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模拟环境条件对暴露混凝土内部相对湿度和相对含水率分布的影响
Dong-Woo Ryu a, Jeong-Won Ko b*, Takafumi Noguchi c
a大晋大学建筑工程系，韩国京畿道富川三丹洞11-1号，487-711
b大宇建筑技术研究所(DI℃T)建筑技术研究小组，60岁，韩国京畿道水原江岸松竹洞，440-800
c东京大学工程研究生院建筑系，日本东京平州本乡7-3-1号,113-8656
关键词:温度 相对湿度 相对含水量 水分转移 降雨 裂纹 混凝土 电极方法
摘要：
通过电极法测量混凝土内的相对湿度(RM)和使用湿度传感器的混凝土内的相对湿度(RH)，阐明了环境条件(温度和RH)和降雨的周期性日变化对暴露混凝土内的RH和RM分布的影响。
混凝土中裂缝的存在的影响也通过实验与无裂缝的混凝土进行了调查相比。结果发现，由于外部温度/湿度的变化，混凝土内部相对湿度和相对湿度分布的变化只发生在混凝土的表面区域，而湿度在混凝土内部的下降速度极其缓慢。关于裂缝对混凝土内部RM分布的影响，裂缝宽度越大，干燥速率越高。关于降雨的影响，降雨的持续时间和混凝土是否直接暴露在雨水中比降雨量更重要。
1.简介
在当前混凝土结构耐久性设计由规定性设计向性能化设计转变的趋势下，对混凝土结构耐久性劣化机理的定量把握和详细建模是必要的。为了保证混凝土结构的耐久性设计，准确地预测环境条件下混凝土的水分状况是必不可少的。这是因为它们的变质现象，如碳化、氯或硫酸盐侵蚀、冻融、碱-硅反应等，大多是由水分介导的传质现象引起的[2,3]，水分条件对变质因子[4]的转移和反应速率有显著影响。
换言之，为了定量预测混凝土结构的退化现象，应根据混凝土内部的水分传递特性，掌握混凝土结构暴露的环境条件。
然而，影响多孔材料物理性能的水分的表面张力、密度和粘度取决于温度[5]，它们之间的相互作用直接影响混凝土内部的水分传递。此外，由于墨水瓶孔隙的滞后和润湿过程中的局部饱和，使得混凝土中的水分传递现象极为复杂，不利于准确预测。
因为混凝土中的水分条件对混凝土的弹性模量、徐变、干缩等力学行为有显著影响，以往对水分传递的研究多集中在干缩方面 [6-8]。同时，理论和实验证明，混凝土中水分的扩散系数取决于混凝土中水分的存在状态，随着水分含量的增加和相对湿度的增加而增大[9-11]。
已有研究采用物理吸附理论和冷凝理论来阐明混凝土中水分的行为。这些研究通过各种混凝土的水蒸气解吸等温线和吸附等温线实验进行了对比分析[12-15]。
然而，混凝土结构暴露的实际环境条件不仅包括干燥，还包括温度和湿度的循环变化，导致反复的干燥和润湿阶段(水蒸气解吸和吸附)。此外，雨水在降雨过程中以液态水的形式直接渗透，对混凝土含水率的影响要大于干燥和吸附对混凝土含水率的影响。同时，在实际的混凝土结构中，传热与传湿的共存需要考虑温度对传湿的影响，但对温度梯度下传湿的研究较少。这种宏观尺度上的唯象模型和理论研究已经被广泛地应用于多孔材料的热湿传递的研究中，这些研究自20世纪50年代以来在土壤科学领域而不是在混凝土工程领域中得到了积极的发展[16-20]。
如前所述，为了建立钢筋混凝土结构的劣化现象定量预测技术和耐久性设计技术，必须掌握混凝土在使用过程中水分的存在和波动情况。以往对混凝土在温度、湿度周期性变化和降雨过程中的水分行为的综合研究主要是由Andrade等人进行的[21]。
Andrade研究了实际环境中温度、湿度以及降雨的变化对混凝土的影响，并指出自然环境中温度的不规则波动会阻碍混凝土中的蒸汽压达到平衡。他们还指出，混凝土内部(w /c为0.6或以下)在长期浸泡后仍是非饱和的，这与变质因素的渗透密切相关[22,23]。
同时指出，开裂会影响混凝土的耐久性，因为它促进了劣化因素对混凝土[24]的渗透，但开裂和耐久性问题(主要由碳化和氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀)存在争议。有人认为混凝土[25]的裂缝宽度与钢筋锈蚀之间存在相关性，也有人认为两者之间的关系尚不明确。
此外，大多数混凝土传质研究都是通过透气性试验或透水性试验来评估混凝土的传质效果，而很少将其与裂缝区域的水分传递联系起来。然而，在高压下进行的空气透水试验中水分的传递机理与实际环境中水汽压和毛细张力驱动下的水分传递机理是完全不同的。裂缝混凝土的水分分布状况也很难通过空气和水渗透性的测量来估计。
混凝土中的水分状态每年(按季节)和短期(按日)都有波动，但考虑到与水分传递相关的劣化因素时，短期波动更为重要。
因此，本研究分别采用电极法和湿度传感器测量相对湿度，以阐明环境条件和降雨的循环日波动对混凝土中相对湿度和湿度分布的影响。试验研究了开裂对混凝土含水率分布的影响。
在本研究中，实际含水率与饱和含水率之比被定义为“相对含水率(RM)”，以作为比较的指标，因为饱和状态下的含水率在不同的试样之间是不同的。
2. 实验和测量方法大纲
2.1. 试验大纲
如图1和图2所示，标本由300*300*100 mm的棱镜组成。研究了两种水灰比:0.3和0.6。制备了具有弯曲裂纹和不存在弯曲裂纹的两种试件。干燥过程中的质量变化和水分含量是由直径100毫米和高度100毫米的圆柱形试样的质量差异来确定的。在测量点上，电极和热电偶分别埋设在距干燥(开口)表面10、30、50、70和90毫米处，而湿度传感器埋设在10和30毫米处。RH测量仅在未破裂的试样上进行。
在养护方法上，试样在一天的龄期内脱模，在60℃的龄期内进行水养护至30天，以防止在测量期间由于水化而造成孔隙结构的水分损失和变化。然后让样本在水中自然冷却10天，直到内部温度达到平衡(20摄氏度)，没有热冲击。每个样品的四边和底部都涂有环氧树脂，并用泡沫聚苯乙烯绝缘，以减少热量和湿气通过除开口顶部300*300毫米以外的其他表面的转移。假设在实际结构中，水分在非饱和状态下传递，然后在20plusmn;1 ℃和60plusmn;1% RH的恒温湿室中干燥45天，作为测试前的预处理。
另一方面,样本有一个裂缝被放置捏造一个D16螺纹钢50 - 70毫米的深度开放的表面, 60 ℃水养护,然后干燥机40 ℃干燥5天,这是装载如图3所示通过弯曲裂纹诱导非中心电极位置。在此过程中，当平均裂缝宽度达到0.1或0.3 mm时，用p位移计终止加载。弯曲裂纹宽度通过在裂纹两端插入与裂纹厚度相同的不锈钢垫片来控制。
但是，由于两端之间在开放面上的距离较远，仅从卸载后的两端控制裂缝宽度是有限制的。表1给出了表面裂纹的极限宽度和深度。利用图像处理软件对数码相机拍摄的图像进行平均裂缝宽度和深度的计算。平均裂缝宽度由裂缝表面10个等间距点确定，平均裂缝深度为两端测得裂缝深度的平均值。值得注意的是，破裂的标本在10天的时间里再次浸泡在水里，以检测其在干燥过程中水分条件的变化，与未破裂的标本类似。
表2给出了实验的因素和水平。表3和表4分别给出了混凝土的材料和配合比。评价环境因素影响的试验顺序如图4所示。
2.2. 测量方法
在试件中嵌入直径6mm的湿度传感器，可直接测量混凝土内部的相对湿度，并通过数据记录仪和L℃R仪，通过热电偶和电极测量混凝土的含水率，连续监测混凝土的温度和电极间电阻。
2.2.1. 测量内部相对湿度的方法
由于湿度传感器难以测量高含水率范围内的相对湿度，因此直径为6mm的小型湿度传感器采用透湿片进行防水处理，以实现高含水率范围内的测量。如图5所示，湿度传感器的处理方法如下:将传感器插入丙烯酸管道(外径8mm，内径6mm)中，通过插入O形环密封传感器与管道之间的间隙，防止潮湿空气通过间隙漏进漏出。用一张可渗透的纸把管子的尖端防水，以防止液态水渗透。
初步测试显示，在高湿度范围内长期测量时，电路卡在高湿度(99.9% RH)条件下会损坏。因此，卡片区域除了湿度感应探头外，都涂了指甲油，以保护卡片不被高湿度损坏。本研究使用的湿度传感器(TRH-7X型:Shinyei Technology ℃o.， Japan)的相对湿度测量范围为10-95% RH，测量精度为plusmn;1.5个百分点(15-35 ℃, 30-90% RH)。
2.2.2.相对含水量估算(RM)
在本研究中，Ichise等人提出了一种利用电极测量硬化混凝土含水率的方法[28]，是从包括Spencer在内的许多研究中提出的方法中选择的[27]。
电极棒由两根直径为1.5 mm，长度为80 mm的SUS304不锈钢棒组成，两根之间的距离为8.3 mm，如图6所示。为防止[29]极化，选择频率为1khz的交流1v外加电压，使用L℃R测量仪测量电极间电阻。
利用事先从类似比例的混凝土中制成的小试件4040160mm进行了RM的校准试验。目标相对含水率设定在6个水平:100%、85%、70%、55%、40%和25%。当达到规定的目标水平后，立即用铝带包好，用环氧树脂封好，置于恒温恒湿室20plusmn;1℃、60plusmn;1% RH下静置1个月，直至内部水分达到平衡。然后进行不同温度下的校准试验。在本研究中，RM的计算如下:
式中RM为试件的相对含水率，W为试件的风干质量(g)， Wdry为试件的烘干质量(g)， Wsat为试件的饱和质量(g)。
图7为不同温度下RM与电极间电阻的关系。根据这些关系，将测量到的电极间电阻转换为相对含水量进行评估。
2.2.3. 模拟环境条件
参考日本气象厅过去30年[30]的统计数据，模拟东京夏季的气象条件(21.9-28.3 ℃, 57-89.7% RH)，如图8所示。针对统计数据,温度和RH在下午1点左右,当白天温度峰值设定在28.3 ℃和57% RH,而下午4到5点当底部温度设定在21.9 ℃和89.7% RH循环因此24 h类似于大气的气象条件。利用如图9所示的环境模拟装置，在温度为20℃，降雨量为30.1 mm/h，持续24 h的情况下，模拟降雨条件。
3.结果与讨论
3.1.混凝土干燥过程中RM剖面的变化
图10显示了在恒温恒湿室中，20plusmn;1 ℃和60plusmn;1% RH条件下，45天内从饱和状态干燥的混凝土试件的RM剖面的变化。当饱和混凝土干燥时，混凝土中的水分通过混凝土表面蒸发。
从热力学角度看，当大气相对湿度小于100%时，不稳定的液相倾向于转变为气相。因此，这种蒸发是一种液相从其表面自发蒸发的现象[31]。根据给定的环境条件，当干燥在混凝土的表面区域进行时，随着从内部供水量的减少，蒸发量逐渐减少。这意味着随着蒸发的进行，气液两相的变化区域逐渐向内收缩，而在干燥初期占主导地位的液态水的迁移主要是在非饱和区域的水汽迁移，在此区域毛细水变得不连续[11,32]。这种水分供应速率(或蒸发速率)被认为受毛细孔隙结构(水分传递途径)和毛细孔隙连续性的显著影响[33,34]。
图10和图11说明了这一概念。如图10所示，无论样品类型为[35]，RM在干燥开始时，在靠近表面的点上，其下降速度更快。此外，所有标本的RM在干燥的早期阶段都有显著的减少，并在干燥后趋于向特定值收敛。在图11所示的干燥周期与水分蒸发量之间的关系中也观察到类似的趋势。考虑到水分扩散系数与含水率有关，所得结果与Sakata[10]的试验结果一致，即当含水率降至80 ~ 70%以下时，混凝土的w / c水分扩散系数在0.6时显著降低。
在干燥开始前，未开裂试样的RM在除90mm外的所有深度均为100%，而在w/c为0.3时，RM在任何深度均未达到100%。这可能是由于尽管有水养护，养护水只渗透到表面区域，使混凝土内部深处由于水化而处于自干化状态[36,37]。此外，在w/c为0.3的试样中，RM因干燥而减小的幅度要小于w/c为0.6的试样。这可能是因为自由水(可蒸发水)的量更小，而且致密的微观结构抑制了水分[13]的逸出。
对于有裂缝的试件，w/c为0.3的试件，随着裂缝宽度的增大，其RM的减小幅度更大，且更靠近地表，因为裂缝面是水分传递的新途径，很容易将水分释放到大气中。然而，当w/c为0.6时，由于干燥而产生的开裂对RM压降的影响不像w/c为0.3时那么显著，尽管在靠近表面的地方，压降会稍微快一些。这可能是由于水分从表面迅速逃逸，因为水分不仅通过裂缝面，而且在干燥的环境下通过渗透的毛细孔隙转移。在相同深度下，当w/c为0.6时，裂缝宽度为0.2 mm时，试件RM随时间的变化与未开裂试件相似。而裂缝宽度为0.1 mm的试件在50-70 mm深度处RM值较高。当了标本re-immersed在水饱和与无裂缝的标本,推断,水分渗透深入破解标本比无裂缝的标本不管裂缝宽度,但其向外转移慢标本的裂缝宽度比标本的裂缝宽度0.1毫米0.2毫米。这可能是在50-70毫米深处产生较高RM的原因。
因此，虽然0.2 mm开裂的试件表现出与未开裂试件相似的行为，但其干燥速度实际上要快于未开裂试件，因为它们损失了更多的水分。
具有较高的w/c和较宽裂缝的试样更容易出现这种现象。
3.2. 环境因素对混凝土内部RH、RM分布的影响
图12-17显示了在以下三种情况下，混凝土内部相对湿度和RM分布随时间的变化:(1)恒定温度和相对湿度的变化(20 ℃和57 - 89.7%RH);(2) RH恒定，温度变化(60% RH, 21.9-28.3 ℃);(3)改变温度和相对湿度。
一般来说，混凝土暴露在自然环境中的水分状态会随着大气条件的变化而变得不稳定(在非平衡状态下)，同时
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