外部荷载对混凝土内部相对湿度的影响教材.docx

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外部荷载对混凝土内部相对湿度的影响教材

外部荷载对混凝土内部相对湿度的影响

关键词:

（A）湿度（B）微观结构蠕变（C）弹性模量（C）水份——力学耦合（C）

在结果建模中不饱和混凝土、外部负载对内部相对湿度的影响（RH）通常被忽视。

在这项研究，我们提出了实验测量的RH低的W/C砂浆单轴压缩加载过程中的变化。

我们注意到几乎2%RH内瞬时RH上升

密封砂浆试件在加载应力强度比率为30%。

最初的RH增加进一步恢复

该示例同时处于恒负载。

卸货时，瞬时RH减少大约

同一数量级的发生。

这些结果证实水份——力学耦合是相关的

了解混凝土的变形，既准立即可能还体积蠕变和干燥

蠕变。

观察到的耦合支持当地的水再分配从承重水层的理论

由于应用压应力较大孔隙对地区受阻的吸附。

1.导言

由于混凝土，在尺度的异构的微观结构

跨越多个数量级和复杂的机制

由于其固有的反应性的混凝土中发生

和与环境（例如烘干，入口流体的相互作用

和离子），它仍然是极具挑战性打造精神不健全，

具体行为的定量模型。

混凝土是无功多孔

身体由不同的阶段组成：

固体（例如聚集体，未水化

水泥水化的产品），液体（孔隙溶液或液体

穿透从外面）和气体（水蒸气和空气）。

混凝土

行为经常模仿poromechanics[1]的范围

考虑到上文所述的复杂的微观结构

一些化学物理现象作用在不同尺度的需要

为精确地描述混凝土的性能考虑。

一位将军

经常列入结果模型的方法，认为：

（i）化工（主要是水泥水化）、（ii）热、湿（iii）

（湿度）和（iv）机械国家[1]。

联轴器（交叉影响）

之间将假设这些国家需要。

它公认的

一个最贴切的联轴器系统有必要了解混凝土的复杂行为，因此发展鲁棒和真正的预测模型。

只要能充分联轴器

将制订[1]，在实用建模应用程序数目

简化通常被接受，导致所谓解耦

那些被认为是弱[2]的联轴器。

已应用多孔材料，具有充分的耦合模型

例如，土壤或木头[3-7]。

在混凝土，普遍接受的耦合

是化疗——热——湿之一，一般认为强（例如见

[8]）。

这就意味着这三个国家相互影响对方，

导致混凝土强非线性的数学描述

行为。

经常使用此系统的耦合简化了

成熟方法[9]，框架也适用

方便地纳入结果的模型来描述

进化的混凝土性能，如[1]。

然而所示

[10]，由于强烈的化疗——热——湿接头（请参见

[11]），成熟方法不能直接应用于

一些现象，就像自干燥和自生变形

[10]。

进一步建模时的简化处理，例如，忽略

化疗——湿耦合[2]中，而它占的方法

在[8,12,13]纯经验的方法。

机械状态往往被视为只有弱耦合

与其他国家和因此耦合中大部分忽视

模型，例如[2,14,15]。

因此，变形被认为是函数只有化疗——热——湿状态，通过，

例如，有效应力原理[3,16]或经验公式来有关RH收缩[15]。

同时，力学状态（应力

或变形）不饱和混凝土中假定没有影响

化疗——热——湿状态的介质[2]。

在某些型号

混凝土，然而一直假定与力学状态的弱耦合。

例如，在模型中由脍炙人口etal.[8,17]

固体骨架的变形被认为的连续性

干燥的空气和水的方程。

这样，考虑到运输水或包含变形孔隙中的空气

骨架。

本文表明，水份——力学耦合

混凝土不一定是弱耦合。

相反地，它的影响

很明显在实验中，而且他们可以提供新

混凝土变形的机制的见解。

的

升值的力学状态与其他的耦合关系

各国可能对现代高性能混凝土特别有用

（HPC）细孔结构。

本文提出的分析

基于考虑很久以前提出的权力[18,19]。

权力的建议混凝土的宏观变形的部分原因是

由于水分再分布之间的不同的孔隙尺寸时

微观结构是打扰的机械或热载荷作用下

自由能量平衡。

然而，这一假说的机械应力

造成水再分配和湿态产生变化

永远不会已经通过实验验证。

后来，Bažantetal.[15]

排除，机械载荷可能造成相当大的相对湿度（RH）的任何更改在毛孔；大多数研究人员通过这

方法。

在本文中，我们提出我们最近的实验研究表明

清除机械荷载对混凝土内部相对湿度的影响。

在我们

高性能测定实验中，内部相对湿度

砂浆试件的w/c0.30单轴压缩条件下。

相当大的

RH的增长被加载，几乎完全是在观察

在卸载的可逆。

我们表明，这种水份——机械耦合

能够解释的瞬时变形的相当大一部分

特别是静态和动态之间的区别

弹性性质。

观察到的水份——力学耦合也可能

在体积基本蠕变（在密封条件下的蠕变）发挥作用，

在干燥蠕变。

2.物理模型的水份——力学耦合

由于极高的内部表面硬化的水泥浆体

（最多几个百m2每克[20]），水，强烈吸附

在表面的毛孔和凝聚于毛细孔，有重要影响的具体的行为，包括体积变化、

最终力学性能及耐久性。

重要性

包含在宏观的具体行为的毛孔中的水已经涉及到权力和Brownyard已经在

20世纪40年代[21]。

导致了对吸附等温线的水泥浆体的研究

一种分类的毛孔和类型的包含这些孔隙中的水

那就是至今仍在使用当今[20,22]，即使各种修改的

理论。

根据权力，毛孔可以

可分为凝胶孔隙，在纳米范围内的水化

产品，尤其是硅酸钙（C-S-H）和毛细孔，在纳米到微米范围内，最初在空间中发现

占领的混合水。

在微观结构的替代模式

水泥净浆及最近的模型的费尔德曼和盛瑞达[23]

詹宁斯[24]，孔隙大小分类是仍类似于建议

最初的权力。

混凝土的变形和不同类型的毛孔里的脏水迁移之间的耦合的存在有人已经通过

[18,19]20世纪60年代的权力。

在他的开创性工作，基于

热力学方面的考虑，权力建议那可逆

蠕变和延迟的热变形是因为水的运输

之间的不同的孔隙大小（凝胶和毛细管毛孔）在微观水平和可能也之间的微观结构和

宏观一级的环境。

权力法

[18,19]简图显示在图1中。

吸附在狭窄的水

水化产物之间的空格在哪里完全吸附厚度

（1到大约5个水分子，根据平衡相对湿度

[18,25]）不能发展空间不足，将视

所谓劈分分开，压缩stressthatpushesthesolids

[26]（第1aseeFig）的压力。

Thiswaterisinthermodynamicalequilibrium

水吸附在自由吸附领域与冷凝毛细管水在给定的RH（图1a中的RH1）。

当外部的压应力是应用（图1b），固体

框架压缩和水榨出

承重，阻碍了吸附领域（在应用应力，

预期的相反还给）[18,19]。

在theadsorbed中平衡

水层是不安和自由能量之间的不平衡

吸附的水层不同粗细的挑衅的运动

水分子吸附层内（表面扩散）这两个在

微尺度（凝胶孔隙与相邻的大孔），

大尺度，如果标本打开到干燥[18]。

权力也

建议该吸附或里的流离失所者水冷凝

大孔会导致内部相对湿度增加（RH2NRH1在

图1b），其中，干燥，将最后降低重新建立平衡与周围空气[18]。

水从渐进的运动

对大孔窄和由此产生的进步运动

固体表面向对方提出了要负责任

体积基本蠕变[18,19]。

由于干燥的类比

收缩（而根据权力[18]，引起的变化

脱离压力上去除水发生阻碍

吸附领域降低RH），权力创造了这个词

应力诱导收缩率为相当于体积蠕变[19]。

当

标本被卸载，水就会吸附回

受阻的adsorptionareas，leadingtoapartial蠕变恢复。

Inthisapproach，不可逆，便是蠕变的由于建设的新

化学键跨越阻碍了的吸附差距过程中

图1。

从阻碍了的吸附领域成凝胶孔隙中的水重新分配的方案

较大的凝胶孔隙或毛细管孔隙时的初始平衡状态（a）感到不安

（b）（见[18,19]）的载荷。

M.Wyrzykowski，P.Lura/水泥和混凝土研究65（2014年）58——6359

在荷载作用下的时间。

后来，Bažant和同事们[27,28]扩展和

精制权力与表面热力学方法的想法

支持所造成的水分再分布的主要论点

外部应用的机械应力。

Bažant推论运输

水凝胶对毛细孔应力作用引起的可以

达几年甚至几十年，蠕变变形[27]的特征时间。

尽管Bažant赞赏水份——机械

作为他预期负责滞后变形耦合

外加应力对RH基于体积小的孔隙中无影响

可以通过压缩阻碍了的吸附提供的水的

领域尊重多更大的体积较大的孔隙[27]

即使水再分配机制被质疑在进一步工作[28]，最近由Tamtsia和Beaudoin[29]，它仍然是

应该有助于蠕变在干燥（所谓Pickett效应

[30]）和湿状态对蠕变的影响普遍同意

在[31]。

此外，一些研究人员仍然声称水的再分配，甚至在当地的规模，可以负责短期蠕变

[32].我们还注意到水的再分配也可能伴随替代蠕变机制，例如，描述由C-S-H滑动理论

[15]（见第5.2节）。

除了来自阻碍了的吸附区域水分再分布

向毛细孔，水也可以加载从后分配

对较大的毛细血管的小毛细血管。

这种再分配之间毛细血管会造成相对湿度的增加，以及自毛细管半径对

半月板会增加。

然而，内部的水分迁移的影响

毛细孔应该是较低的重要性，因为该卷

加载在改变，并且相应减少对孔隙度是可以忽略不计毛管孔隙的总体积相比还推断

在[15]。

如果在加载减容比作孔径的大小

得到分布与汞，例如[33]，它是

明确孔隙体积这种减少不会造成任何孔隙大小相当大的变化，可以解释测量相对湿度变化。

值得强调指出，由于复杂的微观结构

混凝土，即适应水的不同大小的毛孔

不同的方式，水份——机械耦合机制

混凝土（即上文所述水的再分配之间

毛孔的大小不同）是不同于如在土壤中。

在土壤中的变化

湿的应用应力状态被假定是由于简单

降低孔隙存储空间或减少的输运性质发生作为体积压缩系数的影响的身体[7]。

的

后者机制被用作Bažant和同事反对应力对混凝土湿状态影响的主要论点作为

表示一个非常成功的[29,34,35]模型蠕变和收缩，

所谓微预应力凝固理论[15]。

Bažantetal。

指出"...施加的负荷不能改变的孔隙空间，进而在RH

由超过一个百分点的一小部分孔隙"[15]。

这种说法，

不支持通过实验证实，低估可能具有根本重要性的理解混凝土之间的交互的水分再分配现象

微观结构和变形。

基于本文提出的实验证据我们

证明，只要总孔隙体积的变化

阻碍了吸附量可以忽略不计，本地更改

即使在低应力水平发生的地区可能会有重大

对湿状态，即对于内部控制相对湿度的影响。

3.材料和方法

3.1.检测样品的制备

砂浆试件制备与普通0.30w/℃

波特兰水泥CEM我42.5N。

实用性调整

聚羧酸系高效减水剂（由梅花鹿组织1S）补充说：

在按水泥重量的0.4%的金额。

冲积沙的晶粒尺寸

0-4毫米被用作聚合和占约40%的卷

砂浆。

四棱柱样品的尺寸120×120×360mm3

被浇塑胶模具和合并，将可嵌入的振动器。

直接后铸造、钢护筒的直径10毫米和

70毫米长度分别嵌入在样本来创建后，卸下在脱模缸后,将容纳相对湿度传感器的孔的中心部分。

将样品放在控制

在20°±0.3°C的气候室和RHN个1天的90%。

后脱模

在1日龄去除钢气瓶，样品，分别是

怎样仔细地密封用胶粘剂的铝带和铝标记

被粘在两个相对的面，样品的测量在单轴加载条件的纵向变形。

在进行了进一步的试验

气候控制在20±0.3°C的房间和57±3％RH。

在21天的年龄，将密封的样品放在液压

蠕变的细胞（两个单元格可以容纳两个样品每个）和

热绝缘用30毫米厚的发泡胶板。

在这一点上，

相对湿度传感器分别嵌入两个样本的中心，

孔被仔细地密封用石蜡膜。

3.2.应用的应力和变形测量

单轴压应力施加4样品（两次

他们与嵌入式相对湿度传感器）通过水力负荷

通常用于测试压缩蠕变的单元格。

第一，负载

对应于σ=18.2MPa应用在35天，一直

直到年龄为56天，当样品被卸载的常量。

接下来，在64天的样品被再次加载到compressivestressofσ的年龄=26.3MPaand计测wasmaintaineduntilunloading

在108天的年龄。

圆柱的截面reductiondueto

孔容纳占的相对湿度传感器和两个

不同应力应用对应于大约22%和30%

抗压强度，fc的迫击炮（见表1）。

纵向变形测量的数字比较器

0.001毫米分辨率和250毫米的基准长度在给出的时间间隔

在每个棱镜两种相反脸上。

每个样本的应变

作为两个相对的面平均计算。

介绍

关于株结果4样品，与标准的平均水平

偏差不超过40mμm。

3.3.测量RH

微型传感器HC2C05（Rotronic）用直径5毫米

衡量RH和砂浆试件内部温度。

圆柱

铁氟龙filterswereput在sensorstoprotectthemfromcontamination附近。

名义上的传感器精度±1.0%rh/±0.3°c。

然而，需要指出的是这是指的准确性

绝对测量的值（也称为真实）和实际

精度有关的RH或温度的测量变化应

表示具有重现性好，名义上是b0.02%RH/0.01°c。

的

名义上的响应时间的传感器是b15s，名义长期漂移是b1.0%RH每年。

在每次测量前后

循环（在装载前和卸载后），传感器进行了标定

与三个饱和盐溶液范围内的95——75%rh，其中

包括测量的RH在迫击炮。

这允许获得

更好的绝对测量值的准确性，占

随着时间的推移，RH传感器的漂移。

使用HygroPalm记录器（Rotronic）1分钟的间隔记录了RH读数。

报告的结果是平均水平的两个传感器，传感器之间的绝对差异大约是

随着时间推移，平均1.26%rh的常量。

差异有关

RH变动在装载/卸载是低得多，达约

0.20%RH。

因为所有的RH测量，提出了一种是平均

两个传感器，RH结果一起给出

范围。

样品内部温度控制在整个期间

试验在水平19.8±0.1°C（平均两个样本）

在水平±1天规模稳定0.02°c。

3.4.机械性能

抗折、抗压强度和静态弹性模量测定的同伴棱柱形尺寸样品的测试

40×40×160mm3投从同一混合批次一样大

棱镜。

第1天的脱模效果后,标本防潮密封

用塑料包装，并保持在20°C±0.3°C和RHN90%。

在28天和90天三个样品用于强度和杨氏弹性模量测量的两个样本。

在弹性杨氏模量

测量采用应力强度比例为30%。

此外，

弹性模量被确定的四个样本的年龄

使用静态方法与26MPa和荷载应力的140天

持续时间大约1分钟和共振的动态方法

超声谱法根据ASTMC215-08标准。

这个标准也被用来确定泊松比

同一样品。

4.结果

表1介绍了砂浆的力学性能。

仅略有增加弹性的杨氏模量发生之后

（同样为同一砂浆在[11，36]测试），28日龄

耐压强度增益时仍然相当可观。

在图2中，提出了两种不同等级的外加应力变形和RH演变伴随着装货。

形状

内部RH曲线反映的变形，这是一个明确

水份——力学耦合的存在的证据。

在第一

三个星期从铸造，自收缩（220μm/m从

在卸载样品（图2a）举行了1天）。

这种收缩是

自干燥[37]，导致减少了内部相对湿度的影响

到大约89％RH。

这些结果是同意

测量报告[13,36,38]中相同的砂浆。

当

样品满载σ/fc在年龄为35天，弹性=22%

变形是几乎在瞬间完成（大约15滞s，因此

对应于相对湿度传感器的响应时间）其次内部相对湿度上升。

在大约4小时后加载，最大值

RH1.45±0.03%rh相差测量（图2a）。

下一步的时候

该示例是在恒定负载下，RH逐渐减少

地方和RH稳定在大约等于，前面的加载的值。

样品在56日龄时卸载

弹性变形恢复容易跟着减少内部相对湿度等于0.98±0.02%rh（图2a）。

第二次加载过程中

期间，在64天的年龄开始，有类似的趋势可以被观察

（图2b）。

高负载应用，σ/fc=30%，瞬时RH增加1.87±0.11%rh，后面跟着随着时间的推移近似呈线性减小。

在装卸、初始RH几乎是

随着等于1.81±0.06%rh的降低会痊愈。

可能

观察到的水份——力学耦合产生的影响进行了论述

以下各节

5.讨论

5.1.准即时的水分再分配的影响

在图2中给出的结果表明外,荷载的影响

论内部RH是可以衡量的其大小是大大

高于一般假设，例如，[2,15,27]。

遵循的方法

通过权力，当压缩载荷和多孔体

压缩，阻碍了的吸附区（已经下由于分离压力压缩），水挤出和走向

大孔吸附不受空间的缺乏。

水也可以迁移在装货从更小至更大的毛细管

毛孔；这种机制应该但是导致只有微不足道的变化

在基于体积小的RH减少引起应用外部

应力。

由于这种额外的水造成的厚度的增加

吸附的层和半月板半径的凝聚的增加

在较大的孔隙中的毛细水，一个新的平衡，具有较高的相对湿度是

建立[39]（图1b，2）。

卸荷，我们观察到相反

现象：

RH，第二次加载过程中循环，减少

几乎完全恢复加载初始增加。

问题仍然存在，达到该范围内的相对湿度变化是能够

解释实测的变形。

我们下一步将表明水分再分配现象使会计的静态和动态弹性杨氏模量之间的区别

胶凝材料[40]。

此后的实例将使用

静态和动态弹性模量确定的值

在年龄为140天，表1的四个样本。

静态测量通常应用于与实验室

荷载施加的液压机上硬化试件在时标的分钟。

同时，需要非破坏性

方法适用建筑工地和快速测量

不断变化的样品在实验室里激励的广泛使用

动态测量（例如基于超声的方法）。

它具有

已观察到动态弹性模量的可达

40%高于静态之一[41]；砂浆在这里测试，我们观察到不同的约17%（表1）。

即使的作用

在解释这种差异指出，例如，由亚水和

策[40]，很明显，较低值的静态弹性模量

需要附加应变发生在静载试验[42，相关

43]，直到提出了没有令人满意且经过验证的方法

现在。

相反，动态和静态弹性之间的区别

属性通常被处理一些实证特设的解决方案，

例如[42-44]。

方法将证明基于假设，在静载试验，对那附加变形

由于产生的固体体的弹性反应发生

去除水阻碍了的吸附领域。

这更多

变形是应力诱导的准瞬时部分

水再分配（或应力诱导收缩[19]），如中所述

部分2。

因为没有水的再分配在动态过程中发生

测量，动态弹性模量大于

静态的一个。

为了量化这附加的变形，我们假定RH负荷测量准瞬时增加

（图2）导致中毛细管压力的绝对价值下降

毛孔，为了保持准平衡（准是指

到分钟的时间跨度）之间地区受阻和免费的吸附水膜的自由能源，需要就等于增加

绝对值脱离的压力。

因此，肿胀，会

遵循RH在没有外部施加应力增加的是

平等年的绝对价值与后水去除妨碍了的吸附领域发生的收缩和

脱离的压力越来越大。

如下进行计算。

第一，对应的体积变形ΔεV

测量RH（及相应更改饱和度

可以从方程中常用计算度S）

多孔弹性模型，请参见[16]，当中亦涉及一些应变的毛细管的变化

孔隙中的压力pc：

ΔΕ

V¼ð⑥ΔpcS⑥pcΔSð⑥1=K−1=Ksð1

在哪里K

s是假定为44固体骨架体积模量GPa

[11,37,45]，而K是多孔体的体积弹性模量。

这个方程

扩展了完全饱和制定的麦肯齐的适用性

[46]对部分饱和的情况下，通过假设饱和度S

作为一种近似的所谓的主教参数，后者

参数表示通过哪些孔隙流体的接触面积

对骨架[3,11,16]施加压力。

饱和程度可作为

描述为基于吸附的毛细管压力的函数

实验测定的吸附等温线。

词Δpc是变化的

毛管压力，建立新的平衡与内部相对湿度

加载完成后，增加。

它可以从两个RH水平计算

（之前和之后加载，RH1和RH2等分别，图1）使用

开尔文——拉普拉斯方程：

Δpc¼RTρw

M

w

RH2ln

RH

1ð2Þ

其中R为通用气体常数，T是温度，ρw是

Mw的孔隙水的密度是孔隙水的摩尔质量

（用于详细分析参数的方程

（2）见[33]）。

基于

弹性性质不做已经大大后改变的事实

28天，它是合理使用的弹性性质，在确定

RH的变化确定在加载在140天

64天，进而RH1的值=87.4%和RH2=89.3%，图2b。

饱和度的对应值是S1=80.3%和

S2分别=81.2%

在得到饱和度在方程

（1）中使用的值

[13]为经历自干燥的w/c0.30砂浆。

内部相对湿度

在封样样品和相应的直接测定了

饱和度的演变与列强模型的估计

水泥体积组成地方粘贴[21]，减少

饱和度被受诉讼水化程度（从获得

等温量热法）。

保持打开状态的问题视负责的介质，在K可压缩性参数

方程

（1）描述阻碍了的吸附空间收窄。

它

可以假定介质的压缩系数变化作为

水是重新分配。

因为水从阻碍了的吸附领域，逐渐从获得批量模量减小挤

与获得静态与动态试验。

在第一次

近似，我们假设的平均值是体积弹性模量K

动态和静态值。

计算的体积弹性模量、泊松比，相同的值

Ν=0.25（表1），用于静态和动态的情况下，收益率Kstat=21.8GPa和Kdyn=25.5GPa。

与机构进行了计算

方程

（1）为饱和度变化确定[11]中的收益率

48mμm的体积应变。

同时，可以直接计算出的差异

静态和动态测试之间的体积应变：

ΔΕ

V¼Σ

ð⑥1−2ν

E

stat

−Σ

ð⑥1−2ν

E

dyn

ð3Þ

在σ=26MPa是（相当于静态测试中使用的轴向应力

这应用于样品在RH测量，图2b）。

（3）的情商。

表示额外的体积应变必须出现在静态

进行测试，以提供静态模量全面尊重的较低值

为Edyn高的值，请参阅[42]。

方程

（1）因而是一次尝试

靠近原点的动静弹性模量

区别，而情商（3）量化的体积变形，而不考虑其潜在的机制及其明显的效果。

对于在140天（见表1）属性，情商（3）将生成一个值

ΔεV=58μm/m.情商的人结果比较。

（