外部荷载对混凝土内部相对湿度的影响讲解.docx

1、外部荷载对混凝土内部相对湿度的影响讲解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

2、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

3、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

4、 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

5、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 et al.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

6、产生变化永远不会已经通过实验验证。后来，Baant et al.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/c 0.30 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

7、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

8、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 stressthatpushes thes

9、olids26 (第 1a seeFig) 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

10、（RH2 N RH1 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

11、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 63 59在荷载作用下的时间。后来，Baant 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。Baant 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 Baant 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

12、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

13、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 Baant 和同事反对应力对混凝土湿状态影响的主要

14、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。Baant et al。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 0.30 w/波特兰水泥 CEM 我 42.5N。实用性调整聚羧酸系高效

15、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 120 120 360 mm3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 RH N 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 2

16、0 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 = 18.2 MPa 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 compressivestressof 的年龄 = 26.3MPaand 计测

17、wasmaintained untilunloading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 40m m。 3.3.测量 RH微型传感器 HC2 C05 （Rotronic） 用直径 5 毫米衡量 RH 和砂浆试件内部温度。圆柱铁氟龙 filterswerep

18、ut 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 b15 s，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。

19、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 40 160 mm3 投从同一混合批次一样大棱镜。第 1 天的脱

20、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 RH N 90%。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 26 MPa 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 ASTM C215-08 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

21、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 (220 m/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 /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RH 1.45 0.03 %rh 相差测量 （图 2a）。下一步的时候该示例

22、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，/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

23、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

24、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

25、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

26、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 V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： V pcS pcS 1 = K1 = Ks 1在哪里 Ks 是假定为 44 固体骨架体积模量 GPa11,37,45，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

27、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 pc 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：pc RTwMwRH2 lnRH1 2其中 R 为通用气体常数，T 是温度，w 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6

28、4 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/c 0.30 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

29、，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 = 0.25 （表 1），用于静态和动态的情况下，收益率 Kstat = 21.8 GPa 和 Kdyn = 25.5 GPa。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48m m 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： V 12Estat 12Edyn3在 = 26 MPa 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V = 58 m/m.情商的人结果比较。(