蔣建華，袁迎曙，王嵩林，孫冬林

(1. 河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京，210098；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇 徐州，221116；3. 上海眾誼建筑設(shè)計(jì)有限公司，上海，200092)

混凝土含濕量是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性及高溫性能的重要因素[1?3]。而表層混凝土的傳濕性能決定了內(nèi)部含濕量變化，混凝土傳濕性能的研究對(duì)于研究氣候環(huán)境對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)作用定量模式及耐久性退化規(guī)律預(yù)測(cè)具有重要意義。表征混凝土傳濕能力的指標(biāo)為濕氣擴(kuò)散系數(shù)。李魁山等[4]測(cè)試了多種建筑材料的濕氣擴(kuò)散系數(shù)，指出濕氣擴(kuò)散系數(shù)隨試樣兩側(cè)的濕度差而呈指數(shù)形式增長(zhǎng)；黃達(dá)海等[5]測(cè)量了等溫環(huán)境下混凝土向非飽和空氣介質(zhì)傳濕的全過(guò)程，發(fā)現(xiàn)混凝土的濕氣擴(kuò)散系數(shù)嚴(yán)重依賴于混凝土內(nèi)相對(duì)濕度；Delgado[6]利用非穩(wěn)態(tài)濕氣吸附試驗(yàn)得到4種不同建筑材料的濕氣擴(kuò)散系數(shù)，并考慮不同溫度、相對(duì)濕度變化(濕度差)的影響。關(guān)于混凝土內(nèi)相對(duì)濕度的研究，Norris等[7?9]對(duì)混凝土內(nèi)相對(duì)濕度的監(jiān)測(cè)技術(shù)展開(kāi)了研究；馬文彬等[10?13]則開(kāi)展了氣候環(huán)境對(duì)混凝土內(nèi)相對(duì)濕度的影響研究。雖然相關(guān)研究揭示了混凝土濕氣擴(kuò)散系數(shù)的部分變化規(guī)律，但影響因素考慮不夠全面，未建立混凝土濕氣擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算模型；混凝土內(nèi)相對(duì)濕度的響應(yīng)規(guī)律及其預(yù)測(cè)研究還有待深入。本文首先在恒定溫濕度的人工氣候環(huán)境下，開(kāi)展混凝土內(nèi)微環(huán)境相對(duì)濕度的響應(yīng)試驗(yàn)，然后，基于相對(duì)濕度響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果以及傳質(zhì)學(xué)基本理論，計(jì)算各種試驗(yàn)條件下的混凝土濕氣擴(kuò)散系數(shù)，并研究環(huán)境風(fēng)速對(duì)混凝土傳濕過(guò)程的影響；基于混凝土濕氣擴(kuò)散系數(shù)的變化，提出混凝土等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)的概念及計(jì)算模型。最后，基于混凝土傳質(zhì)過(guò)程的基本理論以及濕氣擴(kuò)散系數(shù)的研究成果，建立人工氣候環(huán)境下混凝土內(nèi)相對(duì)濕度響應(yīng)預(yù)測(cè)模型。

1 人工氣候環(huán)境下混凝土相對(duì)濕度響應(yīng)試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

試件采用C25混凝土，水泥、砂子、石子、水質(zhì)量比為1:1.6:2.96:0.54。水泥采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料為河砂(中砂)，細(xì)度模數(shù)為2.7；粗骨料為碎石，其主要成分為石灰?guī)r和粗面巖，粒徑為5～15 mm，級(jí)配良好；水為普通自來(lái)水。

試件長(zhǎng)×寬×高為100 mm×150 mm×250 mm，澆筑混凝土?xí)r，利用塑料管在試件內(nèi)預(yù)留孔洞，預(yù)留孔平行于混凝土試件的暴露面，孔距混凝土表面的距離為25 mm。試件的相關(guān)尺寸及制作如圖1所示。

圖1 濕度響應(yīng)試件設(shè)計(jì)Fig. 1 Specimen design for response of relative humidity

1.2 試驗(yàn)過(guò)程與方法

1.2.1 相對(duì)濕度正向響應(yīng)

恒溫條件下，當(dāng)混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度低于環(huán)境相對(duì)濕度時(shí)，在濕度梯度的作用下，濕氣自混凝土表面向內(nèi)部傳輸，混凝土處于吸濕狀態(tài)，本文將此過(guò)程定義為混凝土相對(duì)濕度正向響應(yīng)。

混凝土試件澆筑、養(yǎng)護(hù)完成后，試驗(yàn)之前，首先利用烘箱將混凝土試件適度烘干，然后將試件置于恒定溫濕度環(huán)境中，采用溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)混凝土內(nèi)部溫濕度條件，最終使混凝土內(nèi)相對(duì)濕度在試驗(yàn)溫度下達(dá)到65%左右。

試件處理完畢后，用塑料管和密封膠將溫濕度探頭埋置到預(yù)留孔中(如圖 1所示)。同時(shí)，為了模擬混凝土濕氣的單向傳輸，除試件暴露表面外，其余表面采用塑料薄膜和環(huán)氧樹(shù)脂密封。之后將試件放入已設(shè)置好溫度、相對(duì)濕度條件的小型人工氣候箱內(nèi)，定時(shí)記錄溫濕度探頭的相對(duì)濕度變化。試驗(yàn)進(jìn)行至混凝土內(nèi)相對(duì)濕度與環(huán)境相對(duì)濕度基本平衡為止。各種溫濕度氣候條件的試驗(yàn)均重復(fù)以上過(guò)程。試驗(yàn)條件組合見(jiàn)表1。

1.2.2 相對(duì)濕度反向響應(yīng)

恒溫條件下，當(dāng)混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度高于環(huán)境濕度時(shí)，混凝土處于干燥狀態(tài)，本文將此過(guò)程定義為混凝土相對(duì)濕度反向響應(yīng)。反向響應(yīng)試驗(yàn)過(guò)程與方法，與正向響應(yīng)試驗(yàn)基本相同，只是混凝土試件內(nèi)外環(huán)境的初始濕度條件有所區(qū)別。為了實(shí)現(xiàn)混凝土內(nèi)濕氣反向(向外)傳輸，首先通過(guò)高濕環(huán)境將混凝土內(nèi)初始相對(duì)濕度控制在(95±1)%(對(duì)應(yīng)試驗(yàn)溫度)，而試驗(yàn)環(huán)境設(shè)定為高溫、低濕條件。反向響應(yīng)試驗(yàn)中，人工氣候環(huán)境溫、濕度條件組合見(jiàn)表1。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制出不同試驗(yàn)條件下，混凝土內(nèi)部25 mm深度位置處相對(duì)濕度隨時(shí)間的變化曲線，部分結(jié)果如圖2所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：(1) 混凝土內(nèi)相對(duì)濕度明顯滯后于環(huán)境相對(duì)濕度，內(nèi)部濕度達(dá)到與環(huán)境濕度相平衡，需要一段較長(zhǎng)時(shí)間。其原因是：(1) 混凝土內(nèi)外濕度響應(yīng)實(shí)質(zhì)為表層混凝土的傳濕過(guò)程，混凝土材料自身孔結(jié)構(gòu)具有一定密實(shí)性，混凝土傳濕是一個(gè)相對(duì)緩慢的過(guò)程；(2) 正向或反向響應(yīng)過(guò)程中，混凝土溫度相同時(shí)，混凝土內(nèi)外初始相對(duì)濕度差(ΔH0=|He?H0|)越大，混凝土內(nèi)相對(duì)濕度響應(yīng)越快，因?yàn)榛炷羶?nèi)外濕度差是濕氣在混凝土內(nèi)部傳輸?shù)尿?qū)動(dòng)力；(3) 與正向響應(yīng)相比，混凝土內(nèi)相對(duì)濕度反向響應(yīng)滯后更加顯著。雖然濕氣在混凝土內(nèi)傳輸?shù)臋C(jī)理以擴(kuò)散為主，但同時(shí)還存在毛細(xì)吸附作用。在正向響應(yīng)過(guò)程中，毛細(xì)吸附可以加速濕氣向混凝土內(nèi)傳輸；在反向響應(yīng)過(guò)程中，則產(chǎn)生抑制作用。

表1 試驗(yàn)條件組合Table 1 Combinations of test conditions

圖2 混凝土內(nèi)相對(duì)濕度響應(yīng)曲線Fig. 2 Response curves of relative humidity in concrete

2 混凝土濕氣擴(kuò)散系數(shù)

2.1 濕氣擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算理論

混凝土內(nèi)相對(duì)濕度響應(yīng)過(guò)程的主要機(jī)理為濕氣在混凝土內(nèi)的擴(kuò)散。從濃度變化角度可將固體中的擴(kuò)散分為穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散與非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散。混凝土相對(duì)濕度響應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果證明：混凝土的濕氣傳輸歸結(jié)為非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散。根據(jù)傳質(zhì)學(xué)理論，非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散問(wèn)題的控制方程為菲克擴(kuò)散第二定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下[14]：

式中：ρ為擴(kuò)散組元的質(zhì)量濃度，kg/m3；D為擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；τ為擴(kuò)散時(shí)間，s；x為內(nèi)部某一截面距離固體表面的深度，m。

實(shí)際的固體擴(kuò)散中，擴(kuò)散系數(shù)通常是隨濃度和位置而改變的變值。采用變量代換法，對(duì)式(1)進(jìn)行求解，得到擴(kuò)散系數(shù)的理論表達(dá)式為

于是，基于式(2)，將混凝土內(nèi)相對(duì)濕度H視為擴(kuò)散物質(zhì)濃度C，令混凝土內(nèi)初始相對(duì)濕度為H0，響應(yīng)過(guò)程時(shí)刻末對(duì)應(yīng)的混凝土內(nèi)相對(duì)濕度為Hf，則混凝土的濕氣擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算表達(dá)式為

2.2 正向濕氣擴(kuò)散系數(shù)

混凝土內(nèi)深度x一定時(shí)，η僅為時(shí)間τ的函數(shù)。因此，只要利用試驗(yàn)方法確定混凝土試件內(nèi)某一特定截面上相對(duì)濕度H隨時(shí)間τ的變化規(guī)律，就可以利用式(3)計(jì)算D。

圖 3所示為不同混凝土內(nèi)外初始濕度差(ΔH0)情況下，混凝土內(nèi)不同相對(duì)濕度時(shí)對(duì)應(yīng)的正向濕氣擴(kuò)散系數(shù)DF的計(jì)算結(jié)果。

同時(shí)，為了充實(shí)混凝土正向濕氣擴(kuò)散系數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用孫紅萍[15]的試驗(yàn)結(jié)果(ΔH0=30%)進(jìn)行計(jì)算，得到不同溫度(T)和水灰比(w/c)組合條件下，混凝土內(nèi)不同相對(duì)濕度時(shí)對(duì)應(yīng)的DF，見(jiàn)表2。

綜合圖3和表2中的結(jié)果表明：混凝土正向濕氣擴(kuò)散系數(shù)DF隨混凝土內(nèi)相對(duì)濕度H而變化，同時(shí)還受到混凝土水灰比w/c、溫度t和初始濕度差ΔH0影響。其他條件一定時(shí)，H越大，DF越??；w/c，t和ΔH0越大，DF越大。

圖3 正向濕氣擴(kuò)散系數(shù)演變規(guī)律Fig. 3 Changes in forward diffusion coefficients of moisture

2.3 反向濕氣擴(kuò)散系數(shù)

基于人工氣候環(huán)境下混凝土內(nèi)相對(duì)濕度反向響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果，利用式(3)計(jì)算混凝土反向濕氣擴(kuò)散系數(shù)DB，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

不同混凝土溫度和水灰比組合條件下，混凝土內(nèi)不同相對(duì)濕度時(shí)對(duì)應(yīng)的DB，見(jiàn)表3。

綜合圖4和表3可見(jiàn)：混凝土反向濕氣擴(kuò)散系數(shù)DB隨混凝土內(nèi)相對(duì)濕度H的升高而增大，同時(shí)也受到混凝土水灰比w/c、溫度t和初始濕度差ΔH0影響；其他條件一定時(shí)，w/c，t和ΔH0越大，DB越大；與混凝土相對(duì)濕度正向響應(yīng)相比，在混凝土w/c，t，ΔH0以及H相同的條件下，混凝土的反向濕氣擴(kuò)散系數(shù)DB明顯小于正向濕氣擴(kuò)散系數(shù)DF。

表2 不同條件下混凝土正向濕氣擴(kuò)散系數(shù)Table 2 Forward diffusion coefficients of moisture in concrete under different conditions 10?6 m2/h

表3 不同條件下混凝土反向濕氣擴(kuò)散系數(shù)(×10?6 m2/h)Table 3 Backward diffusion coefficients of moisture in concrete under different conditions

圖4 反向濕氣擴(kuò)散系數(shù)演變規(guī)律Fig. 4 Changes in backward diffusion coefficients of moisture

3 環(huán)境風(fēng)速對(duì)濕氣擴(kuò)散系數(shù)的影響

實(shí)際自然氣候環(huán)境下，混凝土結(jié)構(gòu)表面空氣處于流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)混凝土內(nèi)部濕度較大時(shí)，環(huán)境風(fēng)速將加快混凝土內(nèi)部濕氣向外傳輸。

3.1 風(fēng)速影響的試驗(yàn)研究

采用與1.1節(jié)中相同的試件設(shè)計(jì)，但試件混凝土包含3種不同等級(jí)，水灰比(w/c)分別為0.62，0.54和0.48。為了研究環(huán)境風(fēng)速對(duì)混凝土內(nèi)相對(duì)濕度反向響應(yīng)的影響，本文設(shè)計(jì)了一套模擬環(huán)境風(fēng)速作用的試驗(yàn)裝置。該裝置通過(guò)調(diào)壓儀來(lái)控制風(fēng)機(jī)的不同轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)速，并利用風(fēng)速測(cè)定儀實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的風(fēng)速。

整個(gè)試驗(yàn)裝置位于人工氣候環(huán)境室內(nèi)(溫度為(30±1) ℃、相對(duì)濕度為(70±3)%，裝置內(nèi)環(huán)境與人工氣候室環(huán)境相同。在試驗(yàn)過(guò)程中，在不同風(fēng)速vw(4.2 m/s，6.6 m/s和8.5 m/s)作用下，持續(xù)記錄混凝土內(nèi)25 mm深度處相對(duì)濕度隨時(shí)間的變化，部分記錄結(jié)果如圖5所示。

圖5 風(fēng)速作用下混凝土內(nèi)相對(duì)濕度響應(yīng)曲線Fig. 5 Response curves of relative humidity in concrete under wind speed

模擬環(huán)境風(fēng)速影響的試驗(yàn)結(jié)果表明：(1) 風(fēng)速對(duì)混凝土內(nèi)濕氣的反向擴(kuò)散影響明顯，環(huán)境風(fēng)速越大，混凝土內(nèi)濕氣反向擴(kuò)散就越快；同時(shí)，環(huán)境風(fēng)速越大，混凝土水灰比對(duì)濕氣反向傳輸速率的影響越顯著；(2) 風(fēng)速對(duì)混凝土濕氣反向傳輸影響的大小，與混凝土的水灰比相關(guān)，混凝土水灰比越大，風(fēng)速對(duì)濕氣反向傳輸?shù)挠绊懺斤@著。

3.2 考慮風(fēng)速影響的混凝土反向濕氣擴(kuò)散系數(shù)

加快混凝土表面的空氣流動(dòng)速度(風(fēng)速)能夠使蒸發(fā)界面上的空氣層變薄，加強(qiáng)熱量的傳遞和水蒸氣向外的擴(kuò)散，從而提升混凝土的干燥速率。環(huán)境風(fēng)速對(duì)混凝土相對(duì)濕度反向響應(yīng)的影響可以體現(xiàn)在反向濕氣擴(kuò)散系數(shù)上。

基于風(fēng)速作用下的混凝土相對(duì)濕度反向響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果，利用式(3)計(jì)算對(duì)應(yīng)的混凝土反向濕氣擴(kuò)散系數(shù)DB，部分計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 不同風(fēng)速下混凝土反向濕氣擴(kuò)散系數(shù)Table 4 Backward diffusion coefficients of moisture in concrete under different wind speeds 10?7 m2/h

從表4可以看出：混凝土水灰比、含濕狀態(tài)和環(huán)境風(fēng)速對(duì)混凝土反向濕氣擴(kuò)散系數(shù)均存在影響。其他條件相同的情況下，w/c越小，DB越小；vw和H越大，DB越大。

環(huán)境風(fēng)速對(duì)混凝土反向濕氣擴(kuò)散系數(shù)的影響基本服從指數(shù)函數(shù)規(guī)律。若在風(fēng)速vw=0的條件下，混凝土反向濕氣擴(kuò)散系數(shù)記為D0，則考慮風(fēng)速影響的反向濕氣擴(kuò)散系數(shù)DBw可表達(dá)為：

式中：vw為環(huán)境風(fēng)速，m/s；α定義為環(huán)境風(fēng)速影響系數(shù)，是混凝土水灰比的函數(shù)，α=2.195×(w/c)?0.835。

4 等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)

圖 6所示為混凝土試件相對(duì)濕度正向響應(yīng)(HR-F-1)和反向響應(yīng)(HR-B-1)過(guò)程中，混凝土濕氣擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間的變化。從圖6可以看出：在整個(gè)濕度響應(yīng)時(shí)間段內(nèi)，混凝土濕氣擴(kuò)散系數(shù)不斷下降，前期下降速率較快，后期逐漸逼近于 0，這主要與混凝土內(nèi)濕度梯度的變化有關(guān)。

鑒于濕氣擴(kuò)散系數(shù)的變化，為了建立混凝土內(nèi)相對(duì)濕度響應(yīng)預(yù)測(cè)模型，本文提出混凝土等效濕氣擴(kuò)散

圖6 混凝土濕氣擴(kuò)散系數(shù)隨時(shí)間演變規(guī)律Fig. 6 Changes in diffusion coefficients of moisture with time

系數(shù)的概念。若將混凝土相對(duì)濕度響應(yīng)過(guò)程的時(shí)段記為(0，τ)，對(duì)該時(shí)間區(qū)間的濕氣擴(kuò)散系數(shù)積分，并取其積分平均值，即

式中：τ為混凝土內(nèi)相對(duì)濕度響應(yīng)時(shí)間。本文將定義為混凝土的等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)。

按照定義式(5)，并基于上述混凝土濕氣擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算結(jié)果，得到了不同試驗(yàn)條件下混凝土的等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)。圖 7所示為不同初始相對(duì)濕度差 ΔH0影響下的混凝土。

從圖7可以看出：混凝土隨著ΔH0的升高而增大，且兩者服從指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

表5和6所示為考慮混凝土水灰比w/c和溫度t影響的混凝土正向、反向等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)。

從表5和表6可見(jiàn)：w/c和t均是混凝土等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)

D的重要影響因素?？傮w而言，w/c和t越大，越大。

綜上所述，混凝土等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)的影響因素主要包括混凝土w/c，t和ΔH0。本文借助 DataFit軟件對(duì)混凝土等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行多元非線性回歸分析，從而確立其計(jì)算模型，分別如式(6)和(7)所示。

圖7 初始濕度差對(duì)等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)的影響Fig. 7 Effects of ΔH0 on equivalent diffusion coefficients of moisture

表5 混凝土正向等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)Table 5 Equivalent forward diffusion coefficients of moisture in concrete 10?6 m2/h

表6 混凝土反向等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)Table 6 Equivalent backward diffusion coefficients of moisture in concrete 10?6 m2/h

式中：F為混凝土正向等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)，m2/h；B為混凝土反向等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)，m2/h；w/c為混凝土水灰比，其適用范圍 0.48≤w/c≤0.62；t為混凝土內(nèi)溫度，℃；ΔH0為混凝土內(nèi)外初始相對(duì)濕度差，%。

5 混凝土內(nèi)相對(duì)濕度響應(yīng)預(yù)測(cè)模型

5.1 模型的推導(dǎo)

混凝土內(nèi)的濕氣傳輸過(guò)程由 Fick第二定律所決定[14]：

式中：H為相對(duì)濕度，%；D為混凝土的濕氣擴(kuò)散系數(shù)， m2/h；τ為時(shí)間，h。

混凝土內(nèi)相對(duì)濕度響應(yīng)過(guò)程中，D為變值，但根據(jù)本文提出的混凝土“等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)”概念，可以用取代D。于是，式(8)可轉(zhuǎn)化為

假定混凝土內(nèi)部初始相對(duì)濕度均勻一致為H0，環(huán)境相對(duì)濕度恒定為He，那么有

利用初始條件和邊界條件對(duì)式(9)求解，則可以獲得任意時(shí)間混凝土內(nèi)部任意位置處的相對(duì)濕度H，如式(10)所示：

式中：erf(φ)為誤差函數(shù)；x為距離混凝土表面的深度，m；為濕氣在混凝土內(nèi)的等效擴(kuò)散系數(shù)，m2/h。

5.2 模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

混凝土相對(duì)濕度響應(yīng)預(yù)測(cè)模型式(10)中，涉及誤差函數(shù) erf(φ)的計(jì)算，本文采用雙曲正切函數(shù)近似計(jì)算法[16]，即

下面以試驗(yàn) HR-F-1為例，介紹混凝土內(nèi)相對(duì)濕度響應(yīng)值的計(jì)算過(guò)程。已知條件為：測(cè)試點(diǎn)距混凝土表面的距離x=0.025 m，混凝土水灰比w/c=0.54，溫度T=30 ℃，實(shí)際混凝土內(nèi)初始相對(duì)濕度H0=65.7%，實(shí)際環(huán)境相對(duì)濕度He=74%。

(1) 首先，利用公式(6)計(jì)算相應(yīng)的混凝土等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)：

(2) 將等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)代入式(11)，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)不同時(shí)刻的誤差函數(shù)值erf(φ)；

(3) 將混凝土內(nèi)初始相對(duì)濕度H0，環(huán)境相對(duì)濕度He，以及不同時(shí)刻的誤差函數(shù)值erf(φ)代入式(10)，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)不同時(shí)刻的混凝土內(nèi)相對(duì)濕度響應(yīng)值。將混凝土內(nèi)相對(duì)濕度的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較，結(jié)果如圖8所示。

同理，可以計(jì)算反向響應(yīng)試驗(yàn) HR-B-2中混凝土內(nèi)相對(duì)濕度響應(yīng)結(jié)果，如圖9所示。

圖8 試驗(yàn)HR-F-1中混凝土相對(duì)濕度計(jì)算值Fig. 8 Calculated values of relative humidity in concrete during test HR-F-1

圖9 試驗(yàn)HR-B-2中混凝土相對(duì)濕度計(jì)算值Fig. 9 Calculated values of relative humidity in concrete during test HR-B-2

從圖8和圖9中可以看出：混凝土內(nèi)相對(duì)濕度的理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)一致，并且數(shù)值上較吻合。分析其原因，主要是由于本文的混凝土等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算模型，綜合考慮了混凝土水灰比、溫度和初始濕度差的影響；同時(shí)，通過(guò)改進(jìn)混凝土內(nèi)相對(duì)濕度的測(cè)量方法，提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度。驗(yàn)證結(jié)果表明：本文建立的混凝土等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算模型與混凝土內(nèi)相對(duì)濕度響應(yīng)預(yù)測(cè)模型可行。

6 結(jié)論

(1) 人工氣候環(huán)境下，混凝土內(nèi)相對(duì)濕度與環(huán)境相對(duì)濕度響應(yīng)存在顯著滯后?；炷了冶葁/c、溫度T和初始濕度差ΔH0是混凝土內(nèi)相對(duì)濕度響應(yīng)的重要影響因素；w/c越大、t越高、ΔH0越大，相對(duì)濕度響應(yīng)越快。

(2) 混凝土濕氣擴(kuò)散系數(shù)是混凝土內(nèi)相對(duì)濕度的函數(shù)，同時(shí)還受混凝土水灰比、溫度和初始濕度差影響；環(huán)境風(fēng)速對(duì)混凝土反向濕氣擴(kuò)散系數(shù)具有重要影響，且其影響服從指數(shù)函數(shù)規(guī)律。

(3) 基于混凝土濕氣擴(kuò)散系數(shù)的變化，本文提出了混凝土等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)的概念，并建立了綜合考慮混凝土水灰比、溫度和初始濕度差影響的等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算模型。

(4) 基于混凝土等效濕氣擴(kuò)散系數(shù)，利用Fick第二定律建立了恒定人工氣候環(huán)境下混凝土內(nèi)相對(duì)濕度響應(yīng)預(yù)測(cè)模型，并驗(yàn)證了模型的可行性。

[1]Oh B H, Jang S Y. Effects of material and environmental parameters on chloride penetration profiles in concrete structures[J]. Cement and Concrete Research, 2007, 37(1):47?53.

[2]Andrade C, Sarria J, Alonso C. Relative humidity in the interior of concrete exposed to natural and artificial weathering[J].Cement and Concrete Research, 1999, 29(8): 1249?1259.

[3]邊松華, 朋改非, 趙章力, 等. 含濕量和纖維對(duì)高性能混凝土高溫性能的影響[J]. 建筑材料學(xué)報(bào), 2005, 8(3): 321?327.BIAN Songhua, PENG Gaifei, ZHAO Zhangli, et al. Effects of moisture contents and fibers on properties of high performance concrete at high temperatures[J]. Journal of Building Materials,2005, 8(3): 321?327.

[4]李魁山, 張旭, 韓星, 等. 建筑材料水蒸氣滲透系數(shù)實(shí)驗(yàn)研究[J]. 建筑材料學(xué)報(bào), 2009, 12(3): 288?291.LI Kuishan, ZHANG Xu, HAN Xing, et al. Experimental research of water vapor permeability through building materials[J]. Journal of Building Materials, 2009, 12(3):288?291.

[5]黃達(dá)海, 劉光廷. 混凝土等溫傳濕過(guò)程的試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào), 2002, 33(6): 96?100.HUANG Dahai, LIU Guangting. Experimental study on moisture transfer in concrete under quasi isothermal condition[J].Journal of Hydraulic Engineering, 2002, 33(6): 96?100.

[6]Delgado J M P Q. Measurement of diffusion coefficients in building materials using the initial rate of sorption[J]. Defect and Diffusion Forum, 2006, 258/259/260: 85?90.

[7]Norris A, Saafi M, Romine P. Temperature and moisture monitoring in concrete structures using embedded nanotechnology/micro-electromechanical systems (MEMS)sensors[J]. Construction and Building Materials, 2008,22(2):111?120.

[8]Chang C Y, Hung S S. Implementing RFIC and sensor technology to measure temperature and humidity inside concrete structures[J]. Construction and Building Materials, 2012, 26(1):628?637.

[9]Barroca N, Borges L M, Velez F J, et al. Wireless sensor networks for temperature and humidity monitoring within concrete structures[J]. Construction and Building Materials,2013, 40(3): 1156?1166.

[10]馬文彬. 氣候環(huán)境變化與混凝土內(nèi)微環(huán)境的響應(yīng)規(guī)律研究[D].徐州: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院, 2007: 62?69.MA Wenbin. Response regularity of microenvironment in concrete under climate variations[D]. Xuzhou: China University of Mining and Technology. School of Architecture and Civil Engineering, 2007: 62?69.

[11]Ryu D W, Ko J W, Noguchi T. Effects of simulated environmental conditions on the internal relative humidity and relative moisture content distribution of exposed concrete[J].Cement and Concrete Composites, 2011, 33(1): 142?153.

[12]Parrott L J. Some effects of cement and curing upon carbonation and reinforcement corrosion in concrete[J]. Materials and Structures, 1996, 29(3): 164?173.

[13]Nilsson L O. Long-term moisture transport in high performance concrete[J]. Materials and Structures, 2002, 35(10): 641?649.

[14]李汝輝. 傳質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)[M]. 北京: 北京航空出版社, 1987:133?169.LI Ruhui. Mass transfer theory[M]. Beijing: Beihang University Press, 1987: 133?169.

[15]孫紅萍. 表層混凝土導(dǎo)熱系數(shù)與濕質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的規(guī)律研究[D].徐州: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院, 2009: 53?82.SUN Hongping. Study on thermal conductivity and humidity diffusion coefficient of surface layer concrete[D]. Xuzhou:China University of Mining and Technology. School of Architecture and Civil Engineering, 2009: 53?82.

[16]田錦州, 徐乃忠, 李鳳明. 誤差函數(shù) erf(x)近似計(jì)算及其在開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 煤礦開(kāi)采, 2009, 14(2): 33?35.TIAN Jinzhou, XU Naizhong, LI Fengming. Proximate calculation of error function erf(x) and its application in mining subsidence prediction[J]. Coal Mining Technology, 2009, 14(2):33?35.