恒温恒湿环境下粉煤灰混凝土表层湿质扩散性能.pdf
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1、第 1 7卷 第 3期 2 0 1 4年 6月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI I DI NG M ATERI AI S Vo1 1 7。 NO 3 J u n , 2 0 1 4 文 章 编 号 : 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 4 9 4 0 7 恒 温恒湿环境下粉煤灰混凝 土表层湿质扩散性能 鲁彩凤 , 鲁凤 弟 , 王 伟 , 李允 霞 蒋建 ( 1 中国矿业大学 江苏省土木工程环境灾变与结构可靠性重点实验室,江苏 2 安徽交通职业技术学院 土木工程系, 安徽 合肥 2 3 0 0 5 1 ; 3 河海 大学 土木 与交 通学 院
2、,江苏 南 京 2 1 0 0 9 8 ) 盟 。 徐 州 2 2 1 1 1 6; 摘 要 : 在 恒温恒湿环境 下 , 通过 对粉煤 灰 混凝土 试块进 行增 湿 ( 正向扩散 ) 、 干燥 ( 反 向扩散 ) 试 验 , 研 究 了粉煤灰掺 量 、 微环境条件 对粉煤灰混凝 土表 层湿质扩散 的影响 , 并建立 了粉煤灰 混凝 土等效 湿质 扩散 系数 的预 计模型 结果表 明 : 在增湿 和干燥 过程 中, 粉 煤灰混 凝 土微 环境 相对 湿度 响应速 率逐 渐 变缓 , 湿质扩散 系数逐渐减 小 ; 在 微环 境相 对湿度 相 同条件 下 , 1 5 掺 量 ( 质 量分数 ) 粉
3、煤 灰会使 混 凝 土湿质扩散 系数 降低 , 但 4 5 掺 量粉煤灰会使 混凝土湿质扩散 系数 明显增 大; 在粉 煤灰混凝土微环境 温度 和初始 内外相对湿度 差相 同情况下 , 反 向等 效湿质扩散 系数 明显比正 向等 效湿质 扩散 系数 小 关 键词 : 粉 煤 灰混凝 土 ;微环 境相 对 湿度 ;湿质 扩散 系数 中 图分 类号 : TU5 2 8 0 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 3 0 2 2 M o i s t u r e Di f f u s i o n i n F
4、l y As h Co n c r e t e S u r f a c e La y e r i n Co ns t a nt Te m p e r a t u r e a nd H u m i di t y Env i r o nme nt LU C a i f e n g , LUFe n g di , WANG We i , LI Y u n xi a , JI ANG J i a n h u a。 ( 1 J i a n g s u Ke y La b o r a t o r y o f En v i r o n me n t a l I mp a c t a n d S t r u
5、c t u r a l S a f e t y i n E n g i n e e r i n g, Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g g Te c h n o l o g y ,Xu z h o u 2 2 1 1 1 6,Ch i n a ; 2 De pa r t me nt o f Ci v i l Engi n e e r i n g,Anh ui Commu ni c a t i o n Vo c a t i o na l a nd Te c hn i c a l Co l l e ge,H e f e i 23 0 051,Ch
6、i na ; 3 C o l l e g e o f C i v i l a n d Tr a n s p o r t a t i o n En g i n e e r i n g ,Ho h a i Un i v e r s i t y,Na n j i n g 2 1 0 0 9 8,Ch i n a ) Ab s t r a c t :Th e e f f e c t s of f l y a s h r e pl a c e me n t a n d mi c r o e nv i r o n m e nt a 1 c o nd i t i o ns o n mo i s t u r
7、e di f f u s i on i n f l y a s h c on c r e t e s u r f a c e l a y e r we r e s t u d i e d b y h umi di f i c a t i on t e s t ( po s i t i v e di f f us i o n) a n d d r y i n g t e s t ( r e v e r s e d d i f f us i o n) i n c o ns t a nt t e m p e r a t ur e a n d h umi d i t y e n v i r on m
8、e nt The p r e di c t i n g m o d e l f or e qu i v a l e nt mo i s t u r e di f f u s i on c oe f f i c i e nt s o f f l y a s h c onc r e t e wa s c r e a t e dThe r e s ul t s s ho w t h a t i n t h e humi d i f i c a t i o n t e s t a n d dr y i n g t e s t ,t h e mi c r o e nv i r o nme n t r e
9、 l a t i ve humi d i t y r e s po ns e r a t e o f f l y a s h c o nc r e t e gr a d ua l l y s l ows do wn,whi l e t h e m o i s t ur e d i f f us i o n c o e f f i c i e nt de c r e a s e s gr a d ua l l y;1 5 ( b y ma s s ) f l y a s h r e pl a c e me nt r e d uc e s mo i s t u r e di f f u s i o
10、 n c oe f f i c i e nt o f c on c r e t e u nd e r t he s a m e mi c r o e n v i r on m e nt r e l a t i v e humi d i t y,bu t 4 5 f l y a s h r e pl a c e m e nt a c c e l e r a t e s i t Th e r e v e r s e d e qu i v a l e n t moi s t u r e d i f f u s i o n c oe f f i c i e nt i s s i gn i f i c
11、a n t l y s m a l l e r t h a n t he p os i t i v e e q ui v a l e nt mo i s t ur e d i f f us i o n c o e f f i c i e nt i n t he s a me mi c r o e nv i r o n m e nt t e m p e r a t u r e a nd i n i t i a 1 r e l a t i v e h umi d i t y d i f f e r e n c e i ns i de a nd ou t s i d e t he f l y a s
12、 h c on c r e t e Ke y wo r ds :f l y a s h c o nc r e t e;mi c r o e n vi r o n m e nt r e l a t i v e hu m i di t y;moi s t u r e d i f f us i o n c o e f f i c i e nt 水 是侵蚀 介质 ( 如氯 盐 ) 迁移进 入混 凝土 内的载 体 混凝土中的水是影响混凝 土结构耐久性能的一 个重 要 因素 人们在 研究 混凝 土耐久 性 失效 机 理 及建立混凝土使用寿命预测模型时, 通常将外部环 收稿 日期 : 2 0 1 2 - 1
13、 2 - 2 o ;修订 日期 : 2 0 1 3 - 0 4 1 0 基金项 目: 国家 自然科学基金 资助项 目( 5 0 8 7 8 2 0 7 , 5 0 5 3 8 0 7 0 ) ; 安徽省高等学校省级 自然科学研究项 目( KJ 2 0 1 3 B 0 7 1 ) ; 国家 级大学生创新 训练项 目( 2 0 1 3 1 0 2 9 0 0 1 3 ) 第一作者 : 鲁彩凤( 1 9 7 4 一 ) , 女 , 安徽桐城人 , 中国矿业 大学副教授 , 硕士生导师 , 博 士 E ma i l : l u c a i f e n g c u ret e d u c n 学兔兔 w
14、 w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 鲁彩凤 , 等 : 恒温恒湿 环境 下粉煤灰 混凝 土表层湿质扩散性 能 4 9 5 境的相对湿度等 同为混凝土 内部微环境 相对湿度 由于受 混 凝土 本 身 微观 结 构 的影 响 , 混 凝 土 内 部微 环 境相 对湿 度 与 外 部环 境 相 对 湿 度 存 在 较 大差 异 混 凝 土耐久 性 能退化 受 混凝 土相对 湿度 ( 含 湿量 ) 的 影 响 , 应该 是指 受混凝 土 内部微 环 境相对 湿 度 ( 含湿 量) 的影响 如混凝土表面含水率很高但其内部含水 率 很低 , 混凝 土 内部 钢筋 锈蚀 缺少 必
15、要 的水 分 , 钢筋 不会 发生锈 蚀 ; 反过 来 , 混凝 土表 面干燥 但 内部 含水 率较 高 , 则 混凝 土 内部钢 筋仍 存在 锈蚀 的可 能 在进 行混凝土使用寿命 预测 时, 如果直接采用外部环境 相对 湿度 条件 , 必将 给预 测结 果带 来误 差 混凝土内部微环境相对湿度是 由混凝土所处的 外部环境气候和混凝土材料本身性能所 决定 的 在 实际操作 中, 可 以获得或者容易测量 的是外部环境 相对湿度 因此, 研究表层混凝土湿质传输规律 , 探 讨混 凝土 微环 境相 对湿 度与 外部 环境 相对 湿度 之 间 的关 系 , 就 可 以使 用 混 凝 土 微 环境 相
16、 对 湿 度 进 行 混 凝土耐久性退化规律的研究 , 提高混凝土使用寿命 预测 的精 度 目前 , 国内外 已进行 了一 些 有 关 混 凝 土 微 环 境 响应 方 面 的研 究 5 如 姬 永 生 在 人 工 气 候 环 境 下开 展 了环境 相 对 湿 度 、 温 度 以及 混凝 土 强 度 对 混 凝 土孔 隙水饱 和 度 影 响 的试 验研 究 , 并 根 据 理 论 分 析建立了普 通混凝 土孑 L 隙水饱 和度 的定量计 算公 式 ; No r r i s 等 通过在混凝土 内部埋置传感器来监 测 混凝 土 内部 温 湿 度 的 变 化 规 律 ; An d r a d e等
17、通 过在 混凝 土 内部放 置温 湿度 传感 器来 研究 室外 自然 环 境气 候条 件对 混 凝 土 内部 温 度 、 相对 湿 度 的影 响 规律 ; 王新友等 1 综合评述 了不同环境条件下混凝 土 中水 分迁 移机 理 与 理 论模 型 但 上述 已有 研 究 大 多数针 对 的是普 通 混 凝 土 目前 粉 煤 灰混 凝 土 的应 用越来越广泛, 这就使得提 高粉煤灰混凝 土使用寿 命预测精度有着极 为重要 的意义 , 因此很 有必要探 讨粉煤灰混凝土微环境相对湿度响应 问题 而在研 究 粉煤 灰混 凝 土微 环 境 相 对 湿 度 响应 问题 时 , 需 系 统 研究 掺合 料 、
18、 微 环 境 条件 对 混 凝 土 微 环 境 相对 湿 度 响应 的影 响 , 建 立 相关 的混 凝 土 微 环 境 相对 湿 度 响应模 型 本文在人工气候条件下 , 对不同粉煤灰掺量 的 混凝 土试块 进行 增湿 ( 即 正 向扩 散 ) 及 干燥 ( 即反 向 扩散 ) 试验 , 通过 记 录粉煤灰 混凝 土 内部 某 一位 置 处 的相 对湿度 变化 情况 , 研究 粉煤 灰掺量 、 微 环境 条 件 对粉煤 灰混 凝 土微 环 境 相 对 湿 度 响应 的影 响规 律 ; 并基于混凝土传质机理 , 建立 了粉煤灰混凝土等效 湿质 扩散 系数 的预计 模 型 1 人 工气 候 条
19、件 下 粉 煤灰 混 凝 土微 环境相对湿度 响应试验研究 1 1试 验原 材料及 配合 比设计 试验水 泥采用徐州淮海水 泥厂生产 的 P O 4 2 5 水泥 , 其化 学 组 成 ”见 表 1 _ 依 照 GB 1 7 5 2 O 0 7 通 用硅 酸盐 水 泥 , 测 得 水 泥 比表 面 积 为 4 2 0 m k g , 2 8 d抗 压 强 度 为 4 4 5 MP a , 初 凝 时 间 不 小 于 4 5 mi n , 终 凝时 间不 大于 6 0 0 rai n , 沸 煮法合 格 粉煤 灰采 用徐 州 柳 新 彭城 电厂 生 产 的 干排 灰 , 其化学组成见表 1 依照
20、 G B T 1 5 9 6 -2 0 0 5 用于水 泥 和混凝 土 中 的 粉 煤 灰 , 测 得 粉 煤 灰 细 度 ( 4 5 m 方孔 筛 筛 余 ) 为 7 , 需 水 量 比 为 8 4 , 烧 失 量 为 6 2 , 雷 氏夹 沸煮 后增 加距 离不 大于 5 mm, 强 度活 性指 数 为 8 4 7 上 述 表 明该 粉 煤 灰 应 属 级 、 F 类 ( 低钙 粉煤 灰 ) , 可 以作 为 水 泥活 性 混 合 材料 掺 人 到 混凝 土 中 细 骨料采 用河 砂 ( 中砂 ) , 细度 模 数 为 2 3 ; 粗 骨 料 采用 碎石 , 粒径 不大 于 1 5 mm
21、粉 煤灰 混凝 土 配合 比 的设 计采 用 等量 取 代 法 , 粉 煤灰 等量取 代 水 泥 率 分 别 取 : 0 ( 普 通 混 凝 土) , 1 5 , 3 0 , 4 5 由于掺人粉煤灰后混凝土需水量 明显减 少 , 在 用水 量相 同情 况下 , 通过掺 加不 同掺量 ( 即 占胶凝材 料 质量 比) 的聚羧酸 系高 效减水 剂 控制 各配合 比混凝 土坍落度为( 6 5 5 )mm 混凝土配合 比如 表 2 所 示 1 2 试验 方案 相对湿 度 响 应 试 验 采 用 1 0 0 1T i m 1 5 0 mm 3 0 0 mm 的长 方 体试 件 , 试 验 条 件 组 合
22、情 况 见 表 3 将 标 准 养 护 9 0 d的试 件 放 置 在 室 内 自然 环境 2个 月后 进行试 验 表 1 水泥和粉煤灰的化学组成 T a b l e 1 C h e mi c a l c o mp o s i t i o n s ( b y ma s s )o f c e me n t a n d f l y a s h 1 ) 文 中涉及的化学组成 、 需 水量比等 均为质量分数或质量 比 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
23、 m 4 9 8 建筑材料学报 第 1 7 卷 扩 散 系数 D 则 表 征 混 凝 土 湿质 扩 散 能力 , 其 是 混 凝土含水量( 相对湿度) 的函数 由于在干燥或增 湿 过程中, 混凝土内不同位置处相对湿度存在梯度, 所 以 D 随相 对 湿 度 变 化 时也 必 然 随位 置 不 同而 改 变 , 因此式 ( 1 ) 可 改写 成 : 了 3H : =: D 嬖 粤+ 笔 ( 2 ) o t o Z o Z 0 二 L 假设混凝土微环境初始相对湿度为 H。 , 响应过程结 束 时相 对 湿度 为 H 采用 变 量 代换 法 对 式 ( 2 ) 进 行 求解 口 , 得 : 2 M
24、i c r o e n v i r on me nt r e l a t i v e hu mi d i t y D H 一 一 专 J 77d H ( 3 ) 式 中 : 7 为 B o h z ma mn变量 , 7 一z r 由式 ( 3 ) 可知 , 只要 确定 了混 凝 土 内某 一 指 定 位 置 处 相 对 湿 度 H 随扩 散 ( 响应 ) 时 间 r的 变化 规 律 , 或 某 一 时 刻 相 对 湿度 H 随深度 z 的分布规律, 就得到 7 7 与 H 的拟 合关系 , 从而就可以计算湿质扩散系数 D 值 基于 图 2的增 湿 试 验 和 干燥 试 验结 果 , 根 据
25、式 ( 3 ) 分别计算各 试件微环境 达到不 同相对 湿度 时粉煤 灰混凝 土的湿质扩散 系数 , 结果分别见 图 3 ( a ) , ( b ) 言 ( a ) Hu mi d i fi c a t i o n t e s t ( b ) Dr y i n g t e s t 图 3 不 同微环境相 对湿 度时粉煤灰混凝 土的湿 质扩散 系数 F i g 3 M o 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 s o f c o n c r e t e s a t d i f f e r e n t mi c r o e n v
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- 恒温 环境 粉煤 混凝土 表层 扩散 性能
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