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 410114）

自干燥混凝土相对湿度变化理论及试验研究

张登祥a，杨伟军b

（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 410114）

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。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差非常小。

混凝土；自干燥；相对湿度

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［1，2］，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 自干燥条件下混凝土内部相对湿度变化规律

自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。建立普遍适用的自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［3－5］，研究成果不多且缺乏系统性。自干燥机理研究表明，自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α、初始水灰比w／c密切相关。已有研究认为［6］，相对湿度与饱水度及水灰比的关系式可表达为

式中：α1，…，α9为常数，分别取为35.5，1.23，－0.287，－1.4×10－2，－1.45×10－2，4.22×10－4，8.1×10－5，1.5×10－4，0；x为初始水灰比；hs为相对湿度；S为饱水度。

显然，公式（1）不便于应用。根据自干燥机理，假定混凝土内部相对湿度是饱水度S的函数，即

饱水度S（saturation fraction）的表达式为

式中：Vew为可蒸发水（m3／m3，单位体积的水泥石中可蒸发水体积含量）；Vp为饱水孔隙率（m3／m3）；Vcw为毛细孔隙水（m3／m3）；Vgw为凝胶水（m3／m3）；Vcs为化学收缩（m3／m3）；α为水化度，按文献［7］计算。

Powers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［8，9］。Powers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100 nm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；另一种是毛细管孔径为0～100 nm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间水。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30%相对湿度时，吸附水大部分会失去，失去吸附水会引起水化水泥浆体的收缩；层间水与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11%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0.19 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105℃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0.23 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／100 g。

根据Powers模型，毛细孔隙水（Vcw）、凝胶水（Vgw）及化学收缩（Vcs）的表达式如下：

式中：p为水泥浆体初始空隙率；α为水化度，按文献［7］计算。

水泥浆体初始空隙率表达式为

式中：w／c为水灰比；ρw为水的密度，取1 000 kg／m3；ρc为水泥的密度，取3 150 kg／m3。

文献［10］采用非线性分析方法研究混凝土早起温度及湿度的分布规律，得到水灰比w／c＝0.6，0.4，0.3，0.25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。

将文献［10］研究结果代入式（3），可以得到混凝土在自干燥条件下内部相对湿度hs与饱水度S之间关系如图2。

图2表明，在密封养护条件下，混凝土内部相对湿度hs与饱水度S之间相关。对相对湿度hs与饱水度S相关性进行回归分析，得到相对湿度hs与饱水度S相关关系可以表式为

式中：hs为相对湿度；S为饱水度；y0，A，R0为参数。

图1 混凝土自干燥条件下相对湿度的变化规律Fig.1 Variation of relative hum idity induced by selfdesiccation versus hydration degree in sealed condition

图2 相对湿度hs与饱水度S关系Fig.2 Relative hum idity versus saturation fraction for different w／c

2 试验研究

2.1 试验材料

2.1.1 水 泥

本试验所用的水泥，采用普通硅酸盐水泥P.O42.5，该水泥基本的物理性能及化学成分见表1。

2.1.2 粗骨料

试验测得粗骨料的表观密度是2 409 kg／m3，含水率0.86%，符合《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》（JGJ53）的规定。

表1 水泥物理性能及化学成分Table 1 Physical properties and chem ical constituents of cement

2.1.3 细骨料

试验用砂为中砂，细度模数2.3，表观密度2 471 kg／m3。符合《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》（JGJ52）的规定，对0.315 mm筛孔的通过量不应小于15%，对0.16 mm筛孔的通过量不应小于5%。

试验水灰比采0.35，0.45两个典型水灰比，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Table 2 M ix ratios and mechanical properties

2.2 试验步骤及方法

混凝土试件尺寸大小为150 mm×150 mm×150 mm。浇注时在模具中心插入一个柱子，插入深度100 mm，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。试件放入恒温恒湿箱中，温度20±2℃、相对湿度50%±2%，如图3所示。

图3 自干燥试件几何尺寸及探头位置Fig.3 The geometry size of specimen and the probe position in sealed condition

2.3 结果分析

试验测试了水灰比w／c＝0.35，0.45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＝0.45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28 d龄期内相对湿度降低速度总体上比较均匀。而水灰比w／c＝0.35的混凝土7d前相对湿度变化速度非常快，7 d后相对湿度降低明显减慢。

图4 混凝土自干燥条件下内部相对湿度的变化Fig.4 Variation of relative hum idity induced by selfdesiccation versus time for different w／c

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自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。

图5 相对湿度试验值与模型计算值比较Fig.5 Comparison of test values and calculated values of relative hum idity

图5 表明，在自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1%。

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）提出自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。

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（编辑：周晓雁）

Theoretical Study and Tests on Relative Hum idity Change of Concrete Under Self-Desiccation Effect

ZHANG Deng-xiang1，YANGWei-jun2
（1.School of Hydraulic Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410076，China；2.School of Civil Engineering and Architecture，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410076，China）

The functional equations of internal humidity and saturation fraction in concrete induced by self-desiccation effect are presented based on theoretical studies and tests on the relative humidity change in concrete.Digital humidity sensors are used to measure the internal relative humidity change against concrete age under sealed curing.The testsmanifest that the relative humidity in concrete with low water-cement ratio decreases rapidly in the early-age，which indicates that the cracking probability of concrete with low water-cement ratio is significantly increased.There is a quite small relative error between the test values of relative humidity and the calculated values from themodel proposed in the paper.

concrete；self-desiccation；relative humidity

TV431；TU528

：A

2011-03-28

国家自然科学基金资助（50908023）

张登祥（1971-），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）0731-85258436（电子信箱）dxz＿168＠163.com。