水利工程論文-混凝土等溫傳濕過程的試驗(yàn)研究摘要：利用400mm400mm160mm塊狀試件，構(gòu)造了混凝土內(nèi)部濕分遷移的半無限平面模型.在等溫環(huán)境下，測(cè)量了第一飽和狀態(tài)下混凝土向非飽和空氣介質(zhì)傳濕的全過程.利用Boltzmamn變量，導(dǎo)出了混凝土濕度控制方程的常微分形式，并將其中的質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)Dm表示為顯函數(shù)，便于試驗(yàn)確定.研究表明：Boltzmamn變量與混凝土的相對(duì)濕度H具有良好的規(guī)律性，H可以用四次多項(xiàng)式擬合；混凝土的質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)嚴(yán)重地依賴于當(dāng)前狀態(tài)下的相對(duì)濕度H，且均可以用三次多項(xiàng)式表達(dá)；在同一濕度條件下，碾壓混凝土的質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)為常態(tài)混凝土的412倍.研究成果可為混凝土表面保護(hù)與抗裂設(shè)計(jì)提供參考.關(guān)鍵詞：混凝土相對(duì)濕度Boltzmamn變量質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)產(chǎn)生混凝土表面裂縫的一個(gè)重要因素是混凝土表面的干縮應(yīng)力或濕差應(yīng)力.混凝土表面的濕度梯度，以及由此而產(chǎn)生的濕差應(yīng)力，取決于混凝土的濕擴(kuò)散速度.由于混凝土的濕擴(kuò)散速度(以質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)Dm表示)強(qiáng)烈地依賴于混凝土本身的濕度狀態(tài)1，且由于混凝土的含濕狀態(tài)難以準(zhǔn)確地測(cè)量，所以，長(zhǎng)期以來，混凝土濕度控制方程的求解進(jìn)展緩慢，混凝土的表面裂縫問題在理論上并沒有很好地解決.本文利用混凝土內(nèi)部的相對(duì)濕度H與混凝土的體積含濕率(或重量含濕率)在一定濕度范圍內(nèi)的線性關(guān)系H=f()=K+B(見圖1)2，在等溫環(huán)境下，測(cè)試了第一飽和狀態(tài)下混凝土與碾壓混凝土向非飽和空氣介質(zhì)傳濕的全過程，得到了相對(duì)濕度從70%到100%范圍內(nèi)，兩種混凝土的質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，為進(jìn)一步研究混凝土的溫濕度耦合作用打下基礎(chǔ).圖1混凝土材料相對(duì)濕度與重量含濕率1混凝土濕度擴(kuò)散方程與Boltzmamn變量文獻(xiàn)3研究了多孔介質(zhì)溫濕度耦合控制方程.在特定尺度意義下，混凝土是一種典型的多孔介質(zhì).忽略重力的影響，并將孔隙中蒸汽壓力與毛細(xì)吸力轉(zhuǎn)化為溫度與濕度的函數(shù)后，混凝土的濕度擴(kuò)散方程可以簡(jiǎn)單地表示為3：(1)式中：Dm為在沒有溫度變化的情況下混凝土濕份遷移的質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，單位：m2/h，它是混凝土散濕能力與保濕能力的綜合表示，表明物體內(nèi)部濕度趨于一致的能力，它實(shí)際上是含濕度的函數(shù)，即Dm=Dm()，正是由于這一關(guān)系，使得式(1)成為了經(jīng)典的非線性微分方程，使理論解法幾乎失去可能；Dt為溫度變化引起濕份遷移的質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，簡(jiǎn)稱熱質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)，單位：m2/h.為了使問題得到簡(jiǎn)化，假設(shè)介質(zhì)與環(huán)境的初始溫度是均勻的，且在等溫環(huán)境中濕分?jǐn)U散引起的混凝土溫度改變可以忽略不計(jì)3，那么式(1)可變?yōu)?2)基于混凝土濕分表示的線性假定，H=K+B，式(2)的另一種表達(dá)式為：(3)相應(yīng)地，Dm=Dm()變成Dm=Dm(H).一種求質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的方法是Bruce和Klute在研究土壤的入滲問題時(shí)提出來的4.其基本思路是：在一維情況下，假定混凝土干燥前沿的推進(jìn)速率反比于1/2，那么，單位面積混凝土的累計(jì)散濕量I就正比于1/2，即I=S1/2.其中，S為混凝土的干燥度.事實(shí)上，按物理意義，從0時(shí)刻到時(shí)刻，單位面積混凝土的累計(jì)散濕量(H1為時(shí)刻混凝土的相對(duì)濕度，H0為0時(shí)混凝土的初始相對(duì)濕度，x為測(cè)點(diǎn)離散濕表面的距離)，于是（4）其中Boltzmamn變量=x-1/2，也就是根據(jù)復(fù)合函數(shù)求導(dǎo)規(guī)則，可將式(2a)變成：d/d(DmdH/d)+1/2dH/d=0(4)顯然，H=H()或=(H)均是式(2a)的解.由式(4)經(jīng)代數(shù)運(yùn)算即可以得：Dm=-1/2d/dH(5)因此，只要用實(shí)驗(yàn)的方法確定某一時(shí)刻混凝土試件中含濕率隨坐標(biāo)x的分布規(guī)律，或某一特定截面上含濕率隨時(shí)間的變化規(guī)律，就可以得到與H的離散關(guān)系.如果與H的規(guī)律性很好，即可擬合試驗(yàn)成果，形成=(H)的函數(shù)關(guān)系，按式(5)確定Dm.2混凝土等溫傳濕過程的試驗(yàn)圖2為混凝土等溫傳濕的實(shí)驗(yàn)裝置.混凝土與碾壓混凝土試件相對(duì)而立，環(huán)境溫濕度探頭介于兩試件的中央.4支直徑為4mm的溫濕度探頭分別插于深200mm、直徑為5mm的預(yù)留孔中(每個(gè)試件各預(yù)留1個(gè)邊孔與1個(gè)中孔，具體位置見圖2).試件置于鋼筋混凝土平臺(tái)上，臺(tái)的上方設(shè)有頂面帶孔的有機(jī)玻璃罩，以盡量保持實(shí)驗(yàn)期間試件周圍的溫度恒定不變.試件成型后1d拆摸，隨即置于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上養(yǎng)護(hù).試件的四周表面涂有一層清漆，以維持四周的絕濕邊界.整個(gè)試件、尤其是兩個(gè)主散濕面在養(yǎng)護(hù)期間以濕布覆蓋，以維持混凝土表面與內(nèi)部的濕度平衡.14d后，混凝土內(nèi)部的溫度與環(huán)境溫度基本達(dá)到平衡，試件的濕度分布基本一致.實(shí)驗(yàn)隨即開始.為了建立混凝土相對(duì)濕度與其重量含濕率之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)前對(duì)兩種試件稱重，實(shí)驗(yàn)后放入干燥箱內(nèi)干燥.干燥箱的溫度穩(wěn)定在80，干燥約18d后再一次稱重.在稱重的同時(shí)，也測(cè)量了對(duì)應(yīng)狀態(tài)下中孔的相對(duì)濕度.所用混凝土與碾壓混凝土的配比及其試件干濕重量見表1.試驗(yàn)成果見表2.從表2中發(fā)現(xiàn)：設(shè)計(jì)環(huán)境溫度為20，實(shí)測(cè)環(huán)境溫度最高24.2，最低17.1；實(shí)測(cè)混凝土與碾壓混凝土邊孔溫度均隨氣溫作微小波動(dòng)，表明試驗(yàn)基本在等溫環(huán)境中進(jìn)行，同時(shí)也證明對(duì)耦合方程式(1)作近似處理是可行的.為了更直觀地反映兩種混凝土邊、中孔濕度隨大氣的變化情況，將表2中的濕度數(shù)據(jù)用圖3表示.從圖3可以看出：在實(shí)驗(yàn)開始后35d之內(nèi)，常規(guī)混凝土中孔濕度幾乎沒有變化，到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，其濕度變化也很??；而碾壓混凝土則不然.其中孔濕度在實(shí)驗(yàn)開始后10d就開始有變化，邊孔測(cè)點(diǎn)的濕度在第16d就基本與環(huán)境濕度達(dá)到平衡了.顯然，為滿足一維半無限平面擴(kuò)散的條件，對(duì)常規(guī)混凝土，前3540d的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是可用的，對(duì)碾壓混凝土而言，可用數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)將減少，多項(xiàng)式擬合時(shí)要作一些處理.表1混凝土與碾壓混凝土配比及其試件干濕重量(單位：kg/m3)表2混凝土準(zhǔn)等溫傳濕試驗(yàn)成果圖2混凝土等溫傳濕試驗(yàn)裝置圖3混凝土等溫傳濕試驗(yàn)結(jié)果3混凝土質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的確定對(duì)于邊孔，x=0.015m,Boltzmamn變量=x-1/2實(shí)際上表達(dá)了一個(gè)時(shí)間因素.特定截面(x=0.