基于不同风速的混凝土干缩特性及内部相对湿度试验研究

戚彦福，唐先习，孙拴虎,2，徐俊兵，刘 博

(1.兰州理工大学 土木工程学院， 甘肃 兰州 730050； 2.陕西机电职业技术学院， 陕西 宝鸡 721001 )

混凝土内部湿度场在其内水泥的水化作用以及外部环境的双重影响下，会呈现出不均匀的分布状态，并且由此而产生的收缩应力和变形将会对混凝土的开裂和长期变形产生较为显著影响[1]。国内外专家学者在此方面也进行了较为深入的研究。高原等[2-3]采用理论分析与试验相结合的方式，以C30、C50、C80三个强度等级的混凝土为研究对象，重点研究了在干湿循环条件下混凝土对应的的收缩与收缩应力，通过试验发现，混凝土试件在干湿循环条件下，自身的收缩会表现出典型的湿胀干缩特性，且在干燥条件下混凝土内部相对湿度与变形的变化速率远远低于其在对应湿润阶段的变化速率，混凝土内部相对湿度与自身变形之间也存在着较高的相关性，因此，可以认为混凝土发生收缩变形的内在驱动力是其自身的内部相对湿度。此外，通过对试件不同位置处混凝土内部相对湿度随龄期变化的规律进行测量发现，在干湿循环条件下，混凝土试件的相对湿度只是在距离边界3 cm～5 cm范围内会随着干湿循环出现较为明显的周期性变化，内部混凝土的相对湿度基本不受影响，出现了较为明显的温度梯度。分析试验数据得出的结果与其所建立的同条件下混凝土内部的湿度场模型较为吻合。

高纪宏等[4]通过数值模拟与理论分析相结合的方法，用ANSYS对不同风速条件下大体积混凝土的温度梯度进行了分析,分析结果显示，当风速从1.0 m/s增加到6.6 m/s时,混凝土表面的最大温度梯度较之前分析时提高了近53.7%，因此，大体积混凝土在大风条件下施工时表面开裂的可能性会大大提高。基于此，文中还提出了包括避免在大风条件下进行施工、采用蓄水养生、通冷却水来降低混凝土内部最高温升、通过优化混凝土配合比设计等手段，来达到预防大体积混凝土施工时开裂的目的。

葛昕[5]配制了C30、C50、C70三种不同强度等级的混凝土，并在试验中分别用30%的粉煤灰等量代替了水泥，而后将试件放置于相对湿度分别为20%、40%、60%的不同湿度环境中进行单面干燥试验，对试件内部相对湿度的分布进行研究，且分别选择了25 mm、50 mm、以及200 mm位置处的湿度实测值对干燥收缩试件的环境温度进行模拟。结果表明，粉煤灰掺量、混凝土强度等级以及环境湿度均对试件内部的相对湿度分布会产生一定影响，此外，试件内部相对湿度分布对混凝土自身的干燥收缩也有显著影响，两者之间存在着较为明显的线性关系。

赵光泉等[6]通过试验的方式，分别研究了混凝土中水胶比、胶凝材料的用量及体系等因素对混凝土收缩性能的影响,试验结果表明，混凝土的收缩率会随着混凝土水胶比、水泥强度、胶凝材料含量的增加以及矿物掺合料比例的降低而表现出不同程度的增加。王书圣等[7]通过试验研究了标准养护条件下棱柱体试件的收缩性能，同时分析了不同的配筋率对混凝土结构收缩的影响，试验结果表明,混凝土结构的收缩会随着内部配筋率的升高而降低，且拌和混凝土时添加一定量的膨胀剂可以有效地改善结构内部的收缩。

风速对混凝土结构的收缩应变、弹性模量、抗拉强度等特性均有一定影响[8]，对结构表层温湿度分布的影响尤为显著，而且对混凝土结构的温度梯度与内部相对湿度的分布有着极为明显的影响。同时，风速对混凝土的开裂控制有极为不利的影响，并通过结构的开裂最终影响其耐久性。目前对于混凝土结构收缩及早期开裂状况的研究，主要集中于混凝土的水化热和温度控制等几个方面，而在风速对混凝土耐久性影响方面的研究与探索进行的较少。为此，文章进行了该方面的研究，并针对研究结论提出了具体的防裂措施。

1 试验设计与过程

1.1 试验材料与仪器

本试验的研究基于西北的整体环境，因此在原材料的选择与使用方面也与西北地区客运专线所使用材料的产地与质量保持一致。本试验中所使用的原材料包括水泥、细砂(细骨料)、碎石(粗骨料)、粉煤灰、水等，上述原材料除水泥采用寿鹿山P.O 42.5普通硅酸盐水泥外，其他材料均取自周边相应的材料产地，以保证相应的物理力学性能诸如表观密度、含泥量、细度模数等均与实际工程中采用的材料一致。

在试验过程中，原材料的检测以及常规的试验均按照相应规范和标准执行，经检测和鉴定，所用的原材料和外加剂各方面性能均满足国家相应规范的要求。本试验中收缩变形和不同深度处的湿度量测采用的主要仪器设备包括：胶砂干缩三联试模、风扇、感湿元件、BC-156-300型比长仪、SHT20温湿度传感器、数据采集模块、智能数显温湿度控制器、手持式高精度风速仪等。

1.2 试验用配合比

本试验所采用的混凝土配合比与西北地区客运专线无砟轨道所用混凝土的配合比保持一致。具体比例为水∶水泥∶粗骨料∶细骨料∶其他=1.000∶ 2.625∶6.781∶4.906∶0.030。试验过程中，配制的混凝土的强度等级为C40。为满足试验过程中混凝土对和易性的要求，混凝土的坍落度宜控制在140 mm～180 mm之间，通过调整试验过程中的减水剂用量来实现。

1.3 试验研究内容与方法

本试验主要研究风速对混凝土试件收缩变形与内部相对湿度的影响及其二者之间的关系，因此主要研究内容分为三部分：基于不同风速组试验的混凝土试件收缩变形及发展规律研究；基于不同风速组试验的混凝土试件内部相对湿度分布与发展规律研究；基于不同风速组试验的混凝土试件收缩值与内部相对湿度的相关性分析。试验过程中保证环境温度在20℃±2℃左右，空气相对湿度在60%±5%左右。

根据国内外学者在混凝土结构耐久性方面的研究成果，在试验误差允许的范围内，可以认为混凝土自身在凝结硬化与强度发展过程中内部所产生的干燥收缩就是其总收缩，为此，本试验也在此前提下进行。根据相关研究结果[2-3]，湿度和温度在混凝土内部的分布都存在一定的梯度，为减小二者对试验结果的影响，本试验采用棱柱体试件，其尺寸为25 mm×25 mm×280 mm，此外，尺寸为25 mm×25 mm×280 mm大小的棱柱体试件，其收缩变形更为明显，相当于放大了试验效果，故而试验测定的收缩变形值能更加清晰地反映减弱甚至消除温度梯度和湿度梯度影响之后的混凝土收缩，相反，若采用截面尺寸过大的试件，不仅难以精确测定试件的收缩值，混凝土试件也会存在较为明显的温度梯度，对试件的收缩和内部相对湿度的变化都会有较大影响。

为测定试件的收缩值，需先用比长仪测定计算收缩值的试件基准长度。由于试验中的试件尺寸较小，且要在保证试件具备一定强度的基础上减小甚至消除湿度梯度对试件收缩值的影响，故而养护1 d即可，试件拆模后测得的试件长度即为基准长度(为保证试验精度，此处测量五次，去掉最大值和最小值后取算数平均值)，之后用比长仪每天测得的数据与基准值的差值即为试件的收缩值。此外，试验过程中在试件内部置入了湿度传感器，用以研究混凝土变形与其内部相对湿度之间的关系。本试验按照单一变量原则，保证其他环境条件不变的条件下，仅通过改变风速来进行，测试其对试件收缩变形的影响，不同风速分别进行一组试验，风速分别为0 m/s、1 m/s、2 m/s和3 m/s进行试验。每组试验持续30 d，视收缩变形发展而定。

2 试验结果与分析

2.1 混凝土收缩变形试验结果与分析

将不同混凝土龄期内采集到的数据按照各自求平均值的办法进行统计，并绘制成相应的分布图，其中风速组混凝土试件的收缩变形如图1所示。

图1 风速组试件收缩变形图

通过对图中数据进行分析可以得出以下两个结论：

(1) 在试件脱模一个月之内，同一组混凝土试件的收缩值随着风速的增大而逐渐增大，更长龄期内的试件收缩情况有待进一步的研究。例如，龄期为14 d时，测得的无风(即风速为0 m/s)、1 m/s、2 m/s、3 m/s各自风速条件下混凝土试件的收缩值分别为204×10-6m、276×10-6m、351×10-6m、405×10-6m。究其原因，在混凝土浇筑完成的第一个月至之后的一段时间内，风速的增大会加速混凝土内部水分的蒸发与散失，从而使得混凝土因水分缺失而产生较大程度的体积收缩，这部分体积收缩会导致实际工程中混凝土构件的开裂，而且混凝土内部水分的缺失会对其强度的发展产生极为不利的影响。因此，实际工程中要注意此方面的影响，在注意增设防风措施的同时，也要加强混凝土的养护工作，尽量减少因为风速而导致混凝土收缩带来的混凝土强度与耐久性方面的问题。

(2) 在试件脱模至试验进行一个月时，随着风速的变化，混凝土试件的收缩值出现了梯度。保持龄期不变，仅改变风速时，风速梯度对应的收缩值梯度之间相差不大，且收缩值的各个梯度差值在一个极小的范围内浮动。如表1所示，列出了龄期分别为7 d、14 d、21 d、30 d时各个风速条件下的收缩值。

表1 不同龄期各风速条件下混凝土试件内部收缩值

由表1不难发现，保持龄期和其他环境条件不变的情况下，在试件脱模一个月之内，随着风速梯度的逐级增加，混凝土内部收缩值对应的梯度为50×10-6m～100×10-6m。

2.2 混凝土内部湿度测试试验结果与分析

将本试验中所采集到的混凝土试件内部相对湿度随龄期变化的数据按照与收缩变形组相同的方法处理之后，绘制成如图2所示的风速组相对湿度分布图。

图2 风速组试件相对湿度分布图

与收缩变形试验类似，通过对图2数据的分析，可以得到以下三个结论：

(1)在试件脱模一个月之内，同一组混凝土试件的内部相对湿度随风速的增大而减小，饱水期也随之缩短(本文中饱水期即为混凝土内部湿度为100%的持续时间)。例如，龄期为7 d时，测得的无风(即风速为0 m/s)、1 m/s、2 m/s、3 m/s各自风速条件下混凝土试件内部相对湿度分别为94.1%、90.6%、86.5%、82.7%，而试件的饱水期分别为3.0 d、2.5 d、2.0 d、1.5 d。出现这一现象的主要原因还是风速的增加导致了混凝土内部水分的蒸发与散失的加快，从而形成了混凝土内部相对湿度的降低，这同样不利于混凝土强度的发展。因此，在实际工程中应该注意对混凝土构件的保湿，加强构件的养护工作。

(2) 在试件脱模至试验进行一个月时，随着风速的变化，混凝土试件的内部相对湿度出现了梯度。保持龄期不变，仅改变风速时，风速梯度对应的内部相对湿度的梯度之间相差不大，且内部相对湿度的各个梯度差值在一个极小的范围内浮动。如表2所示，表中列出了试件养护时具有代表性的周期中不同风速条件下试件内部的湿度。

由表2不难发现，在试件脱模一个月之内，保持龄期和其他环境条件不变的情况下，风速每增加一个梯度，混凝土试件相应的湿度大约有3.1%～4.1%的变化，平均变化值为3.5%左右。

表2 不同龄期各风速条件下混凝土试件内部湿度

2.3 试验结果曲线拟合

根据2.2中的结论不难发现，试件的收缩变形值与内部相对湿度无论是随风速的变化还是不同风速梯度之间的梯度差值，均具有相似性。因此，可以暂时认为混凝土试件的收缩变形与内部相对湿度之间存在着某种对应关系。为了确定该关系，用最小二乘法原理进行数值拟合进而得出二者之间的函数表达式。在进行曲线拟合时，本文考虑了二者之间可能存在的线性和非线性关系，为此，本文对试验中不同风速条件下试件组的实测数据同时进行了线性拟合与非线性拟合。其中，非线性拟合采用Origin 8.5自带的曲线关系中相关系数较高的Expdec函数进行拟合，拟合图像与相关系数见图3。

3 结 论

本文通过测试不同风速条件下混凝土试件内部相对湿度与试件的收缩量，并对两者之间在对应条件下的关系进行分析，结果表明混凝土结构内部相对湿度分布与收缩变形间存在非线性关系。在实际工程中，可依据拟合得出的非线性关系，用结构的内部相对湿度预测对应条件下的收缩变形值及其发展情况，进而采取对应的防裂与预防性维护措施，从而达到改善混凝土结构的耐久性，并提高其使用寿命的目的。本文研究对于混凝土结构的设计、施工以及日常维护，具有一定的参考与借鉴作用。

拟合方程为:εsh(RH)=-6.69RH+821.76相关系数:0.88685拟合方程为:εsh(RH)=11170.09exp(-RH19)+113.59相关系数:0.93052拟合方程为:εsh(RH)=-6.66RH+867.89相关系数:0.87802拟合方程为:εsh(RH)=17069.51exp(-RH16.46)+189.07相关系数:0.93666拟合方程为:εsh(RH)=-6.49RH+889.74相关系数:0.84660拟合方程为:εsh(RH)=16847.88exp(-RH15.87)+242.68相关系数:0.91020(a) 线性拟合曲线及其相关系数(b) 非线性拟合曲线及其相关系数

图3不同风速条件下干缩与内部相对湿度曲线拟合