变温条件下大体积混凝土内部温湿度演化规律与驱动机制

卢晓春，双 宁，陈博夫，阴国强，刘 晓

（三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002）

1 引 言

混凝土的温控防裂贯串大坝全生命周期，尤其是大体积混凝土的温控防裂问题一直备受工程界的关注。虽然我国施工期温控防裂技术已十分成熟，但大体积混凝土在其漫长的服役期仍面临环境温度的季节性变化与气温骤降的挑战。

服役期中环境温度的季节性变化或气温骤降将引起混凝土的内外温差，从而在结构的约束作用下产生温度应力，当温度应力超过混凝土极限强度时则会导致混凝土开裂［1－2］。在内外温差产生的过程中，受温湿耦合作用的影响，混凝土内部的湿度将在其内外温差的驱动下发生变化，从而产生湿胀或干缩应力［3］。已有研究表明，混凝土内部的温度梯度对湿度具有显著的驱动作用［4－5］，且混凝土的温湿度与温湿应力也具有耦合关系［6］，其温度应力与湿度应力间的相互影响可能产生明显的叠加效应，从而增大开裂风险［7－8］。由此可见，混凝土温湿应力对其开裂具有重要的影响，变温条件下其内部温湿度演化是研究开裂问题的重要前提之一。目前的温控防裂措施大多控制最高温度和降温速率，以减小内外温差来降低混凝土的结构应力［9－12］。而混凝土作为多孔材料在外界环境温度变化时，其结构面临着温度应力与湿度应力的双重考验［13］。此外，虽然以上研究从试验与理论上分析了变温条件下混凝土内部的温湿度演化规律，但主要围绕小试件开展研究，侧重混凝土温湿度相互影响机理，受尺寸效应的影响，变温条件下大体积混凝土内部的温湿度演化仍有待进一步研究。

鉴此，笔者浇筑高1.0 m、直径0.8 m 的大体积混凝土试件并在其内部埋设温湿度传感器，在人工气候环境实验室模拟变温环境，探究变温条件下混凝土内部温湿度演化规律及其驱动机制，以期为大体积混凝土温控防裂提供参考。

2 试验设计

2.1 试验原理

试验通过对模具的预制，采用钢丝固定温湿度传感器与逐层浇筑的方式浇筑了高1.0 m、直径0.8 m 的圆柱形大体积混凝土试件。试件底面与侧面采用聚氨酯涂层进行绝热、绝湿处理，使得试件仅通过顶面受环境温湿度影响，从而在总体上保证试件内部温湿度在铅直方向上进行传导与传输，最终配合人工气候环境实验室探究变温条件下混凝土内部的温湿度变化，试验原理如图1（a）所示。试验采用的变温曲线根据某工程气温变化历程进行放缩并采用正弦函数拟合得到，温度变化历程见图1（b），环境温度从20 ℃下降到0 ℃再回升到20 ℃，降温阶段与温度回升阶段各36 h，一个温度循环周期为72 h，试验共设置两个循环周期，共计144 h。此外，在试验开始前将试件置于人工气候环境实验室使其初始温度达到20 ℃，以保障试验开始时试件温度与初始环境温度相同，环境湿度采用工程所在地年平均相对湿度75.2%。

图1 试验原理与温度变化历程曲线

2.2 试件配合比

试件配合比参照某水利工程的三级配常态混凝土，该配合比设计满足《水工混凝土试验规程》（SL／T 352—2020）的要求。试验设计配合比见表1。

表1 试验设计配合比 kg／m3

2.3 试件制备与试验过程

制备试件采用桦杨木立模，内侧涂有防水涂层，以防止模板吸水影响混凝土的水灰比，模具底部架设木栅垫层、保温板与防水膜以满足试件底部保温隔湿的要求。浇筑前，采用钢绞线与活动卡扣布设6 层温湿度传感器用于采集混凝土试件内部的温度和湿度数据，从试件的顶面到底部依次编号为T0（表面）、T1、T2、T3、T4、T5 层，每层布置9 个传感器，呈十字形排布，每个方向的传感器按等距离布置并按顺序进行编号；同时考虑到热传导与湿扩散的时空效应，各层传感器的间距从顶面到底部逐渐稀疏。温湿度传感器布置如图2 所示。

图2 温湿度传感器布置（单位：m）

试件浇筑采用分层浇筑的方式，逐层振捣，待试件浇筑初凝后，从模具侧面抽出固定传感器的钢绞线，并采用相同水灰比的砂浆进行补浆。待养护3 d 后对试件拆模，并在室内进行标准养护至28 d；随后将试件置于人工气候环境实验室内，设置实验室温度为20 ℃、相对湿度95%进行恒温预处理，连接传感器至采集系统，待数天后试件内部温度读数均达到20 ℃左右时，停止恒温预处理；然后将设计的温度与湿度输入人工气候环境实验室控制器，开始试验，每5 min 采集1 次混凝土内部的温度和湿度数据。

3 温湿度演化规律与驱动机制

3.1 温湿度演化规律

试验结果取每层测点温度和湿度的平均值来说明变温条件下大体积混凝土内部的温湿度演化规律，见图3（其中，5～10 ℃内的环境温度波动是环境实验室制冷压缩机转换时造成的）。混凝土内部各层平均温度演化见图3（a），在环境温度周期性先降后升的影响下，试件的T0～T4 层温度也呈现出“先下降后上升再下降再回升”的规律，而T5 层的温度在整个过程中持续降低，且由表及里试件的温度响应变慢。同时，在两次环境温度循环的过程中，试件T0～T4 层的最低温度与出现的时间有所不同，第1 次循环中T0～T4 的最低温度（出现时间）分别为5.2 ℃（39.3 h）、8.5 ℃（43.3 h）、11.1 ℃（52 h）、13 ℃（56.8 h）、15.6 ℃（70.7 h），第2次循环中分别为4.4 ℃（110.5 h）、7.1 ℃（114.1 h）、9.2 ℃（119 h）、10.9 ℃（122.5 h）、12.9 ℃（139.7 h）。对比两次循环中各层最低温度及其出现时间可知，第2 次循环混凝土的最低温度更低；以两次循环最低环境温度出现时间36 h 与108 h 为基准，T0 层的最低温度出现的滞后时间分别为3.3、2.5 h。以上结果说明大体积混凝土内部的温度传导具有明显的滞后，且测点距离环境温度边界越远，热传导的时空差异越大，环境温度对混凝土温度影响越小。此外，由于第2 次循环环境温度循环开始时试件整体温度低于第1 次循环试件整体温度，因此第2 次循环试件内外温差更大，其内部温度响应较第1 次循环迅速。

图3 各层平均温度和平均湿度演化规律

由图3（b）（由于T1～T5 层试验数据近似，因此图中曲线重叠）可知，大体积混凝土内部的湿度演化与温度演化的时空特性具有显著的差异，其中试件表面的湿度变化十分明显，而其他层湿度基本维持不变。表面湿度变化趋势与温度变化趋势大致相同，随环境温度变化呈现“先降后升，再降再升”的规律。在两次环境温度循环的过程中，T0 层的最低相对湿度（出现时间）分别为70.4%（36.1 h）、70.1%（108.4 h），最大湿度降幅为24.9%，而其他测层湿度降幅不明显。值得注意的是，虽然在17.9～53.8 h 与89.1～129.3 h 内环境湿度高于试件表面湿度，但这两个阶段内试件表面湿度仍有所下降，说明此阶段试件表面湿度可能主要受到变温环境的影响，试件表面温度变化较为明显，混凝土表面的湿度变化受到了表面温度变化的作用。

3.2 温湿度变化速率

为了进一步分析混凝土内部温湿度演化规律，由温湿度测试结果计算得出各测层中心点温度和湿度的变化速率（见图4）。由图4（a）可知，混凝土内部温度变化速率随时间呈周期性变化。第1 次循环中初期温度变化速率为负值，混凝土内部温度逐渐下降且降温速率在增大；在降温速率达到最大后，其内部降温速率开始减小。随后温度变化速率成为正值且不断增大，此时混凝土内部温度逐渐上升，处于升温阶段，此时段内混凝土内部升温速率不断增大，单位时间内温度变化幅度增大。同时，随着测层深度的增大，混凝土温度的变化速率减小，温度变化幅度降低。第2 次循环过程中的温度变化速率的演化规律与第1 次循环相同。图4（b）（由于T1～T5 层试验数据近似，因此图中曲线重叠）表明，表面湿度变化速率随时间变化十分显著，其变化趋势与温度变化速率趋势相同。在0～36 h和72～108 h 两个时段内，湿度变化率为负值，表面湿度逐渐降低，湿度降低速率逐渐减小，结合图3（b）可知，即使当表面湿度低于环境湿度时，试件表面仍在温度驱动作用下强制向外界传输水分。在36～72 h和108～144 h 两个时段内，湿度逐渐上升；同理，即使当外界环境湿度低于试件表面湿度，混凝土表面仍可在温度驱动作用下从试件内部与环境得到水分补充。

图4 各层中心点温湿度变化速率

3.3 温湿度驱动机制

为了进一步研究混凝土试件的温湿耦合作用，由Luikov 热质耦合方程建立了混凝土温湿耦合作用方程（一维）：

式中：T为混凝土的温度，℃；x为一维方向上的热传导或湿迁移距离，m；t为时间，h；λ为导热系数，W／（m∙℃）；ρ为混凝土密度，kg／m3；ε为相变系数；hlv为相变潜热，kJ／kg；c为混凝土比热容，kJ／（kg ∙℃）；H为相 对湿度，%；D为混凝土湿扩散系数，m2／h；δ为索瑞系数。

通过对式（1）进行转化，将湿度控制方程中湿度关于距离的二阶偏导替换为温度和湿度对于时间的一阶导数，化简后的公式如下：

由于混凝土内部温度扩散方向与湿度自由扩散方向可能存在相反的情况，因此采用kT的绝对值来表示混凝土温度对湿度的影响占比，则可表示为

本文选取常规的多孔混凝土的相关参数进行计算［5，14－15］并分析大体积混凝土内部温湿度演化规律，此过程不考虑温湿度变化对其他混凝土相关参数的影响。混凝土试件相关计算参数见表2。

表2 混凝土试件相关计算参数

由式（4）计算得到混凝土试件表面（T0 层，下同）和T1 层中心点温度对其湿度影响的占比k′T，结果如图5 所示。

图5 表面和TI 层中心点k′T 的变化规律

由图5 可知，试件表面的值整体上比T1 层的值大，其的平均值达到86.2%，混凝土表面湿度受到了表面温度梯度较为明显的影响，前期由于外界环境温度发生变化，因此混凝土内外温差逐渐变大，表面温度梯度增大使得试件表面kT值变大，一段时间后随着混凝土内外温差减小，表面温度梯度减小导致值相应减小，并且第2 个环境温度循环值的变化趋势与第1 个温度循环一致；T1 层的平均值达到53%，小于混凝土表面温度梯度对表面湿度的影响，前期由于T1 层温度变幅小于表面温度变幅，其值小于表面值且增长较为缓慢，后期因温度梯度减小且湿度变化速率增大而值出现了下降。由上述分析可知，在环境温度变化而环境湿度不变的条件下，混凝土表面温度梯度对表面湿度产生明显影响，使混凝土表面湿度产生剧烈变化。

周期性变温条件下大体积混凝土内部的温湿度演化的时空差异性极大，温湿度的变化由表及里。大体积混凝土温度的变化主要受环境温度与内部温度梯度的影响，试件在经过保温隔湿处理后形成了单一方向的温度传导路径，越靠近试件表面，温度变化越明显；温度的传导需要一定的时间，并且存在温湿耦合作用，在温度梯度作用下水分会由高温部位向低温部位迁移，而在此过程中，会带走部分热能，故不同测层的温度变化会表现出一定的滞后性，温度变化速率降低，温度变化幅度减小，且随着测层深度的增加，这种现象会愈发明显。而对于湿迁移，即混凝土表面水分主要在表面温度梯度产生的驱动力作用下进行迁移。随着外界环境温度的变化，混凝土表面温度变化剧烈，表面温度梯度大，温度驱动力远大于内部湿度梯度产生的驱动力，温度对湿度的驱动力越大，湿迁移越快，故混凝土表面湿度变化较为剧烈；混凝土内部T1 层至T5 层的湿度梯度极小，水分主要在温度驱动力的作用下进行迁移。由此可知，对于昼夜温差大、环境温度变化剧烈的地区，如服役在西北地区的大体积混凝土，由于放热过程存在内外温度差，在温湿耦合机制和西北地区较为干燥的环境作用下，混凝土表面湿度会产生明显的变化，因此对于此类地区的混凝土工程，在漫长的服役过程中，温控防裂的同时还需注意表面保湿，兼顾对干缩应力的控制。

4 结 论

（1）变温环境对混凝土的温度影响远大于对湿度影响，但对混凝土表面湿度会产生比较明显的影响。对于昼夜温差大、环境温度变化较为剧烈地区的混凝土工程，如西北地区的工程，在漫长的服役过程中需考虑混凝土表面湿度的变化，控制干缩应力的产生。

（2）大体积混凝土内部的温湿度演化时空差异性显著，其温度响应的滞后性随深度的增加而更为明显；虽然水分的自由扩散十分缓慢，但受温湿耦合作用的影响，混凝土内部的温度梯度使得表面湿度对变温环境的响应十分迅速。

（3）大体积混凝土温度的变化源于变温环境与内部温度梯度的影响；在环境温度变化而环境湿度不变的条件下，结合实测数据与理论分析得到混凝土表面温度梯度对表面湿度产生了明显影响，平均影响占比达到了86.2%，温度梯度产生的热湿扩散效应远大于自由扩散效应，且局部温度梯度越大湿迁移越快。