蔣建華，吳 琦，付用全，眭 源，林明益

(河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210024)

0 引 言

再生骨料混凝土是利用再生骨料代替普通骨料生產的混凝土，具有環(huán)境保護意義，符合當前社會可持續(xù)發(fā)展的要求[1]。然而現(xiàn)有研究表明，再生混凝土由于新舊界面過渡區(qū)結構復雜，其耐久性能通常低于普通混凝土，如何改善再生混凝土耐久性能成為今后研究趨勢[2-3]。

近些年，國內外學者在再生混凝土領域進行了大量的研究，但是大部分集中在再生混凝土的生產加工工藝[4]、不同材料對再生混凝土耐久性能的影響[5]，以及通過摻加礦物摻合料來改善再生混凝土性能[6-7]。然而影響再生混凝土耐久性能的因素除了混凝土材料本身以外，還受到其所處的環(huán)境因素影響[8]。其中混凝土內部濕度環(huán)境就是影響混凝土耐久性能的主要因素之一，相關學者對混凝土內部相對濕度展開了研究。高原等[9]通過干濕循環(huán)試驗對混凝土試件進行循環(huán)干濕傳導，研究混凝土變形與內部濕度的關系。戚彥福等[10]研究了風速對混凝土試件收縮變形及內部相對濕度分布的影響，分析了混凝土試件收縮變形與內部相對濕度之間的內在關系。蔣建華等[11]在人工恒定氣候環(huán)境條件下進行了混凝土濕度響應研究，并提出了混凝土內相對濕度響應預測模型。常洪雷等[12]將高性能混凝土分別暴露于自干燥環(huán)境和恒溫恒濕環(huán)境中，并測試了混凝土的內部濕度演變規(guī)律。Aparicio等[13]根據再生混凝土骨料表面附著舊砂漿的孔隙結構特點，研究了不同溫度、再生骨料替代率和荷載條件下混凝土內部相對濕度的響應過程和機理。Liu等[14]研究了再生骨料替代率為100%的混凝土在不同溫度、深度和彎曲荷載作用下內部溫濕度響應規(guī)律和機理。

目前，常通過摻加礦物摻合料如粉煤灰等方式改善再生混凝土的耐久性能。粉煤灰再生混凝土作為變革混凝土傳統(tǒng)配方的大膽嘗試，其部分耐久性問題已經解決。關于摻粉煤灰再生混凝土濕度響應規(guī)律的相關研究不足，有待進一步研究。因此本文在人工氣候環(huán)境條件下進行力學性能試驗和反向濕度響應(水汽由混凝土內部擴散到外界環(huán)境)試驗，考慮再生粗骨料取代率和粉煤灰摻量2種影響因素，研究粉煤灰再生混凝土的反向濕度響應規(guī)律和機理，并建立再生混凝土的反向濕度響應預測模型。本文研究成果可以為鋼筋混凝土結構的壽命預測和定量分析提供依據。

1 試驗方案

1.1 試件設計

試驗選用100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，試件的水膠比為0.40。試件設計包括2組試驗工況，分別是粉煤灰摻量ρF(質量分數)為20%時考慮不同再生粗骨料取代率ρR的試驗工況，及ρR為100%時考慮不同ρF的試驗工況。具體的混凝土配合比如表1所示。試驗采用的水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥；細骨料采用河砂(中砂)，細度模數為2.7；天然粗骨料(NCA)采用粒徑為5～15 mm的碎石；再生粗骨料(RCA)產自于南京富源資源利用有限公司，粒徑范圍為5～15 mm；粉煤灰采用二級F類灰；拌合水為普通自來水；減水劑采用聚羧酸系液態(tài)減水劑。骨料的物理性質如表2所示。

1.2 試件制作與養(yǎng)護

普通塑料模具用于抗壓強度試驗試件的澆筑，側面開孔的木模具用于濕度響應試件的澆筑。本文為了便于埋置溫濕度傳感器來測量混凝土內部相對濕度，采用PVC管預留孔洞。為避免水泥漿滲入管內，將尼龍棒插入PVC管中且與管底齊平。試件制作前，稱取3組自然狀態(tài)下再生粗骨料進行烘干處理，測得3組骨料的平均初始含水率為4.50%?？紤]到再生粗骨料的初始含水率，為了保持試件水膠比一定，攪拌時減少相應拌合水的用量。

表1 混凝土試件配合比Table 1 Mix Proportions for Concrete Specimens

表2 骨料物理性質Table 2 Physical Properties of Aggregates

試件澆筑24 h后拆模，此時木模板中的PVC管和尼龍棒暫不拔出，試件在標準養(yǎng)護條件下(溫度(20±2) ℃，相對濕度95%以上)養(yǎng)護28 d。養(yǎng)護結束后，將進行反向濕度響應試驗的試件放在室內靜置60 d，待水泥水化充分。

1.3 試驗方法

1.3.1 抗壓強度試驗

利用微機控制電液伺服萬能試驗機進行混凝土28 d抗壓強度試驗，加載速率設置為3 kN·s-1。28 d抗壓強度的取值符合《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)。由于再生混凝土抗壓強度取值的折算與普通混凝土不同，不能簡單地乘以折算系數，因此本文所有的抗壓強度均為實測值，不進行折算。

1.3.2 反向濕度響應試驗

試驗開始之前，為了控制試件的初始濕度，將試件置于溫度為40 ℃，相對濕度為95% 以上的恒溫恒濕箱中，一段時間后測量試件內部相對濕度，待試件內部相對濕度為90%±3%時取出。為了模擬一維反向濕度響應過程，所有試件除暴露面外，其余5個面用鋁箔膠帶密封，其示意圖如圖1所示。將處理后的試件置于恒溫恒濕箱(圖2)中，模擬混凝土試件干燥過程的反向濕度響應條件為：試件初始相對濕度H0=90%，環(huán)境相對濕度He=50%，環(huán)境溫度T=40 ℃。記錄儀設置為每隔6 h記錄1次，記錄時長30 d。

2 抗壓強度試驗結果與分析

在控制水膠比為0.40的條件下，分別考慮再生粗骨料取代率ρR(0%，25%，50%，75%，100%)和粉煤灰摻量ρF(0%，10%，20%，30%)對混凝土試件28 d抗壓強度的影響。同一工況下澆筑3個試件，取3個試件強度實測值的平均值作為該組試件的強度值。2種影響因素下混凝土的28 d抗壓強度如圖3所示。

從圖3(a)可以看出，混凝土抗壓強度隨著ρR的增大呈先增大后減小的趨勢。當ρR小于25%時，混凝土抗壓強度隨ρR的增大而緩慢增大。這是因為再生粗骨料孔隙率較普通骨料大，吸水性較強，再生粗骨料吸收了混凝土中的游離水，在一定程度上減小了混凝土的實際水膠比，從而使混凝土的抗壓強度增大。當ρR大于25%時，混凝土的抗壓強度隨ρR的增大而顯著減小。隨著ρR逐漸增大，再生骨料新老界面的缺陷及其內部損傷增多，當荷載逐漸增加時，再生骨料界面處的微小裂縫及內部的微小孔隙逐漸展開，導致混凝土破壞的裂縫增多，使得再生混凝土抗壓強度逐漸下降[15]。

從圖3(b)可以看出，ρR一定時，隨著ρF的增大，混凝土的抗壓強度先增大后減小。當ρF小于10%時，混凝土28 d抗壓強度隨之增大而略有增大；當ρF大于10%時，混凝土的抗壓強度隨之增大而顯著減小。粉煤灰尺寸細小而且呈球形，具有微骨料效應，其內部含有的微細顆粒在水化反應時可以填充水泥漿中的孔隙和毛細孔，因此適量摻加粉煤灰可提高混凝土強度[16]。然而由于粉煤灰活性較低，ρF過大時會影響混凝土早期水化反應從而導致混凝土抗壓強度下降。

3 反向濕度響應試驗結果與分析

在控制水膠比一定的條件下，分別考慮再生粗骨料取代率ρR(0%，25%，50%，75%，100%)和粉煤灰摻量ρF(0%，10%，20%，30%)對干燥狀態(tài)下混凝土內部反向濕度響應的影響。2種影響因素下混凝土的反向濕度響應曲線如圖4所示。

分析圖4可知，2種影響因素下混凝土相對濕度下降趨勢均隨著試驗進行逐漸減緩。ρR為25%時濕度響應最慢，ρR為0%，50%，75%，100%時混凝土濕度響應依次加快。濕度響應進行到第30 d時，ρR為0%，25%，50%，75%，100%的混凝土內部相對濕度分別下降了17.9%，17.1%，18.6%，19.7%和23.2%。在整個反向濕度響應試驗過程中，ρF為10%的混凝土反向濕度響應最慢，ρF為0%，20%，30%的混凝土反向濕度響應依次加快。濕度響應進行至第30 d時，ρF為0%，10%，20%，30%的混凝土內部相對濕度分別下降了17.5%，16.6%，23.2%和27.8%。

為進一步定量分析2種因素對再生混凝土反向濕度響應的影響，定義濕度響應速率Δv=ΔH/t，ΔH為t時間內的相對濕度變化量。2種因素影響下混凝土反向濕度響應速率如圖5所示。

由圖5可知，在整個濕度響應過程中，隨著ρR和ρF的增大，混凝土反向濕度響應速率均先緩慢減小后顯著增大。ρF為20%時，ρR為25%的混凝土反向濕度響應速率最低，ρR為0%，50%，75%，100%的混凝土反向濕度響應速率依次增大。這是因為ρR較小時，混凝土內部孔隙較為致密，濕度響應速率變化不大。ρR越大，大孔數量越多，混凝土內部孔隙率越大，水蒸氣在孔隙內的凝聚能力越弱，反向濕度響應速率越快[17]。試驗進行至第5 d時，ρR為0%，50%，75%，100%的混凝土試件較ρR為25%的試件反向濕度響應速率分別增大9.6%，15.1%，23.2%，43.8%。第30 d時，ρR為0%，50%，75%，100%的混凝土試件較ρR為25%的試件反向濕度響應速率分別增大5.3%，3.5%，14%，22.8%。由此可見：在試驗的早期，ρR對反向濕度響應速率的影響更大；隨著試驗的進行，影響逐漸減弱。

ρR為100%時，ρF為10%的混凝土反向濕度響應速率最低，ρF為0%，20%，30%的混凝土反向濕度響應速率依次增大。這是因為混凝土中摻入適量粉煤灰后，粉煤灰的微集料效應和二次水化產生膠凝物質填充了混凝土孔隙，使其內部孔隙更致密，混凝土與外界的濕氣交換變慢。當ρF超過10%后，粉煤灰抑制水化活性現(xiàn)象更明顯，導致水泥水化不充分，混凝土內部孔隙連通性增強，混凝土內部濕度交換變快，濕度響應加快。試驗進行至第5 d時，ρF為0%，20%，30%的混凝土試件較ρF為10%的試件反向響應速率分別增大12.9%，53.2%，93.5%。第30d時，ρF為0%，20%，30%的混凝土試件較ρF為10%的試件反向響應速率分別增大10%，30.7%，50.2%。由此可知：在試驗的早期，ρF對混凝土響應速率影響較大；隨著濕度響應的進行，影響逐漸減小；隨著ρF的增大，不同時間段的反向濕度速率差距逐漸增大。

4 反向濕度響應預測模型

4.1 表層混凝土反向濕氣擴散系數

在干燥狀態(tài)下混凝土的反向濕度響應試驗結果表明，混凝土內濕氣含量隨著響應時間而變化，因此混凝土反向濕度傳輸可以歸為非穩(wěn)態(tài)擴散問題。參考Fick第二定律[18]，得到變值擴散系數情形下的擴散方程解，從而混凝土的反向濕氣擴散系數D可以表示為[11]

(1)

式中：η為Boltzmamn變量，η=xt-1/2，x為混凝土內部深度；Hf為響應時刻末對應的混凝土內部相對濕度；H為混凝土內相對濕度。

按照公式(1)計算得到ρR和ρF影響下的混凝土反向濕氣擴散系數隨相對濕度的變化規(guī)律，如圖6所示。

由圖6可知，2種影響因素下混凝土的反向濕氣擴散系數均隨著混凝土內部相對濕度的減小而減小，且減小的趨勢先迅速后緩慢，最終趨向穩(wěn)定。這是因為混凝土內外濕度梯度是濕氣傳輸的驅動力，隨著反向濕度響應進行，混凝土內外濕度梯度減小，反向濕氣擴散系數減小。

4.2 再生混凝土相對濕度響應預測模型

4.2.1 相對濕度響應模型的推導

混凝土內的傳質過程由Fick第二定律所決定，由此可獲得任意時間混凝土內部任意位置處的相對濕度H，計算公式如式(2)所示[11]。

(2)

公式(2)為本文建立的混凝土內部相對濕度預測理論模型。從公式(2)可以看出，混凝土的等效濕氣擴散系數對混凝土內部相對濕度響應過程具有決定性作用，等效濕氣擴散系數越大，混凝土內部達到與環(huán)境相對濕度平衡的時間越短，反之越長。因此，為確定干燥狀態(tài)下混凝土內部相對濕度的預測模型，首先應建立反向濕氣擴散系數的計算模型。

4.2.2 混凝土反向等效濕氣擴散系數的計算模型

(3)

利用公式(3)及混凝土反向濕氣擴散系數可以計算得到不同ρR和ρF下混凝土的反向等效濕氣擴散系數，結果如圖7所示。

基于圖7中的計算結果，利用軟件進行數值擬合，可得到2種影響因素下混凝土反向濕氣擴散系數的計算模型，如公式(4)所示。

0≤ρR≤100%，0≤ρF≤30%

(4)

4.2.3 相對濕度響應模型的驗證

在公式(2)的驗證過程中，誤差函數的計算選用雙曲正切函數的近似算法，其計算式為

erf(φ)=tanh(1.128 384φ+0.102 77φ3)

(5)

以反向濕度響應過程R75工況為例，介紹混凝土內部相對濕度的計算過程?；炷了z比w/b=0.40，距混凝土表面深度x=0.05 m，混凝土內部實際初始相對濕度H0=90%，外界環(huán)境實際相對濕度He=50%，外界環(huán)境溫度T=40 ℃?；炷羶炔肯鄬穸扔嬎氵^程為：

(1)首先，利用公式(4)計算R75的反向等效濕氣擴散系數，其中ρR=75%，ρF=20%。

13.429)=3.399×10-6m2·h-1

(2)然后，再根據公式(5)計算得到不同時刻的誤差函數值。

(3)將已知的x=0.05 m，H0=90%，He=50%，以及不同時刻的誤差函數值代入公式(2)中，得到不同時刻混凝土內部相對濕度的計算值，試驗值與計算值的對比如圖8所示。

由圖8可知，以反向等效濕氣擴散系數的計算模型為基礎，采用雙曲正切函數的近似算法計算誤差函數，計算得到的混凝土內部相對濕度的計算值與試驗值的最大相對誤差為2.13%，小于5%，計算結果與試驗結果吻合較好。因此本文提出的反向濕度響應的計算模型切實可行。

5 結 語

(1)混凝土28 d抗壓強度隨著再生粗骨料取代率和粉煤灰摻量的增大均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。試驗結果表明，當再生粗骨料取代率為25%且粉煤灰摻量為10%左右時，混凝土的抗壓強度達到最大值。

(2)在整個反向濕度響應過程中，隨著再生粗骨料取代率和粉煤灰摻量的增大，混凝土反向濕度響應速率均先減小后增大。在同一濕度響應時刻，再生粗骨料取代率為25%時混凝土反向濕度響應速率最低，取代率為0%，50%，75%，100%的混凝土濕度響應速率依次增大；粉煤灰摻量為10%的混凝土反向濕度響應速率最低，摻量為0%，20%和30%的混凝土反向濕度響應速率依次增大。在反向濕度響應的早期，2種影響因素對混凝土的反向濕度響應速率影響更大；隨著濕度響應的進行，影響逐漸減?。浑S著粉煤灰摻量的增大，不同時間段的反向濕度響應速率差距逐漸增大。

(3)根據混凝土傳質學的相關理論，建立了以再生混凝土取代率和粉煤灰摻量為變量的反向濕度響應模型并驗證了其可行性。