自干燥混凝土相对湿度变化理论及试验研究.pdf

第 2 8卷 第 9期 2 0 1 1年 9月 长 江科 学 院 院报 J o u r n a l o f Y a n g t z e Ri v e r S c i e n t i fi c Re s e a r c h I n s ti t u t e Vo 1 28 No 9 S e p 2 0 1 1 文章编号 ： i 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 1 J 0 9 0 0 4 40 4 自干燥混凝土相对湿度变化理论及试验研究 张登祥 。 杨伟军 ( 长沙理工大学 a 水利工程学院； b 土木与建筑工程学院，长沙4 1 0 1 1 4 ) 摘要： 埘 自f燥条件下混凝土内部相对湿度的变化规律进行理论及试验研究。提出了自干燥效应引起混凝土内部 相对湿度与饱水度的函数关系式， 采用数字式湿度传感器测量密封养护条件下混凝土内部相对湿度随龄期变化的 规律。试验结果表明， 低水灰比混凝土早期相对湿度下降非常快 ， 表明低水灰比混凝土早期开裂的几率显著增大。 将相对湿度的试验值与本文提出的相对湿度计算模型的计算值进行比较， 结果表明， 试验值与模型计算值的相对 误：羞非常小。 关键词 ： 混凝 土 ； 自干燥 ； 相对湿度 中图分类号： T V 4 3 1 ； T U 5 2 8 文献标识码： A 自生收缩又称为 自干燥收缩 ， 其作用机理可以 通过混凝土的自干燥现象来解释 。水泥在水化过程 中 ， 在硬化水泥石 中形成大量微细孔 ， 自由水量逐渐 消耗， 水的饱和蒸气压也随之降低， 即水泥石内部相 对湿度降低 ， 但 同时水泥石质量没有任何损失 ， 这种 现象称为 自干燥。引起混凝土 自生收缩的主要原因 是混凝土内部相对湿度 的变化 ， 研究表 明 ， 混凝 土 早期 自生收缩是高强混凝土产生裂缝 的主要原 因 之一 。对 自干燥效应引起 的混凝土内部相对湿度的 变化规律进行研究具有重要意义。 1 白干燥 条 件 下 混 凝 土 内部 相 对 湿 度变化规律 白干燥效应引起 的混凝土 内部相对湿度变化 ， 其影 响因素很多 ， 机理也很 复杂。建立普遍适用 的 白干燥条件下混凝土内部相对湿度的理论 函数关系 式还不太可能 ， 目前 ， 对相对湿度的研究主要集 中在 试验室观 测上 - 5 ， 研究成 果不 多且缺乏 系统性 。 自干燥机理研究表 明， 白干燥 引起 的混凝土 内部相 对湿度的变化与水泥特性 、 水泥水化度 O t 、 初始水灰 比w c密切相关。已有研究认 为 ， 相对湿度与饱 水度及水灰比的关系式可表达为 S = 1+ O L 2 h + O l 3 + 0 = 4 h + O l 5 h + 0 6 + O t 7 h +O l 8 h s 2 x+O l 9 h 。 ( 1 ) 式 中： ， ， 为 常 数 ， 分 别 取 为 3 5 5 ， 1 2 3 ， 一 0 2 8 7，一1 4 1 0一 ，一 1 4 5 X 1 0一 ， 4 2 2 1 0 。 。 ， 8 1 X 1 0一， 1 51 0， 0 ； 为初始水灰 比； h 为相 对湿度 ； S为饱水度。 显然 ， 公式 ( 1 ) 不便于应用。根据 白干燥机理 ， 假定混凝土内部相对湿度是饱水度 S的函数 ， 即 h ：g ( S ) 。 ( 2 ) 饱水度 S ( s a t u r a t i o n f r a c t i o n ) 的表达式为 S = ( ) ( O t )+ ( O L ) ( ) 一V c ( )+V g w ( )+ ( ) 。 ( 3) 式中： 为可蒸发水( m m ， 单位体积的水泥石 中 可蒸发水体积含量 ) ； 为饱水孔隙率 ( m m ) ； V 为毛细孔 隙水 ( 1 1 1 m ) ； 为凝胶 水 ( IT I m ) ； 为化学收缩( m。 m ) ； 为水化度 ， 按文献 7 计算 。 P o w e r s 对水泥浆体 的微结构 进行 了广泛 的研 究， 建立了硬化水泥浆体 的结构模型 。P o w e r s 将硬化水泥浆体 中的水分为 3类 ： 毛细水 、 凝胶水及 化学结合水( 非蒸发水 ) 。毛细水分成 2类 ： 一种是 毛细管孔径 大于 1 0 0 n m的孔 中的水 ， 可视 为 自由 水 ， 失去这种水不会造成系统体积的改变 ； 另一种是 毛细管孑 L 径为 01 0 0 n m的孔 中的水 ， 这部分 的水 由毛细管张力所 固定 ， 失去这种水可以造成 系统体 积 的收缩。凝胶水又可分 为吸附水与层问水 。吸附 水是在引力影响下 ， 水分子物理性地吸附在水化水 泥浆体的固体表 面， 当水化水泥浆体干燥至 3 0 相 对湿度时， 吸附水大部分会失去 ， 失去吸附水会引起 收稿 日期 ： 2 0 1 】 一 0 3 2 8 异 ：爨 喜 科 栅5 09 0 8人0 2刷3 ) ： ， 主 要 从 事 混 凝 土 结 构 设 计 理 论 研 究 ( 电 话 ) 0 73 1 -8 5 2 5 84 361 9 7 1 0 73 1 -8 5 2 5 84 36 ( 电 子 信 d xz 16 8一 10 3一 作 者 简 介 ：张 登 祥 ( ) ，男 ，湖 南 祁 阳 人 ， 博 士 ， 主 要 从 事 混 凝 土 结 构 设 计 理 论 研 究 ( 电 话 ( 电 于 信 柏 ) 第 9期 张登祥 等 自干燥混凝土相对湿度变化理论及试验研究 4 5 水化水泥浆体的收缩 ； 层问水与 C S H凝胶 的结构 有关 ， 在 c s H凝胶层间单分子水为氢键所牢 固固 定 ， 层间水仅在强烈干燥时 ( 即在 1 1 相对 湿度以 下) 才会失去 。当失去层间水时， C - S H结构明显收 缩。每克硬化水泥浆体中的凝胶水量是0 1 9 g 。化 学结合水是各种水化产物结构的整体部分， 在干燥 时不会失去。当水化产物受热( 温度在 1 0 5 C以上 ) 分解时， 化学结合水会放出。每克硬化水泥浆体中 的化学结合水量是O 2 3 g 。水泥在水化反应后的体 积比原有体积小 ， 这种体积的减小称为化学收缩 ， 水 泥化学收缩的值大约是 6 4 ml l O 0 g 。 根据 P o w e r s模型 ， 毛 细孑 L 隙水 ( ) 、 凝胶 水 ( ) 及化学收缩 ( ) 的表达式如下 ： =P 6 41 0 一 ( 1一P ) =0 2 ( 1一P ) ； ( 4 ) ：P一( P ) ( 0 1 9+0 2 3 ) ( 1一P ) = p一1 3 2 ( 1一P ) ； ( 5 ) V s w=( p v ) 0 1 9 ( 1一P ) =0 6 0 ( 1一p ) 。 ( 6 ) 式中： P为水泥浆体初始空隙率； 为水化度， 按文 献 7 计算 。 水泥浆体初始空隙率表达式为 p： 。 ( 7 ) w c 。 J- 式中： h 为相对湿度； Js 为饱水度； Y o ， A ， R o 为参数。 图 1 混凝土自干燥条件下相对湿度的变化规律 Fi g 1 Va r i a ti o n o f r e l a tiv e h u mi d i t y i n d u c e d b y s e l f - d e s i c c a ti o n v e r s u s h y d r a ti o n d e g r e e i n s e a l e d c o n dit i o n Pc U 。舳 0 8 2 o 。8 4 0 。8 6 U 8 8 o 0 舛0 9 6 o 。9 8 L o o L u 2 式 中： w c为 水 灰 比； P 为 水 的 密 度 ， 取 1 0 0 0 一 k g m ； P c 为水泥的密度 ， 取 3 1 5 0 k g m 3 。 图2 相对湿度 与饱水度S关系 文 献 1 0 采 用 非 线 性 分 析 方 法 研 究 混 凝 土 早 F g 2 R d 。 h “ v e ? 吣 ， 咖ra “ 廿 o n 起温度及湿度 的分布规律 ， 得到水灰 比 。：0 6 ， f o r 删 0 4， 0 3 ， 0 2 5 的混凝 土内部在密封养护条件下相对 湿度与水化度的相关关系， 如图1 。 2 试验研 究 将文献 1 0 研究结果代人式 ( 3 ) ， 可以得到混 凝土在 自干燥条件下 内部相 对湿度 h 与饱 水度 5 2 1 试验材料 之间关系如图 2 。 2 1 1 水泥 图2 表明， 在密封养护条件下， 混凝土内部相对 本试验 所用 的水 泥， 采用普 通硅 酸盐水泥 湿度 h 与饱水度 s 之间相关。对相对湿度 h 与饱P 0 4 2 5 ， 该水泥基本的物理 陛能及化学成分见表 1 。 水度 s 相关性进行回归分析 ， 得 到相对湿度 h 与饱 2 1 2 粗骨料 水度 s相关关系可以表式为 试验测得粗骨料的表观密度是 2 4 0 9 k s m ， 含 h =Y 。 + A e x p ( R 。 S )= 水率0 8 6 ， 符合 普通混凝土用碎石或卵石质量标 1 0 08 6 31 0 e x p ( 一2 3 7 9 6 s ) 。( 8 ) 准及检验方法 ( J G J 5 3 ) 的规定。 表 1 水泥物理性能及化学成分 T a b l e 1 P h y s i c a l p r o p e r t i e s a n d c h e mi c a l c o n s fit u e n o f c e me n t 密度 凝结 时Iq mi n ( k g m ) 安定性 堑塑室 坠 墨堡壁 坚 ( 沸煮法 ) 3 d 2 8 d 3 d 2 8 d 熟料化学成分 S i O2 A1 2 03 F e 2 03 Ca O Ms O S O3 f C a O 2 2 4 2 4 2 7 2 4 0 6 5 7 9 3 3 5 0 7 0 1 0 9 3 1 0 0 1 8 0 2 7 0 合格 长 江科学 院院报 2 1 3 细骨料 试验用砂为 中砂 ， 细度模数2 3 ， 表观密度 2 4 7 1 k g m 。符合 普通 混凝土 用砂 质量标 准及 检验 方 法 ( J G J 5 2 ) 的规定 ， 对0 3 1 5 m m筛 孔的通过量不应 小于 1 5 ， 对0 1 6 m m筛孔 的通过量不应小于 5 。 试验水灰 比采0 3 5 ， 0 4 5 两个典 型水灰 比， 配合 比设计及力学性能见表 2 。 表 2配合 比设计及 力学性能 Ta b l e 2 M i x r a t i o s a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s 2 2 试验步骤及方法 混凝土试件尺寸大小 为 1 5 0 IT I I T I 1 5 0 m m x 1 5 0 H i m。浇注时在模具中心插入一个柱子 ， 插入深度 1 0 0 i Y l m， 成型 1 d后拆膜， 并在试件外壁涂环氧树脂密封， 使混凝土内部水分与外界不能相互交换 ， 拔除柱子后 留出的孔洞将用于插入数字式带杆探头相对湿度探测 管。孔洞用橡皮塞塞好 ， 避免水分损失 ， 以保证测得的 相对湿度变化仅由 自干燥效应所引起。试件放人恒温 恒湿箱 中， 温度 2 02 、 相对湿度 5 0 2 ， 如 图 3 所示 图 3 白干燥试件几何尺 寸及探 头位置 Fi g 3 Th e g e o m e t r y s i z e o f s p e c i me n an d t h e p r o b e po s i t i o n i n s e a l e d c o ndi t i o n 2 3结果分 析 试验测试了水灰比 w c= 0 3 5 ， 0 4 5 的混凝土在 自干燥条件下内部相对湿度随时间的变化过程， 试验 结果 如图 4所示 。 试验结果表明， 混凝土试件在密封养护条件下， 混凝土 自干燥效应引起的混凝土内部相对湿度变化 与水灰比关系密切， 水灰比 w c = 0 4 5 的混凝土 7 d 前相对湿度变化速度相对较慢， 7 d 后相对湿度降低 明显加快， 但 2 8 d 龄期内相对湿度降低速度总体上 比较均匀。 而水灰 L w c = 0 3 5 的混凝J z 7 d 前相对湿 0 5 l 0 1 5 2 O 25 30 龄期 d 图 4混凝 土 自干燥条件下 内部相对湿度的变化 F i g 4 Va r i a t i o n o f r e l a t i v e h u mi d i t y i n d u c e d b y s e l f - d e s i c c a t i o n v e r s u s t i me f o r d i f f e r e n t w c 度变化速度非常快 ， 7 d后相对湿度降低明显减慢 。 水灰比决定水泥浆体系 固相与液相 的相对体积 含量 ， 早期胶凝材料颗粒分散在水溶液 中， 随着胶凝 材料的水化 ， 固相 ( 包括水 化产 物及 未水化水 泥颗 粒 ) 体积增加 ， 液相体积减小 ， 固相 体积增加 的部 分 填充水溶液所 占的空间 ， 使水泥石结构的孔 隙减少 ， 逐渐变得密实。因此混凝 土的硬化过程就是水化产 物不断填充孔隙的过程 ， 水灰 比越小 ， 需要填充 的孔 隙的体积越小 ； 低水灰 比的混凝 上与高水灰 比的混凝 土相 比， 细孔多 、 粗孔少 、 孔隙率低 。高水灰 比的混凝 土粗孔多， 自由水的含量大 ， 水泥水化消耗 的水基本 通过 自由水补充 ， 其 内部相对湿度下降较慢 。低水灰 比的混凝土细孔多 ， 粗孔少 ， 自由水的含量小 ， 自由水 消耗速度快 ， 其内部相对湿度下降快 。 将试验结果与本文提出的 白干燥条件下混凝土 内部相对湿度计算模 型的计算值进行 比较 ， 结果 如 图 5 所示 。 越 莨 坚 龄期， d 图 5 相对湿度试验值 与模 型计 算值 比较 Fi g 5 Co mp a r i s o n o f t e s t v a l u e s a n d c a l c u l a t e d v a l u e s o f r e l a t i v e h u mi d i t y 图 5表明 ， 在 白干燥条件下混凝土 内部相对湿度 的试验结果与本文提出的相对湿度 的计算模型的计 算值 比较非常接近 ， 相对误差不大于 l 。 第9期 张登祥 等 自干燥混凝土相对湿度变化理论及试验研究 4 7 3 结 论 本文对 自干燥条件下混凝土内部相对湿度 的变 化规律进行理论及试验研究 ， 主要结论如下 ： ( 1 )混凝土试件在密封养护条件下 ， 自干燥效应 引起的混凝土内部相对湿度变化与水灰比关系密切。 低水灰比混凝土早期相对湿度下降非常快， 表明低水 灰比混凝土早期开裂的几率显著增大。 ( 2 )提出白干燥效应引起混凝土内部相对湿度 是饱水度的指数 函数 ， 并得到相对湿度与饱水度 的函 数关 系式。 ( 3 )采用带杆式探头的数字式湿度变送器测量密 封养护条件下不同龄期混凝土内部相对湿度值， 并将 试验值与本文提出的相对湿度模型计算值比较， 结果 表明试验值与模型计算值的相对误差非常小。 参考文献： 2 3 NE VE I L E A，AI T C I N P C Hi g h P e r f o r ma n c e Co n c r e t e - A n O v e r v i e w J Ma t e ri a l s a n d S t r u c t u r e ，1 9 9 8 ， 3 1 ( 5 ) ： 1l 1一 l 1 7 KI M J i n k e u n，L EE Ch i l s u n g Mo i s t u r e D i f f u s i o n o f C o n c r e t e C o n s i d e ri n g S e l f - D e s i c c a t i o n a t E a r l y A g e s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ，1 9 9 9 ，2 9( 1 2) ：1 9 2 1 1 92 7 P ARRO TI 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 Hu mi 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 4 蒋正武 ， 孙振平， 王培铭高性能混凝土 自身相对湿度 变化的研究 J 硅酸盐学， 2 0 0 3 ， 3 1 ( 8 ) ： 7 7 07 7 3 ( J I AN G Z h e n g - w u ，S U N Z h e n - p i n g ，WA N G P e i m i n g S t u d y o n A u t o g e n o u s Re l a t i v e Hu mi d i t y C h a n g e i n Hi s h P e rf o rma n c e C o n c r e t e J J o u r n a l o f t h e C h i n e s e C e r a m i c S o c i e t y ， 2 0 0 3 ， 3 1 ( 8 ) ： 7 7 0 7 7 3 ( i n C h i n e s e ) ) 5 E L D I E B A S S e l f - C u ri n g C o n c r e t e ：Wa t e r R e t e n t i o n ， H y d r a t i o n a n d Mo i s t u r e T r a n s p o r t J 1 C o n s t ruc t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i al s ， 2 0 0 7 ， 2 1 ( 6 ) ： 1 2 8 21 2 8 7 6 A K I T A H， F U J I WA R A T F ， O Z A K A YA n al y t i c a l Me t h 一 0 d o f Mo i s t u r e T r a n s f e r w i t h C o n c r e t e D u e t o D r y i n g J C o n c r e t e L i b r a ry o f J S C E ，1 9 9 5，( 2 5 ) ： 7 7 9 2 7 Z H A N G D e n g - x i a n g ，Y A N G We i j u n A S i m p l e Mo d e l o f P r e d i c t i n g the De g r e e o f Hy d r a t i o n o f C o n c r e t e Us i n g Ar t i fi c i al N e u r al N e t w o r k s J A d v a n c e d Ma t e r i al s R e s e ar c h ， 2 0 1 1 ，( 1 6 81 7 0 ) ： 4 1 2 4 1 7 8 P O W E T S T C P h y s i c al P r o p e r t i e s o f C e m e n t P a s t e C C e me n t a n d C o n c r e t e As s o c i a t i o n P r o c e e d i n g s o f t h e F o u rt h I n t e r n a t i o n al S y mp o s i u m o n t h e C h e mi s t ry o f C e me n t ，W a s h i n g t o n DC 1 9 6 0：5 7 76 1 3 9 H A N S E N T C P h y s i c al S t ruc t u r e o f H a r d e n e d C e m e n t P ast e A C l a s s i c al A p p r o a c h J M a t e r i al s a n d S t r u c t u r e s ，1 9 8 6 ，1 9 ( 1 1 4 ) ： 4 2 3 4 3 6 1 O O H B H，C H A S WN o n l i n e a r A n a l y s i s o f T e m p e r a t u r e a n d Mo i s t u r e Di s t rib u t i o n s i n Earl y - Ag e C o n c r e t e S t r u c t u r e s B a s e d o n D e g r e e o f H y d r a t i o n J A C I Ma t e ri a l s J o u r n al， 2 0 0 3 ，l 0 0 ( 5 ) ： 3 6 1 3 7 0 ( 编辑： 周晓雁) Th e o r e t i c a l S t u d y a n d Te s t s o n Re l a t i v e Hu mi d i t y Cha n g e o f Co n c r e t e Un d e r S e l f - De s i c c a t i o n E仃e c t Z H A N G D e n g x i a n g ， Y A N G We i - j u n ( 1 S c h o o l o f Hy d r a u l i c E n g i n e e r i n g ，C h a n g s h a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 7 6，C h i n a ；2 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d A r c h i t e c t u r e ，Ch a n g s h a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，C h a n g s h a 4 1 0 0 7 6 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e f u n c t i o n a l e q u a t i o n s o f i n t e r n a l h u mi d i t y a n d s a t u r a t i o n f r a c t i o n i n c o n c r e t e i n d u c e d b y s e l f - d e s i c c a t i o n e f f e c t a r e p r e s e n t e d b a s e d o n t h e o r e t i c a l s t u d i e s a n d t e s t s o n t h e r e l a t i v e h u mi d i t y c h a n g e i n c o n c r e t e Di g i t a l h u mi d i t y s e n s o r s a r e u s e d t o me a s u r e t h e i n t e rnal r e l a t i v e h u mi d i t y c h a n g e a g a i n s t c o n c r e t e a g e u n d e r s e ale d c u r i n gTh e t e s t s ma n i f e s t t h a t t h e r e l a t i v e h u mi d i t y i n c o n c r e t e wi t h l o w wa t e r - c e me n t r a t i o d e c r e a s e s r a p i d l y i n t h e e a r l y a g e ，wh i c h i n d i c a t e s t h a t t h e c r a c k i n g p r o b a b i l i t y o f c o n c r e t e wi t h l o w w a t e r c e me n t r a t i o i s s i g n i fi c a n t l y i n c r e a s e d T h e r e i s a q u i t e s ma l l r e l a t i v e e r r o r b e t we e n t h e t e s t v a l u e s o f r e l a t i v e h u mi d i t y a n d t h e c a l c u l a t e d v alu e s fr o m t h e mo d e l p r o p o s e d i n t h e p a p e r Ke y wo r d s ： c o n c r e t e；s e l f - d e s i c c a t i o n；r e l a t i v e h u mi d i t y