R e l a t i v e H u m i d i t y i n C o n c r e t e J Ma g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h， 1 9 9 1 ， 4 3 ( 1 5 4) ： 4 5 - 5 2 T e r r il l J M ， Ri c h a r d s o n M S e k b y A R No n 1 i n e ar Mo i s t u r e P r o fil e s a n d S h r i n k a g e i n C o n c r e t e Me mb e rs J Ma g a z i n e of C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 8 6， 3 8 ( 1 3 7 )： 2 2 0 - 2 2 5 李果 钢筋混凝 土耐久性 的环境行为与 基本退 化模型研 究 D 徐州 ： 中国矿业大学建工学院， 2 0 0 4 An d r a d e C， Al o n s o C， S a r r i a J Co r r o s i o n r a t e e v o l u t i o n i n c o n c r e t e s t r u c t u r e s t o t h e a t mo s p h e r e J C e m e n t C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 2 0 0 2， 2 4： 5 5 4 李启云， 热工基础及设备 M 南京： 南京工学院出版社， 】 9 8 8 j 1 1 j