混凝土干湿过程及循环制度的研究

庞超明，徐剑，王进，王伦，，秦鸿根，孙伟

（1.东南大学材料科学与工程学院，江苏南京 211189；2.东南大学江苏省土木工程材料重点实验室，江苏南京 211189；3.江苏省交通科学研究院有限公司长大桥梁健康检测与诊断交通行业重点实验室，江苏南京 211112）

干湿循环极大加速了侵蚀性离子在混凝土中的侵入和混凝土的损伤劣化过程.对干湿循环条件下混凝土性能的研究，主要采用自然暴露试验法和室内快速试验法.室内快速试验法的试验结果很大程度上依赖于循环制度、腐蚀环境条件等.迄今为止，尚未找到一种较为合理且统一的干湿循环制度，不同研究者使用的循环制度千差万别，导致试验结果可比性差.部分研究者采用与实际工程环境相近的干湿循环制度，如Mangat等［1］采用室温下6h 干6h湿的循环制度研究钢纤维混凝土性能，Eshmaiel等［2］采用37～42℃下6h干6h湿的循环条件来模拟伊朗的海滨环境.薛文等［3］采用4h喷射海水8h干燥的喷淋制度来模拟日本东京湾沿岸环境.Hong等［4］采用浸泡6h，然后在相对湿度（RH）50%的密闭容器中干燥18h的循环制度来模拟氯盐腐蚀环境.还有部分研究者采用自定的干湿循环制度，如15d干15d湿［5］、80℃干燥6h冷却1h然后浸泡16h［6］、浸泡4d后50℃烘12h［7］、60℃干燥24h后冷却3h再浸泡45h［8］，浸泡4d后50℃烘3d［9］和浸泡68h干燥4h［10］等.由此可见，干湿循环制度的制定存在差异和随意性，均缺乏合理的理论基础和依据.

水分是侵蚀性物质（如CO2、氯离子、硫酸根离子等）进入材料内部的传输媒介，直接关系到服役环境中各种侵蚀性离子的分布情况，是破坏发生的必要条件和许多失效机理与模型建立的基础［11］.本文将混凝土的干湿循环分解为干燥过程和湿润过程，研究了混凝土在干燥和湿润过程中内部相对湿度的变化规律、干燥过程的水量蒸发规律和湿润过程的水分吸收规律，并对比研究了水分和离子的传输机理.

1 原材料及配合比

试验采用P·Ⅱ42.5R 水泥；Ⅰ级粉煤灰（FA）；比表面积478m2／kg的矿渣微粉（SL）；细度模数2.9的中砂；5～25mm 连续级配的石灰岩碎石；聚羧酸减水剂JM－PCA（PCA）.

基于崇启大桥的承台大体积混凝土设计了配合比，水胶比为0.35（质量比），砂率为38%（质量分数），用水量为155kg／m3，单掺（掺量为质量分数）FA 60%（F60），40%（F40），双掺FA 和SL

（F40S20：40%FA，20%SL；F30S30：30% FA，30%SL），对比试件（F0）不掺掺和料.在各组配合比中添加适量的PCA，以控制坍落度为（180±20）mm.混凝土配合比、抗压强度及孔隙率（采用压汞法测得）如表1所示.

表1 混凝土配合比及力学性能Table 1 Mix proportion and properties of concretes

2 试验方法

干燥过程主要测试蒸发水量和相对湿度的变化规律.试件尺寸为150mm×150mm×60mm，测试前真空保水24h以上，为确保一维传输，其侧面用环氧树脂密封，仅留底面作为干燥面.饱水后将试件分别置于20℃，RH60%的恒温恒湿室和40℃或60℃，RH6%的烘箱中进行干燥、测试.用于相对湿度变化规律研究的试件为100mm 立方体试件，密封后仅留表面光滑的两个相对面，并在距离表面10，20，30，40mm 的位置钻孔.饱水后，将高精度温湿度探头插入钻孔中，严格密封，分别置于20，40，60℃的环境中进行相关测试.湿润试验前将试件在60℃下烘干至恒重，并置于干燥器中冷却至室温后，进行吸水量和相对湿度的测试，试件尺寸、处理方法与干燥过程相同.

3 试验结果与讨论

3.1 干燥过程相对湿度和蒸发水量变化规律

混凝土干燥过程中不同温度下蒸发水量和相对湿度的变化规律如图1，2所示.

根据混凝土内部相对湿度和蒸发水量的发展过程，可将干燥过程分为3个阶段：恒速干燥阶段、降速干燥阶段和稳定扩散阶段.忽略水泥进一步水化所消耗的水，则混凝土在干燥过程中失去的水分主要与温度、相对湿度和材料的微观结构有关［12］.在测试初期，混凝土内部相对湿度由90%上升到100%，为测湿探头的湿度平衡过程.干燥初期的恒速干燥阶段占整个干燥时间较短，相对湿度保持不变（见图2），水分蒸发速度最快（见图1），主要为表面水分蒸发；随着温度的升高，恒速干燥阶段所需时间减少.20℃时恒速干燥阶段约12h～2d，40℃时缩短为4～12h，60℃时则＜4h.随着干燥时间的延长，干燥过程转为降速干燥阶段，水分的蒸发速度变慢，混凝土内部相对湿度逐渐降低.随着温度的升高，降速干燥阶段延长，20℃时降速干燥阶段为8～10d，40℃时为15d，60℃时干燥15d后仍处于降速干燥阶段，蒸发水量继续增加.60℃干燥15d的蒸发水量最大，达2.9kg／m2，而40℃干燥15d的蒸发水量仅为1.5kg／m2，约为60℃的2／3，20℃干燥15d（F30S30）的蒸发水量约为0.6kg／m2，是60℃时的1／5～1／7.

由图2可见，随着试件深度的增加，水分蒸发速度逐渐降低.20 mm 处的水分蒸发速度较快，10d左右混凝土内部相对湿度就与环境湿度达到平衡；30mm 处的水分蒸发速度较慢，15d后混凝土内部相对湿度为60%；而40 mm 处的水分蒸发速度最慢，在15d后混凝土内部相对湿度仍保持在70%左右.在干燥过程中，F60的内部相对湿度降低速度明显比F0慢，相同深度处F60的相对湿度始终大于F0.虽然F60的总孔隙率（14.99%）比F0（9.81%）大（见表1），但F0的大孔含量高，有较多的水分传输通道，因此其水分蒸发更快.

根据文献［13］，在干燥过程中，混凝土的干燥峰面深度L 为：

式中：t为达到干燥峰面所需的干燥时间；Dw为水在混凝土中的扩散系数；erf－1为反误差函数；cin，w为混凝土内部饱水区水的浓度；cs，w为表面水的浓度.

由此可见，干燥影响深度主要由干燥时间决定.由相对湿度的时变曲线可获得干燥影响深度及所对应的干燥时间，再结合蒸发水量，可获得干燥时间、干燥影响深度和对应失水量之间的关系，结果如表2所示.这可为合理制定干湿循环制度和计算室内试验的加速倍率提供依据.

表2 干燥影响深度、干燥时间和对应的失水量Table 2 Relationship of Influence depths of drying，necessary time for drying and water loss

为了更好进行室内加速试验，循环制度多采用较高的干燥温度和较长的干燥时间.由于干湿循环试件断面尺寸多为100mm，为了确保一维传输，干燥影响深度应不超过50mm.由表2可见，当干燥影响深度为40 mm 时，在60℃的干燥时间分别为1.3，2.0d.因此，干燥时间不宜过长，在60℃以1.5～2.0d为宜.如果试件强度较低，则可取低值.但如要求更快加速试验，不考虑一维传输，则可适当延长干燥时间.

3.2 润湿过程吸水量和内部相对湿度变化规律

在20，60℃下，混凝土在纯水中和质量分数为3.5% NaCl溶液中的吸水量随润湿龄期的关系如图3所示；在60℃润湿过程中，混凝土内部不同深度处相对湿度与润湿时间的关系曲线见图4.

3.2.1 水在混凝土中的传输规律研究

混凝土的湿润过程主要可分为2个阶段：快速毛细吸附阶段和扩散阶段.在湿润初期的几小时内，处于快速吸附阶段，干燥试件表面接触水分后，吸水量迅速增加（见图3），离表面较浅部位的相对湿度急速上升（见图4），该过程主要由毛细吸附为主导，扩散传输的贡献较小.F40S20在20，30mm 处达到饱和所需的时间分别为0.5，2.0 h，F40在20，30mm处达到饱和所需的时间分别为0.5，10.0h.表层混凝土吸水达到饱和后，毛细吸附大大减弱，水分逐步转向由湿度梯度引起的扩散传输，传输速度大为减缓，持续时间较长.由此可见，在制定循环制度时，润湿时间可适当缩短，为了更高效加速室内试验的劣化速度，C60以下的混凝土在60℃时可取8～12h，20℃时可取1～2d.

由图3可见，在20℃环境下，掺和料掺量为60%的F60，F30S30，F40S20其吸水量较大，F40，F0相对较小；而在60℃环境下则相反，F0，F40的润湿吸水量较大，其余试件较小.随着环境温度的升高，湿润初期快速吸附阶段的吸水速度更大，吸水量显著增加.

3.2.2 离子对水在混凝土中传输的影响

比较纯水和NaCl溶液作为介质的吸水曲线可见，NaCl溶液中水的传输与纯水中的传输相似，溶液中的离子不影响混凝土中水分的基本传输方式，但在混凝土中，纯水中水的传输速率远大于NaCl溶液中水的传输速率.在早期快速吸附阶段，NaCl溶液中水的传输速率远小于纯水中水的传输速率，其吸水量约为纯水中的45%（质量分数）.在后期的扩散阶段，纯水在混凝土中的传输速率明显大于NaCl.研究［13］表明，水扩散系数约为氯离子扩散系数的2～8倍.可见，离子的存在可显著降低水的扩散系数.

3.3 室内氯离子侵蚀速率与现场氯离子侵蚀速率的换算关系

虽然现场环境下侵蚀性离子尤其是硫酸根离子在干湿循环条件下会加速混凝土的劣化，从而加速后期侵蚀性离子的渗入.但是，如果不考虑离子对混凝土的劣化作用，利用干燥过程和湿润过程的研究结果，可以制定合理的干湿循环制度，并将室内离子含量简单换算成现场情况下的离子含量.

本文结合干燥和湿润过程的研究结果，采用了2d一个循环的干湿循环制度.由蒸发水量和相对湿度的变化规律可知，在60℃干燥38h后，干燥影响深度约为40mm，失水量为0.64～1.06kg／m2，20，30mm 处的相对湿度为90%～95%.然而，工程现场的温度为20℃，每天2个干湿循环，即6h干6h湿，且在20℃干燥6h后，混凝土失水量仅为0.035～0.160kg／m2，干燥影响深度不超过20mm.由润湿曲线可知，20～30mm 处的相对湿度由90%～95%到完全润湿仅需2h左右，因此，浸泡8h后，混凝土30mm 处被完全润湿.室内试验的加速倍率如表3所示.由表3可见，在60℃干燥38h冷却2h湿润8h 的干湿循环中，室内3.5% NaCl溶液与现场2.1%NaCl溶液的加速倍率为10～30倍.

表3 室内试验的加速倍率Table 3 Acceleration coefficient in laboratory

4 结论

（1）将干湿循环分为干燥和湿润过程是研究干湿循环的有效手段，测定混凝土干湿过程中的蒸发／吸水量和内部相对湿度的时变曲线，可合理制定干湿循环制度，并进行室内试验与现场环境的加速倍率换算.

（2）混凝土的干燥过程可分为恒速干燥、降速干燥和稳定扩散3个阶段.干燥初期水分蒸发速度最快，主要为表面水分蒸发，时长小于2d；随着温度的升高，恒速干燥阶段缩短，降速干燥阶段延长，20℃的蒸发水量仅为60℃的1／5～1／7.

（3）干燥影响深度和干燥龄期的平方根近似呈线性关系，干燥时间的长短决定了混凝土劣化深度，制定干湿循环制度时宜适当延长干燥时间，研究一维传输时，60℃以1.5～2.0d为宜，如果要求更快加速试验，可适当延长干燥时间.

（4）混凝土的润湿过程可分为快速毛细吸附阶段和扩散阶段，在润湿初期，快速毛细吸附阶段所需时间较短，吸水速率大，在20～60℃时，20mm 处达到饱和仅需0.5h，30 mm 处达到饱和约需2.0～10.0h，而在润湿后期，水分扩散缓慢.因此，循环制度中润湿时间可稍微短些.

（5）研究一维传输时，采用60℃干燥38h润湿10h为1个干湿循环或60℃干燥2d，室温润湿1d为1个干湿循环较为合理.

（6）在润湿过程中，离子的存在不影响混凝土中水分传输的基本方式，但会显著降低水的扩散系数.

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