水胶比和粗骨料体积分数对混凝土内部相对湿度及扩散系数的影响.pdf
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1、第 1 7卷第 2期 2 0 1 4年 4月 建筑材料学报 J OURNAL OF BUI I DI NG MATERI AL S Vo1 1 7。 NO 2 AD r , 2 O1 4 文 章 编 号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 1 9 3 0 9 水胶 比和粗 骨料体 积分数对 混凝 土 内部相对湿度及扩散 系数 的影响 韩宇栋 , 张君 , 罗孙一鸣 。 ( 1 清华 大学 土木工 程 系 , 北 京 1 0 0 0 8 4 ; 2 清华大学 土木工程安全与耐久教育部重点实验室 , 北京 1 0 0 0 8 4 ) 摘 要 :为研 究水胶 比
2、( 质 量 比) 和 粗 骨料体 积分 数对 早龄 期混 凝土 内部 相对 湿度 和等 效 水 分扩 散 系 数 的 影响 , 测量 了水胶 比为 0 6 2, 0 4 3 , 0 3 0 ( 分别标 记 为 C3, C5和 C 8 ) 的混 凝 土早 龄期 2 8 d内部 相 对 湿度 的发展 , 进 而 求解 了其 水 分扩 散 系数 结 果表 明 : 随 着 水胶 比 的增 大 , 早 龄 期 混 凝 土 内部 相 对 湿度饱 和期 的持 续 时 间延 长 , 自干 燥 引起 的 内部 相 对 湿 度 下 降减 小 , 水分 扩 散 引起 的 内部 相 对 湿度 下 降增 大 , 混凝
3、土 水分扩 散 系数 也增 大 ; 自干燥 单独 作 用 下 , C 3 , C 5和 C 8混 凝 土 密封 试 件 2 8 d内部相 对 湿度平 均值 分 别为 9 5 4 , 9 3 3 和 7 9 6 , 而 当 自干 燥和环 境 干燥共 同作 用时 , 其 干 燥试 件对 应值 分别 为 7 0 0 , 7 3 2 和 7 3 0 ; C 3系列普 通 混凝 土的水 分扩散 系数最 大值 D 约 为 C 8系列 高强混 凝 土的 1 0倍 另 外 , 早龄 期 混凝 土 中水分 扩散 过 程 主要 由砂 浆相 控 制 , 水分 很 可 能绕 开粗 骨料进 行扩 散 ; 单 调 增加
4、石 灰 石 粗 骨料 的 体积 分数 ( 2 1 5 0 0 ) 对 同水 胶 比混 凝 土 的早龄 期 内部相 对 湿度发展 和 水分 扩散 系数 的影 响 可以 忽略 关键 词 :早龄 期 混凝 土 ;相对 湿度 ;水分扩 散 系数 ;粗 骨料 体积 分数 ;水胶 比 中 图分类 号 : TU5 2 8 0 1 文献 标 志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 - 9 6 2 9 2 0 1 4 0 2 0 0 2 Ef f e c t s o f W a t e r - Bi n d e r Ra t i o a n d Co a r s
5、 e Ag g r e g a t e Vo l u me Fr a c t i o n o n I n t e r n a l Re l a t i v e Hu mi di t y a nd M o i s t u r e Di f f u s i o n Co e f f i c i e nt o f Co n c r e t e HAN Yu d o n g 。 , ZHANG J u n ,LUOSUN g i mi n g ( 1 De p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g,Ts i n g h u a Un i v
6、e r s i t y ,Be ij i n g 1 0 0 0 8 4 ,C h i n a ;2 Ke y La b o r a t o r y o f Ci v i l En g i n e e r i n g S a f e t y a n d Du r a b i l i t y o f Ch i n a Ed u c a t i o n Mi n i s t r y,Ts i n g h u a Un i v e r s i t y,B e i j i n g 1 0 0 0 8 4 ,Ch i n a ) Ab s t r a c t :To i n v e s t i ga t
7、 e t he e f f e c t s o f wa t e r bi n de r r a t i o a nd c oa r s e a g gr e g a t e v o l u m e f r a c t i o n o n i nt e r n a l r e l a t i v e h u mi d i t y ( I RH)a n d mo i s t u r e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t o f c o n c r e t e ,d e v e l o p me n t o f I RH o f a s e r i e
8、 s o f t hr e e c o nc r e t e s wi t h wa t e r b i nd e r r at i o o f 0 6 2,0 4 3 a n d 0 3 O r e s p e c t i v e l y,l a b e l e d a s C3,C5 a nd C8 a c c o r di ngl y,wa s m e a s u r e d d ur i ng e a r l y a ge s,a nd t he mo i s t ur e di f f u s i on c o e f f i c i e nt wa s o bt a i ne d
9、a s we l 1 Th e r e s u l t s s ho w t h a t wi t h i n c r e a s e d wa t e r - bi nd e r r a t i o,t he du r a t i o n o f e a r l y - a g e m o i s t u r e s a t u r a t e d s t a ge be c ome s l o ng e r s e l f _ d e s i c c a t i on i nd uc e d r e du c t i on o f I RH de c r e a s e s。mo i s
10、t ur e d i f f us i o n i ndu c e d r e d uc t i o n o f I RH i n c r e a s e s,a nd t he mo i s t u r e di f f u s i o n c oe f f i c i e nt be c ome s l a r ge r Du e t o s e l f de s i c c a t i on on l y,t he a v e r a g e I RH o f s e a l e d s p e c i me n s o f s e r i e s c o n c r e t e C3
11、,C5 a n d C8 a t 2 8 d a y s a r e 9 5 4 ,9 3 3 a n d 7 9 6 r e s pe c t i ve l y,whi l e t he c o r r e s p on di n g I RH o f t he dr i e d s pe c i m e ns u nd e r t he c o m b i ne d e f f e c t s o f s e l f d e s i e 一 收稿 日期 : 2 0 1 2 - 1 1 - 0 2 ;修订 日期 : 2 0 1 3 - 0 5 0 7 基金项 目: 国家 自然科学基金资助项
12、目( 5 1 1 7 8 2 4 8 ) ; 国家重点基 础研究发展计划 ( 9 7 3计划) 项 目( 2 0 0 9 C B 6 2 3 2 0 0 ) ; 高等学校博士学科 点专 项科研基金资助项 目( 2 0 1 3 0 0 0 2 1 1 0 0 3 4 ) 第一作者 : 韩宇栋( 1 9 8 6 ) , 男 。 安徽 安庆人 , 清华 大学博 士生 E ma i l : h a n y d 0 9 ma i l s t s i n g h u a e d u c n 通信作者 : 张君( 1 9 6 2 ) , 男 , 内蒙 古通辽人 , 清华大学 教授 , 博士生导师 , 博士
13、E ma i l : j u n z t s i n g h u a e d u c r l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 9 4 建筑材料学报 第 1 7 卷 c a t i o n a nd m o i s t u r e d i f f us i o n a r e 7 0 0 ,73 2 a nd 7 3 0 r e s p e c t i v e l y Th e ma x i mum mo i s t ur e di f f u s i o n c o e f f i c i e n t ( D )o f o r d i n a r y c o
14、 n c r e t e C 3 i s 1 0 t i me s o f t h a t o f h i g h s t r e n g t h c o n c r e t e C8 Fu r t h e r mor e,t he mo i s t ur e di f f u s i o n pr o c e s s i ns i d e e a r l y a g e c o nc r e t e p r ob a b l y ma i n l y de pe n ds o n t h e mor t a r ph a s e,r e ga r d l e s s of t he l i
15、me s t o ne a gg r e g a t e M e r e l y i nc r e a s i n g t he vo l u m e f r a c t i o n o f l i me s t o ne a gg r e g a t e,wi t h i n t he p e r c e nt a ge f r om 2 1 t o 5 O 0 ,t he v a r i a t i o n o f I RH a nd mo i s t ur e d i f f u s i o n c o e f f i c i e nt i s n e gl i gi b l e f o
16、 r c o nc r e t e s wi t h t h e s a m e wa t e r bi n de r r a t i o Ke y wo r d s:e a r l y a ge c o nc r e t e;r e l a t i ve hu m i di t y;mo i s t ur e d i f f u s i on c o e f f i c i e nt ;c o a r s e a g g r e g a t e v o l u m e f r a c t i on:wa t e r b i nd e r r a t i o 混凝 土 的水 分含 量对 混凝土
17、 强度 、 收缩 、 徐变 以 及耐久性等性质均有重要影响 1 ; 并且混凝土毛细 孔 内 自由水 的存 在 是 钢 筋 锈蚀 、 碱 骨 料 反 应 以及 冻 融剥蚀等有害过程发生 的必要条件 3 水 泥水化耗 水 ( 自干燥 ) 及水 分扩 散 ( 环 境干燥 ) 是 混凝 土毛 细孔 水分 含量 下降 的 两个 主 要 诱 因 ; 毛细 孑 L 含 水量 的变 化通 常用 可 易 于 连 续 量 测 的混 凝 土 内部 相 对 湿 度 ( i n t e r n a l r e l a t i v e h u mi d i t y , I RH) 变化来 间接表 征 近年 来有 关混凝
18、土 内部湿 度的研 究在 国 内外 受 到广 泛关 注 , E n e v o l d s e n等l_ 4 研 究 了 I RH 对混 凝土 和砂 浆中钢筋锈蚀速率的影响, 指出当混凝土 I RH低于 某一阈值时钢筋锈蚀速率将显著降低 ; 何智海等 研究 了 I R H 对 混 凝 土 徐 变 的影 响 , 指 出 混 凝 土 的 I RH 下降越 大 , 徐 变 越 大 蒋 正 武 等l 6 研 究 了水 泥 浆 白干燥 所引 起 的 I RH 下降与 自收缩之 间的关 系 ; 张君 等 研 究 了 白干燥 和环 境 干燥 对 混凝 土 I RH 和 收缩发 展 的影响 , 发现混 凝土
19、I RH 下 降 与其 收缩 之间呈显著正相关 , I RH 下降越大 , 混凝 土收缩越 大 , 并 以混凝土 I RH 下 降 为 统 一 驱 动 内 因 , 建 立 了 早 龄期混 凝土 自收缩 和 干燥收缩 一体 化计 算模 型 混凝 土内部水分 减 少引发 的 毛细 负压 力是 混凝 土 收缩 的直接 原 因; 自干 燥 引发 自收缩 , 环 境 干燥 引 发干燥 收缩 , 当混凝 土收缩诱 发 的收缩拉应 力超过混 凝土 的抗拉强度 时 , 混凝 土将 开 裂 宏 观裂 纹 的 出现 不仅 导致结构 承载 力 和刚度 下 降 、 挠 度增 大 , 还将 为 氯离 子等侵蚀性 介质
20、进入 内层 混凝 土 并接 触 钢筋 表 面提 供快速通道 , 诱发 耐久性 问题 因此 , 实 际工程 结 构 中需合 理 控 制 混 凝 土 收 缩 张君 等 研 究 发 现 , C 4 0和 C 8 0混凝 土路 面板 结构 在 一维水 分扩 散 条件 下 , 沿 路面板 高度 方 向上 I R H 的分 布呈 现 出明显 梯 度 , 且受水灰比的影响 他们欲模拟在环境干燥和 白 干燥 共 同作用 下早 龄期 混 凝 土结 构 内 I RH 分布 , 进 而由混凝土 I R H 和 收缩之 间 的关 系计 算结 构 内收缩 应变的分布 , 并 最终 求解 结 构 中的 收缩 应力 、 评
21、价 其 开裂风险 , 但首先需求解水分扩散方程 B a z a n t 等 研究指出 昆 凝土中水分扩散过程受其 内部孔 隙湿度 水平影 响显著 , 非线性 的湿度扩 散方程 更能准确 模拟 混凝土结 构内部 的湿度分布 , 因此混凝 土结构湿 度收 缩应力计算 的第 1 步 即为求解 混凝 土水分扩散 系数 混凝土可看作 由砂浆 和粗骨料组成 的两相复合材 料 混凝土的强度、 刚度以及水分扩散等性质将受此两 相及界面相互作用而共 同控制 基材 的水胶 比、 砂浆 和 粗骨料的体积分数以及粗骨料 的性 质等不仅影 响混凝 土 的力学性 能l 1 ” , 而且 还影 响混凝土 中离子传 输口 3
22、 及水分扩散过程 以往关于 I R H 的研究一 般较 多针对 水泥净浆或砂浆 , 且 基材水灰 比区间较 小 , 或只重 点关 注矿物掺和料对 I R H 的影响 , 粗骨料因素未被考查 因 此 , 本文针对工程中常用的普通强度 、 中等强度 和高强 混凝土, 研究粗骨料体积分数和基材水胶比对混凝土 内部相对湿度及水 分扩散 系数 的影响 , 这对环 境 干燥 下早龄期混凝 土结 构 内部 湿度分 布、 收缩分 布 的模 拟 及 收缩应力的计算具有重要意义 1 试 验 设 计 1 1 原 材料 与配 合 比 水 泥 为P O 4 2 5普 通 硅 酸 盐 水 泥 , 密 度 3 1 g c
23、m ; 粗 骨料 为石灰 石质碎 石 , 粒 径 5 2 O i n m 连 续级配 ; 细 骨 料 为 天 然 河 砂 , 细 度 模 数 2 5 ; 粉煤 灰 为一级 低 钙灰 ; 硅 灰 为奥斯 S F 一 9 3级 ; 减 水剂 为 聚 羧 酸 型 为了研究水胶 比和粗骨料体积分数对混凝土 内 部 湿度 和水 分扩 散 系 数 的影 响 , 本 文设 计 了水 胶 比 ( 质量 比) 为 0 6 2 , 0 4 3和 0 3 0 ( 分 别 标 记为 C 3 , C 5 和 C 8 ) 的 3 个 强 度 系 列 的混 凝 土 ; 同 时在 同一 水 胶 比系列 中 , 保 持所用 胶
24、凝 材料 组成及 砂浆 组成 不 变 , 仅单调增加粗骨料体积分数( 2 1 5 0 0 ) , 设计 总骨料体积分数为 5 0 , 6 0 和 7 0 的 3种混凝土 ( 分别标记为 VS 0 , V6 0和 V7 0 ) , 混凝土配合 比见表 1 其 中 , C 3和 C 5系列 粉 煤 灰掺 量 为 胶 凝材 料 总质 量 的 2 O , C 8系列 硅 灰 掺 量 为胶 凝 材 料 总 质 量 的 l O 调整减水剂用量 以保证新拌混凝土的坍 落度 为 8 O 1 0 0 mm 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u
25、t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 建筑材料学报 第 1 7卷 区, 但这些并不是决定混凝土 中水分传输 的主导因 素 , 因此粗骨料体积分数增大时, 对同水胶 比系列混 凝 土 的水分 扩散 系数 的影 响很 小 , 如 图 8 ( b ) 所示 当混凝 土水 胶 比在 0 3 0至 0 6 2之 间 时 , 混 凝 土水分 扩散 系数 随
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- 水胶 骨料 体积 分数 混凝土 内部 相对湿度 扩散系数 影响
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