盧曉春，雙 寧，陳博夫，陰國強，劉 曉

（三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

1 引 言

混凝土的溫控防裂貫串大壩全生命周期，尤其是大體積混凝土的溫控防裂問題一直備受工程界的關(guān)注。雖然我國施工期溫控防裂技術(shù)已十分成熟，但大體積混凝土在其漫長的服役期仍面臨環(huán)境溫度的季節(jié)性變化與氣溫驟降的挑戰(zhàn)。

服役期中環(huán)境溫度的季節(jié)性變化或氣溫驟降將引起混凝土的內(nèi)外溫差，從而在結(jié)構(gòu)的約束作用下產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土極限強度時則會導(dǎo)致混凝土開裂［1－2］。在內(nèi)外溫差產(chǎn)生的過程中，受溫濕耦合作用的影響，混凝土內(nèi)部的濕度將在其內(nèi)外溫差的驅(qū)動下發(fā)生變化，從而產(chǎn)生濕脹或干縮應(yīng)力［3］。已有研究表明，混凝土內(nèi)部的溫度梯度對濕度具有顯著的驅(qū)動作用［4－5］，且混凝土的溫濕度與溫濕應(yīng)力也具有耦合關(guān)系［6］，其溫度應(yīng)力與濕度應(yīng)力間的相互影響可能產(chǎn)生明顯的疊加效應(yīng)，從而增大開裂風(fēng)險［7－8］。由此可見，混凝土溫濕應(yīng)力對其開裂具有重要的影響，變溫條件下其內(nèi)部溫濕度演化是研究開裂問題的重要前提之一。目前的溫控防裂措施大多控制最高溫度和降溫速率，以減小內(nèi)外溫差來降低混凝土的結(jié)構(gòu)應(yīng)力［9－12］。而混凝土作為多孔材料在外界環(huán)境溫度變化時，其結(jié)構(gòu)面臨著溫度應(yīng)力與濕度應(yīng)力的雙重考驗［13］。此外，雖然以上研究從試驗與理論上分析了變溫條件下混凝土內(nèi)部的溫濕度演化規(guī)律，但主要圍繞小試件開展研究，側(cè)重混凝土溫濕度相互影響機理，受尺寸效應(yīng)的影響，變溫條件下大體積混凝土內(nèi)部的溫濕度演化仍有待進一步研究。

鑒此，筆者澆筑高1.0 m、直徑0.8 m 的大體積混凝土試件并在其內(nèi)部埋設(shè)溫濕度傳感器，在人工氣候環(huán)境實驗室模擬變溫環(huán)境，探究變溫條件下混凝土內(nèi)部溫濕度演化規(guī)律及其驅(qū)動機制，以期為大體積混凝土溫控防裂提供參考。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗原理

試驗通過對模具的預(yù)制，采用鋼絲固定溫濕度傳感器與逐層澆筑的方式澆筑了高1.0 m、直徑0.8 m 的圓柱形大體積混凝土試件。試件底面與側(cè)面采用聚氨酯涂層進行絕熱、絕濕處理，使得試件僅通過頂面受環(huán)境溫濕度影響，從而在總體上保證試件內(nèi)部溫濕度在鉛直方向上進行傳導(dǎo)與傳輸，最終配合人工氣候環(huán)境實驗室探究變溫條件下混凝土內(nèi)部的溫濕度變化，試驗原理如圖1（a）所示。試驗采用的變溫曲線根據(jù)某工程氣溫變化歷程進行放縮并采用正弦函數(shù)擬合得到，溫度變化歷程見圖1（b），環(huán)境溫度從20 ℃下降到0 ℃再回升到20 ℃，降溫階段與溫度回升階段各36 h，一個溫度循環(huán)周期為72 h，試驗共設(shè)置兩個循環(huán)周期，共計144 h。此外，在試驗開始前將試件置于人工氣候環(huán)境實驗室使其初始溫度達(dá)到20 ℃，以保障試驗開始時試件溫度與初始環(huán)境溫度相同，環(huán)境濕度采用工程所在地年平均相對濕度75.2%。

圖1 試驗原理與溫度變化歷程曲線

2.2 試件配合比

試件配合比參照某水利工程的三級配常態(tài)混凝土，該配合比設(shè)計滿足《水工混凝土試驗規(guī)程》（SL／T 352—2020）的要求。試驗設(shè)計配合比見表1。

表1 試驗設(shè)計配合比 kg／m3

2.3 試件制備與試驗過程

制備試件采用樺楊木立模，內(nèi)側(cè)涂有防水涂層，以防止模板吸水影響混凝土的水灰比，模具底部架設(shè)木柵墊層、保溫板與防水膜以滿足試件底部保溫隔濕的要求。澆筑前，采用鋼絞線與活動卡扣布設(shè)6 層溫濕度傳感器用于采集混凝土試件內(nèi)部的溫度和濕度數(shù)據(jù)，從試件的頂面到底部依次編號為T0（表面）、T1、T2、T3、T4、T5 層，每層布置9 個傳感器，呈十字形排布，每個方向的傳感器按等距離布置并按順序進行編號；同時考慮到熱傳導(dǎo)與濕擴散的時空效應(yīng)，各層傳感器的間距從頂面到底部逐漸稀疏。溫濕度傳感器布置如圖2 所示。

圖2 溫濕度傳感器布置（單位：m）

試件澆筑采用分層澆筑的方式，逐層振搗，待試件澆筑初凝后，從模具側(cè)面抽出固定傳感器的鋼絞線，并采用相同水灰比的砂漿進行補漿。待養(yǎng)護3 d 后對試件拆模，并在室內(nèi)進行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護至28 d；隨后將試件置于人工氣候環(huán)境實驗室內(nèi)，設(shè)置實驗室溫度為20 ℃、相對濕度95%進行恒溫預(yù)處理，連接傳感器至采集系統(tǒng)，待數(shù)天后試件內(nèi)部溫度讀數(shù)均達(dá)到20 ℃左右時，停止恒溫預(yù)處理；然后將設(shè)計的溫度與濕度輸入人工氣候環(huán)境實驗室控制器，開始試驗，每5 min 采集1 次混凝土內(nèi)部的溫度和濕度數(shù)據(jù)。

3 溫濕度演化規(guī)律與驅(qū)動機制

3.1 溫濕度演化規(guī)律

試驗結(jié)果取每層測點溫度和濕度的平均值來說明變溫條件下大體積混凝土內(nèi)部的溫濕度演化規(guī)律，見圖3（其中，5～10 ℃內(nèi)的環(huán)境溫度波動是環(huán)境實驗室制冷壓縮機轉(zhuǎn)換時造成的）。混凝土內(nèi)部各層平均溫度演化見圖3（a），在環(huán)境溫度周期性先降后升的影響下，試件的T0～T4 層溫度也呈現(xiàn)出“先下降后上升再下降再回升”的規(guī)律，而T5 層的溫度在整個過程中持續(xù)降低，且由表及里試件的溫度響應(yīng)變慢。同時，在兩次環(huán)境溫度循環(huán)的過程中，試件T0～T4 層的最低溫度與出現(xiàn)的時間有所不同，第1 次循環(huán)中T0～T4 的最低溫度（出現(xiàn)時間）分別為5.2 ℃（39.3 h）、8.5 ℃（43.3 h）、11.1 ℃（52 h）、13 ℃（56.8 h）、15.6 ℃（70.7 h），第2次循環(huán)中分別為4.4 ℃（110.5 h）、7.1 ℃（114.1 h）、9.2 ℃（119 h）、10.9 ℃（122.5 h）、12.9 ℃（139.7 h）。對比兩次循環(huán)中各層最低溫度及其出現(xiàn)時間可知，第2 次循環(huán)混凝土的最低溫度更低；以兩次循環(huán)最低環(huán)境溫度出現(xiàn)時間36 h 與108 h 為基準(zhǔn)，T0 層的最低溫度出現(xiàn)的滯后時間分別為3.3、2.5 h。以上結(jié)果說明大體積混凝土內(nèi)部的溫度傳導(dǎo)具有明顯的滯后，且測點距離環(huán)境溫度邊界越遠(yuǎn)，熱傳導(dǎo)的時空差異越大，環(huán)境溫度對混凝土溫度影響越小。此外，由于第2 次循環(huán)環(huán)境溫度循環(huán)開始時試件整體溫度低于第1 次循環(huán)試件整體溫度，因此第2 次循環(huán)試件內(nèi)外溫差更大，其內(nèi)部溫度響應(yīng)較第1 次循環(huán)迅速。

圖3 各層平均溫度和平均濕度演化規(guī)律

由圖3（b）（由于T1～T5 層試驗數(shù)據(jù)近似，因此圖中曲線重疊）可知，大體積混凝土內(nèi)部的濕度演化與溫度演化的時空特性具有顯著的差異，其中試件表面的濕度變化十分明顯，而其他層濕度基本維持不變。表面濕度變化趨勢與溫度變化趨勢大致相同，隨環(huán)境溫度變化呈現(xiàn)“先降后升，再降再升”的規(guī)律。在兩次環(huán)境溫度循環(huán)的過程中，T0 層的最低相對濕度（出現(xiàn)時間）分別為70.4%（36.1 h）、70.1%（108.4 h），最大濕度降幅為24.9%，而其他測層濕度降幅不明顯。值得注意的是，雖然在17.9～53.8 h 與89.1～129.3 h 內(nèi)環(huán)境濕度高于試件表面濕度，但這兩個階段內(nèi)試件表面濕度仍有所下降，說明此階段試件表面濕度可能主要受到變溫環(huán)境的影響，試件表面溫度變化較為明顯，混凝土表面的濕度變化受到了表面溫度變化的作用。

3.2 溫濕度變化速率

為了進一步分析混凝土內(nèi)部溫濕度演化規(guī)律，由溫濕度測試結(jié)果計算得出各測層中心點溫度和濕度的變化速率（見圖4）。由圖4（a）可知，混凝土內(nèi)部溫度變化速率隨時間呈周期性變化。第1 次循環(huán)中初期溫度變化速率為負(fù)值，混凝土內(nèi)部溫度逐漸下降且降溫速率在增大；在降溫速率達(dá)到最大后，其內(nèi)部降溫速率開始減小。隨后溫度變化速率成為正值且不斷增大，此時混凝土內(nèi)部溫度逐漸上升，處于升溫階段，此時段內(nèi)混凝土內(nèi)部升溫速率不斷增大，單位時間內(nèi)溫度變化幅度增大。同時，隨著測層深度的增大，混凝土溫度的變化速率減小，溫度變化幅度降低。第2 次循環(huán)過程中的溫度變化速率的演化規(guī)律與第1 次循環(huán)相同。圖4（b）（由于T1～T5 層試驗數(shù)據(jù)近似，因此圖中曲線重疊）表明，表面濕度變化速率隨時間變化十分顯著，其變化趨勢與溫度變化速率趨勢相同。在0～36 h和72～108 h 兩個時段內(nèi)，濕度變化率為負(fù)值，表面濕度逐漸降低，濕度降低速率逐漸減小，結(jié)合圖3（b）可知，即使當(dāng)表面濕度低于環(huán)境濕度時，試件表面仍在溫度驅(qū)動作用下強制向外界傳輸水分。在36～72 h和108～144 h 兩個時段內(nèi)，濕度逐漸上升；同理，即使當(dāng)外界環(huán)境濕度低于試件表面濕度，混凝土表面仍可在溫度驅(qū)動作用下從試件內(nèi)部與環(huán)境得到水分補充。

圖4 各層中心點溫濕度變化速率

3.3 溫濕度驅(qū)動機制

為了進一步研究混凝土試件的溫濕耦合作用，由Luikov 熱質(zhì)耦合方程建立了混凝土溫濕耦合作用方程（一維）：

式中：T為混凝土的溫度，℃；x為一維方向上的熱傳導(dǎo)或濕遷移距離，m；t為時間，h；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W／（m?℃）；ρ為混凝土密度，kg／m3；ε為相變系數(shù)；hlv為相變潛熱，kJ／kg；c為混凝土比熱容，kJ／（kg ?℃）；H為相 對濕度，%；D為混凝土濕擴散系數(shù)，m2／h；δ為索瑞系數(shù)。

通過對式（1）進行轉(zhuǎn)化，將濕度控制方程中濕度關(guān)于距離的二階偏導(dǎo)替換為溫度和濕度對于時間的一階導(dǎo)數(shù)，化簡后的公式如下：

由于混凝土內(nèi)部溫度擴散方向與濕度自由擴散方向可能存在相反的情況，因此采用kT的絕對值來表示混凝土溫度對濕度的影響占比，則可表示為

本文選取常規(guī)的多孔混凝土的相關(guān)參數(shù)進行計算［5，14－15］并分析大體積混凝土內(nèi)部溫濕度演化規(guī)律，此過程不考慮溫濕度變化對其他混凝土相關(guān)參數(shù)的影響?；炷猎嚰嚓P(guān)計算參數(shù)見表2。

表2 混凝土試件相關(guān)計算參數(shù)

由式（4）計算得到混凝土試件表面（T0 層，下同）和T1 層中心點溫度對其濕度影響的占比k′T，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 表面和TI 層中心點k′T 的變化規(guī)律

由圖5 可知，試件表面的值整體上比T1 層的值大，其的平均值達(dá)到86.2%，混凝土表面濕度受到了表面溫度梯度較為明顯的影響，前期由于外界環(huán)境溫度發(fā)生變化，因此混凝土內(nèi)外溫差逐漸變大，表面溫度梯度增大使得試件表面kT值變大，一段時間后隨著混凝土內(nèi)外溫差減小，表面溫度梯度減小導(dǎo)致值相應(yīng)減小，并且第2 個環(huán)境溫度循環(huán)值的變化趨勢與第1 個溫度循環(huán)一致；T1 層的平均值達(dá)到53%，小于混凝土表面溫度梯度對表面濕度的影響，前期由于T1 層溫度變幅小于表面溫度變幅，其值小于表面值且增長較為緩慢，后期因溫度梯度減小且濕度變化速率增大而值出現(xiàn)了下降。由上述分析可知，在環(huán)境溫度變化而環(huán)境濕度不變的條件下，混凝土表面溫度梯度對表面濕度產(chǎn)生明顯影響，使混凝土表面濕度產(chǎn)生劇烈變化。

周期性變溫條件下大體積混凝土內(nèi)部的溫濕度演化的時空差異性極大，溫濕度的變化由表及里。大體積混凝土溫度的變化主要受環(huán)境溫度與內(nèi)部溫度梯度的影響，試件在經(jīng)過保溫隔濕處理后形成了單一方向的溫度傳導(dǎo)路徑，越靠近試件表面，溫度變化越明顯；溫度的傳導(dǎo)需要一定的時間，并且存在溫濕耦合作用，在溫度梯度作用下水分會由高溫部位向低溫部位遷移，而在此過程中，會帶走部分熱能，故不同測層的溫度變化會表現(xiàn)出一定的滯后性，溫度變化速率降低，溫度變化幅度減小，且隨著測層深度的增加，這種現(xiàn)象會愈發(fā)明顯。而對于濕遷移，即混凝土表面水分主要在表面溫度梯度產(chǎn)生的驅(qū)動力作用下進行遷移。隨著外界環(huán)境溫度的變化，混凝土表面溫度變化劇烈，表面溫度梯度大，溫度驅(qū)動力遠(yuǎn)大于內(nèi)部濕度梯度產(chǎn)生的驅(qū)動力，溫度對濕度的驅(qū)動力越大，濕遷移越快，故混凝土表面濕度變化較為劇烈；混凝土內(nèi)部T1 層至T5 層的濕度梯度極小，水分主要在溫度驅(qū)動力的作用下進行遷移。由此可知，對于晝夜溫差大、環(huán)境溫度變化劇烈的地區(qū)，如服役在西北地區(qū)的大體積混凝土，由于放熱過程存在內(nèi)外溫度差，在溫濕耦合機制和西北地區(qū)較為干燥的環(huán)境作用下，混凝土表面濕度會產(chǎn)生明顯的變化，因此對于此類地區(qū)的混凝土工程，在漫長的服役過程中，溫控防裂的同時還需注意表面保濕，兼顧對干縮應(yīng)力的控制。

4 結(jié) 論

（1）變溫環(huán)境對混凝土的溫度影響遠(yuǎn)大于對濕度影響，但對混凝土表面濕度會產(chǎn)生比較明顯的影響。對于晝夜溫差大、環(huán)境溫度變化較為劇烈地區(qū)的混凝土工程，如西北地區(qū)的工程，在漫長的服役過程中需考慮混凝土表面濕度的變化，控制干縮應(yīng)力的產(chǎn)生。

（2）大體積混凝土內(nèi)部的溫濕度演化時空差異性顯著，其溫度響應(yīng)的滯后性隨深度的增加而更為明顯；雖然水分的自由擴散十分緩慢，但受溫濕耦合作用的影響，混凝土內(nèi)部的溫度梯度使得表面濕度對變溫環(huán)境的響應(yīng)十分迅速。

（3）大體積混凝土溫度的變化源于變溫環(huán)境與內(nèi)部溫度梯度的影響；在環(huán)境溫度變化而環(huán)境濕度不變的條件下，結(jié)合實測數(shù)據(jù)與理論分析得到混凝土表面溫度梯度對表面濕度產(chǎn)生了明顯影響，平均影響占比達(dá)到了86.2%，溫度梯度產(chǎn)生的熱濕擴散效應(yīng)遠(yuǎn)大于自由擴散效應(yīng)，且局部溫度梯度越大濕遷移越快。