韓進生, 李宗利, 張國輝, 譚 聰, 韓金家

(1.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院， 陜西 楊凌 712100；2.昆明理工大學 電力工程學院， 云南 昆明 650500)

混凝土內部濕度大小對其力學性能具有顯著影響[1].在SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》和GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》等相關標準規(guī)定中，試件從標準養(yǎng)護室取出后應立即進行測試，即意味著一般混凝土的強度是從濕態(tài)的試件獲取的；在試件取出后，測試前應采用濕布覆蓋、防止干燥，說明試件內部的濕度變化會引起強度的變化.在研究混凝土內部濕度效應時需要得到干基混凝土，但是規(guī)范并沒有給出具體的干燥溫度和干燥方式，造成研究者所采用的干燥條件各不相同，勢必引起研究結果的差異.張永亮[2]將混凝土試件自然風干后測試其力學性能.宋來忠等[3]將試件放入烘箱，分別采取50℃和100℃烘烤1d后再進行水飽和處理.王海龍等[4]將飽水試件先用50℃的溫度烘烤1d，然后分別升溫至65℃和75℃烘烤3d，最后在85℃下烘烤至恒重.劉保東等[5]在45℃下將混凝土烘干至恒重.李鑫鑫[6]先將混凝土分別在 30℃ 和50℃下干燥2d，然后在110℃下干燥至恒重.馮馳等[7]在研究加氣混凝土等溫吸濕曲線時，將試件分別在70℃和105℃下烘干至恒重.Yurtdas等[8]采用的干燥溫度為60℃，而Cadoni等[9]采用 50℃.以上表明，實際研究中確實沒有統(tǒng)一的干燥標準，而不同干燥過程對混凝土的強度會造成影響.張國輝等[10]建議105℃為最佳干燥溫度，但其研究對象僅針對C20混凝土，并不能覆蓋工程上常用的混凝土強度等級.不同強度等級的混凝土孔隙率及孔隙結構不同，其飽和含水率也存在差異.本文采用不同溫度對不同強度等級的混凝土開展干燥脫水試驗，分析了干燥失水變化規(guī)律及其作用機理，為混凝土加熱干燥工藝設計提供參考.

1 試驗

1.1 原材料

1)文中涉及的用水量、含泥量等均為質量分數(shù).

水泥：陜西冀東水泥廠產“盾石”牌P·O 42.5R級普通硅酸鹽水泥，標準稠度用水量1)28.78%；初、終凝時間分別為3.7，5.7h；28d抗壓、抗折強度分別為49.30，8.43MPa.砂：陜西渭河砂場的天然中砂，細度模數(shù)2.75，堆積密度1771.67kg/m3，表觀密度2.56g/cm3，含泥量1.2%.粗骨料：陜西渭河卵石，粒徑5～20mm，堆積密度1648.71kg/m3，表觀密度2.62g/cm3，含泥量0.33%.減水劑：青島虹夏聚羧酸高效減水劑.粉煤灰：河南藍科Ⅱ級粉煤灰，密度2.34g/cm3，勃氏比表面積360m2/kg，含水量0.5%，燒失量2.34%；三氧化硫含量2.14%，氧化鈣含量9.80%，二氧化硅含量51.49%，三氧化二鋁含量24.36%，三氧化二鐵含量5.49%.

1.2 試驗儀器及試件制備

天津市試驗儀器廠產電熱恒溫鼓風干燥箱；電子天平，精度為 1.0g.混凝土試件為 100mm×100mm×100mm的立方體，標準養(yǎng)護，拌和過程按SL 352—2006《水工混凝土試驗規(guī)程》進行，混凝土強度等級分別為C20，C30，C40，C50，配合比及主要參數(shù)見表1.

1.3 試驗設計與方法

將標準養(yǎng)護28d的混凝土試件按照強度等級分為40組，每組6塊試件，其中20組作為對照組，20組作為試驗組.對照組試件進行破碎處理，每個破碎塊直徑不大于2倍的最大骨料粒徑，將對照組破碎塊裝入托盤后均勻平鋪，進行干燥，稱量時注意不要將破碎塊拋灑出.分別在不同溫度下干燥試驗組和對照組試件，干燥前用干布將試件表面的水擦拭干凈后測量其質量并記錄數(shù)據(jù).

干燥方式為持續(xù)干燥，干燥溫度(θ)分別為60，80，105，120，150℃.干燥箱達到預設溫度后，將試件放置于其中的不銹鋼網(wǎng)板上，每層2組，試件間隔 100mm 均勻放置.干燥前期每隔1h測量1次試件質量，結果取6塊試件的平均值，測量在10min內完成；后期每隔4h測量1次，直至試件達到完全干燥狀態(tài).對照組適當延長測量時間間隔，以減少因測量過程導致的誤差.定義失水率(wL)為試件失水量和失水前總質量之比，干燥速率為試件在單位時間和單位面積內蒸發(fā)的水分質量，單位為kg/(h·m2).

2 結果及分析

2.1 混凝土干燥速率分析

以150℃干燥條件為例，各強度等級試件的干燥速率隨干燥時間的變化如圖1所示.

圖1 150℃下不同強度等級混凝土的干燥速率曲線Fig.1 Drying rate curves of concretes with different strength grades at 150℃

由圖1可知，不同強度等級混凝土的干燥速率隨干燥時間的變化規(guī)律基本一致，可將其分為3個階段(以C50混凝土為例)：(1)AB段為升速干燥階段，該階段混凝土吸收的熱量一部分用于加熱混凝土，使得混凝土溫度升高，另一部分用于將混凝土表層的水分蒸發(fā)，隨著干燥時間的延長，干燥速率逐漸增大并在B點達到最大值，升速干燥階段的持續(xù)時間約為3h；(2)BC段為降速干燥階段，隨著干燥的進行，混凝土表層水分已經基本蒸發(fā)，水分蒸發(fā)面逐漸向內部移動，混凝土內部由于干燥路徑增長，阻力增大，內部水分遷移到表面的速率越來越小，且小于水分在表面的蒸發(fā)速率，因此C點的干燥速率僅為B點干燥速率的1%；(3)CD段為基本干燥階段，此階段混凝土干燥速率極低且數(shù)值保持不變，D點的干燥速率約為0.0007kg/(h·m2).若定義混凝土干燥速率小于0.001kg/(h·m2)時為完全干燥狀態(tài)，則混凝土試件在D點已達到完全干燥狀態(tài).

在不同干燥溫度θ下，不同強度等級混凝土達到完全干燥狀態(tài)所需時間(td)、總失水量、失水率、最大干燥速率以及對照組失水率見表2.由表2可見，試驗組與對照組試件的失水率基本吻合，可以認為試驗組已經完全干燥.

表2 混凝土試件干燥結果

不同強度等級、不同干燥溫度混凝土濕基含水率隨干燥時間變化的規(guī)律如圖2，3所示.

由表2和圖2可知，混凝土強度等級越高，完全干燥所需時間越長，總失水量越少，最大干燥速率越小.以150℃為例，C20混凝土完全干燥所需時間、總失水量和最大干燥速率分別是C50混凝土的0.53，1.40和2.11倍.

結合表2和圖3可知，干燥溫度越高，混凝土完全干燥所需時間越短，總失水量越多，最大干燥速率越大.以C20混凝土為例，其在150℃下完全干燥所需時間、總失水量和最大干燥速率分別是在60℃下干燥時的0.08，1.42和11.88倍.

圖2 150℃下不同強度等級混凝土的濕基含水率變化Fig.2 Moisture content variation of concretes with different strength grades at 150℃

圖3 不同干燥溫度下C20混凝土的濕基含水率變化Fig.3 Moisture content variation of C20 concrete under different drying temperatures

2.2 干燥時間變化規(guī)律

不同強度等級混凝土完全干燥所需時間td與干燥溫度θ的關系如圖4所示.

圖4 不同強度等級混凝土完全干燥所需時間與干燥溫度的關系Fig.4 Relationship between completely drying time and drying temperature of concretes with different strength grades

結合表2和圖4可知：對于相同強度等級的混凝土，干燥溫度越高，完全干燥所需時間越短；相同干燥溫度下，混凝土強度等級越高，完全干燥所需時間越長.當干燥溫度為60℃時，不同強度等級混凝土完全干燥所需時間均在400h以上，遠高于其他干燥溫度下的完全干燥所需時間；當干燥溫度在120℃以上時，混凝土完全干燥所需時間均小于100h，且不同強度等級混凝土完全干燥所需時間差異較小，各級之間的差異值均小于24h.

水分蒸發(fā)是吸熱過程，在標準大氣壓下，1mol水分在一定溫度下蒸發(fā)所需的熱量稱為蒸發(fā)熱.蒸發(fā)熱與蒸發(fā)時的溫度和壓強有關，在相同大氣壓下，等質量的液體蒸發(fā)時，溫度越高，所需熱量越少.因此，在相同大氣壓下，相同強度等級的混凝土在干燥時，干燥溫度越高，水分吸熱速率越快，且水分蒸發(fā)所需熱量越少，完全干燥所需時間越短.在相同干燥溫度下，混凝土中水分吸熱速率和所需熱量相同，但是由于混凝土強度等級提高，其內部密實度加大，缺陷量減少，水分從混凝土內部排出時所遇到的阻力增大，因此完全干燥所需時間增加.對不同干燥溫度下混凝土完全干燥所需時間進行擬合，得到完全干燥所需時間td和干燥溫度θ的經驗計算公式如下：

C20：td=39.43501+13525.96×0.94273θ，

R2=0.998

(1)

C30：td=50.56242+13797.30×0.94290θ，

R2=0.993

(2)

C40：td=61.77485+16005.76×0.94254θ，

R2=0.991

(3)

C50：td=72.25158+15840.18×0.94485θ，

R2=0.986

(4)

2.3 混凝土完全干燥時失水率變化的分析

通過試驗發(fā)現(xiàn)，不同干燥溫度下混凝土完全干燥時的失水率存在差異.由表2可知：隨著干燥溫度θ的升高，混凝土達到完全干燥時的失水率逐漸增大；60℃下干燥所失去的水分最少，C20，C30，C40，C50混凝土在60℃下達到完全干燥時的失水率分別為150℃下的0.72，0.71，0.63，0.63倍.

不同干燥溫度下混凝土失水率的差異是由于脫水的形式不同造成的，下面從2個方面給予解釋.

一方面，混凝土內不同類型的水分脫水溫度不同.混凝土中的水分存在形式主要有結晶水、吸附水和自由水3種形式[11].其中自由水與普通水的性質相同，吸收一定的熱量即可蒸發(fā)；吸附水可分為凝膠水和毛細孔水，其結合力較弱，脫水溫度也較低；結晶水按照其結合力的強弱可以分為強結合水和弱結合水，強結合水只有在較高溫度下晶格破壞時才能脫去，而部分弱結合水在100～200℃下即可脫去[12-13].混凝土的干燥過程主要是膠凝材料部分脫水的過程，粗細骨料基本不發(fā)生變化.硅酸鹽水泥水化產物主要為水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)、氫氧化鈣(CH)和鈣礬石(AFt)等.在水泥凈漿中氫氧化鈣約占水化產物總質量的20%，其脫水溫度一般為400～500℃[14]，因此在本文研究溫度范圍內氫氧化鈣不會脫水.關于鈣礬石的相關研究表明[13]，在50℃時其有少量結晶水脫出，在74℃左右時其脫水相當強烈，該溫度雖在本文設計的干燥溫度區(qū)間內，但由于鈣礬石含量低于7%，因此可忽略其脫水量對結果的影響.水化硅酸鈣凝膠約占水化產物總質量的70%，有文獻表明[15]，水化硅酸鈣凝膠是水泥漿體中最早受溫度影響的固相，且在80℃以后就開始發(fā)生變化，其結晶水脫落發(fā)生在 100℃ 左右[15].另外，水化硅酸鈣凝膠是無定形結構，原材料、配合比、齡期和尺寸等因素的不同都會造成其成分與結構上的差異，從而影響到其脫水溫度及在不同溫度下的脫水程度[16]，但是其開始脫水時的溫度相差不大.因此在本文研究的溫度范圍內，結晶水的脫去主要發(fā)生在水化硅酸鈣凝膠中.

另一方面，通過混凝土差熱-熱重試驗結果進行驗證.Zhang等[17]對與C20混凝土相同水灰比的水泥凈漿進行差熱-熱重分析得出：當干燥溫度為 67～71℃ 時，混凝土中的物理水(自由水和吸附水)蒸發(fā)擴散，質量損失約為水泥凈漿總質量的21%，由于水泥凈漿質量與混凝土總質量之比為0.1757，所以失去的這部分水分約為混凝土總質量的3.69%；當干燥溫度為100℃左右時，混凝土中的部分弱結合水開始脫落.本試驗中，C20混凝土在干燥溫度為60，80℃時的失水率分別為3.54%和3.89%，試驗結果與文獻[17]基本吻合，因此可以認為當干燥溫度為60～80℃ 時，混凝土干燥失去的水分為自由水和吸附水.

混凝土作為多孔介質材料，其水分遷移過程十分復雜，因此很難用一種比較通用的機理來解釋.本文初步運用修正Page模型Ⅱ[18]對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到干燥溫度為150℃時C20混凝土濕分比MR(某時刻脫去的自由含水率與初始總自由含水率的比值)與干燥時間t的擬合曲線，如圖5所示.

圖5 150℃下C20混凝土干燥過程與修正Page模型Ⅱ的擬合曲線Fig.5 Drying process of C20 concrete and modified Page model Ⅱ fitting curve at 150℃

從圖5可以看出，修正Page模型 Ⅱ 適用于C20混凝土在150℃下的干燥過程描述，其相關系數(shù)R2為0.991.以C20混凝土在150℃下的干燥過程為基準，引入溫度系數(shù)α1，α2和強度等級系數(shù)β，對修正Page模型Ⅱ進行修正，得到適用于混凝土的干燥模型：

MR=α1aexp(-α2βktn)

(5)

式中：a，k和n為與干燥介質有關的經驗常數(shù)，分別取1.04，0.24和1.

經過多次數(shù)據(jù)擬合，得到不同強度等級混凝土干燥模型的參數(shù)，見表3.

表3 混凝土干燥模型參數(shù)

根據(jù)不同干燥溫度、不同強度等級混凝土的干燥試驗數(shù)據(jù)，對上述模型進行驗算，所得結果與試驗數(shù)據(jù)擬合度較高，相關性較強，因此式(5)可以作為C20～C50混凝土在60～150℃下的干燥模型，為預估各時段混凝土含水率提供依據(jù).

3 結論

(1)不同干燥溫度下，不同強度等級混凝土的干燥脫水規(guī)律基本相同，均分為3個階段：升速干燥階段、降速干燥階段和基本干燥階段.升速干燥階段一般持續(xù)3h，與混凝土強度等級無關.

(2)相同干燥溫度下，混凝土強度等級越高，干燥速率越小，完全干燥所需時間越長，總失水量越少；混凝土強度等級相同時，干燥溫度越高，干燥速率越大，完全干燥所需時間越短，總失水量越多.

(3)不同干燥溫度下混凝土失水率的不同是由于失去水分的形式不同造成的：80℃以下干燥時，主要是自由水和吸附水失去；80℃以上干燥時，部分結晶水開始脫去，且干燥溫度越高，脫去的結晶水越多.基于修正Page模型Ⅱ，考慮干燥溫度和混凝土強度等級的影響，得到了適用于C20～C50混凝土在60～150℃下的干燥模型.