粉煤灰混凝土碳化模型分析

1、中国科技论文在线粉煤灰混凝土碳化模型分析 孙宜兵孙宜兵作者简介：1988年3月20日，男，结构工程. E-mail: sunyibing12341.51.51.51.51.51.5Institute of civil engineering of CHINA UNIVERSITY OF MONING AND TECHNOLOGY,Xu Zhou ,221008中国矿业大学力学与建筑工程学院，徐州，2210082210081895224312018952243120江苏省徐州市中国矿业大学南湖校区杏三B5161sunyibing12341988年3月20日，男，结构工程孙宜兵Sun Yibing

2、1.51.51.51.51.51.51.51*|*期刊*|*赵顺增, 刘立.混凝土中活性掺合料的最大限量探讨J. 混凝土，2009,235:1002-35502*|*期刊*|*陈伟. 粉煤灰混凝土抗碳化性能及显微硬度分析J. 武汉理工大学学报，2009,31(11),1671-44313*|*期刊*|*杜晋军， 金祖权. 粉煤灰混凝土的碳化研究J. 粉煤灰,2005.6:94*|*期刊*|*方璟，梅国兴. 影响混凝土碳化主要因素及钢锈锈蚀试验研究J.混凝土，1993(2):23-295*|*期刊*|*金祖权 孙伟，粉煤灰混凝土的多因素寿命预测模型I. 东南大学学报，2005,增刊(I)6*|*

3、期刊*|*裘洛书，混凝土多系数碳化方程及其应用J. 混凝土及加筋混凝土，1985，(6)：1016。7*|*期刊*|*Papadakis V.G, Vayenas C. G, Fardis M. N. Physical and chemical characteristics affecting the durability of concrete J.ACI Materials Journal, 1991, 88 (4):186-1958*|*期刊*|*Vagelis G. papadakis, Experimental carbonation J. ACI Materials Journa

4、l, 1991, 88 (4):363-373.9*|*专著*|*Taylor H.F.W.Cement Chemistry M. 2nd.ed., London: Thomas Telford10*|*期刊*|*PAPADAKIS V G, VAYENAS C G, FARDIS M N. Fundamental modeling and experimental investigation of concrete carbonation J. ACI Materials Journal, 1991,88(4):363-37311*|*学位论文*|*牛建刚. 一般大气环境多因素作用混凝土中性

5、化性能研究D.西安：西安建筑科技大学.2008*|1|孙宜兵|Sun Yibing|中国矿业大学力学与建筑工程学院，徐州，221008|Institute of civil engineering of CHINA UNIVERSITY OF MONING AND TECHNOLOGY,Xu Zhou ,221008|1988年3月20日，男，结构工程|江苏省徐州市中国矿业大学南湖校区杏三B5161|221008|sunyibing123418952243120粉煤灰混凝土碳化模型分析|carbonation model analysis of concrete mi

6、xed fly ash|- 7 -（中国矿业大学力学与建筑工程学院，徐州，221008）摘要：本文对碳化深度的预测模型计算值与实测值进行了对比分析表明，证明牛荻涛提出的基于水胶比，掺合料的用量，胶凝材料的总用量的碳化模型，较为可靠。并且通过分析得到：混凝土的碳化深度随粉煤灰掺量的增加而增大，当粉煤灰掺量低于30%时对混凝土的碳化深度影响较小；当大于30%时混凝土的碳化深度下降较大。关键词：碳化深度；粉煤灰；碳化模型中图分类号：TU528.2carbonation model analysis of concrete mixed fly ashSun Yibing(Institute of ci

7、vil engineering of CHINA UNIVERSITY OF MONING AND TECHNOLOGY,Xu Zhou ,221008)Abstract: In this paper, we analyze the prediction model of carbonation depth and contrast it with measured value. Niu Di-tao proposed the carbonation model based on water-binder ratio, the mixed quantity of cementitious ma

8、terials; the total amount of gelled material, and it is relatively reliable. The result: the depth of carbonation will be increase by the content of fly ash; when the fly ash content is less than 30%, the carbonation depth will be little influence; more than 30% is contrary.Key words: carbonation de

9、pth; fly ash; prediction model0 引言目前粉煤灰作为掺合料大量的用于混凝土中，但是对于碳化的影响还存在不同的看法：赵顺增1 陈伟2研究表明在相同的水泥品种，相同强度的情况下，随着粉煤灰掺量的增加碳化加剧；杜晋军3则认为：对于低水胶比混凝土而言，粉煤灰掺量小于30%，将提高其抗碳化能力，当掺量大于30%后，将降低混凝土的抗碳化能力，掺量以17%为最优。方璟4的试验证明：粉煤灰等量取代水泥越大，则混凝土的抗碳化能力下降越大；存在这种分歧的根源是混凝土中掺入粉煤灰有正负两方面的作用：一方面由于水泥用量减少，水化反应生成的可碳化物质减少，碱储备量降低，抗碳化能力降低；另一

10、方面，粉煤灰的二次水化填充效应可显著改善混凝土的孔结构，提高混凝土的密实性。目前碳化模型众多，有基于碳化理论的理论模型，经验模型和经验与理论相结合的模型；本文对其中的一些模型进行了分析并同时进行了论证；试图得到一个既容易取值又适合工程实践的碳化模型，同时也较为可靠。1 碳化模型1.1 加入掺合料混凝土的碳化模型影响混凝土碳化的主要因素有混凝土的密实性和混凝土的含碱量，目前对于加入掺合料混凝土的碳化模型认可度比较高的有金祖全5基于Fick第一定律，建立综合考虑粉煤灰掺量、养护龄期、荷载率的多因素碳化深度预测模型如下所示： X= FA为粉煤灰的掺量（%）；P1，P2，P3为回归参数；Dsco2，D

11、co2为荷载、非荷载下的CO2扩散系数（mm2/d）；s为荷载率（%）；m，n为实验常数，其中n值稳定在0.0205左右；当粉煤灰掺量小于12%，m值随粉煤灰掺量增加而降低；当粉煤灰大于12%，则随之增加。但总体而言变化不大，稳定在1.007左右。牛荻涛6提出的复掺矿物掺合料的碳化模型：x=RH为环境相对湿度；p为水泥混凝土硬化和碳化后总孔隙率；t为碳化时间s；m0为完全碳化时单位体积混凝土吸收二氧化碳的量。裘洛书6提出的模型：式中，Xc为预测碳化深度，mm； 为谈话时间，年； 为水泥用量影响系数； 水灰比影响系数； 粉煤灰取代量影响系数； 水泥品种影响系数； 集料品种影响系数； 养护方法影响

12、系数； 为自然碳化影响系数，普通混凝土=2.32，轻骨料混凝土=4.181.2 牛荻涛碳化模型的分析2.2 对牛荻涛碳化模型的分析矿物掺合料混凝土硬化和碳化后总孔隙率由下式确定7式中：混凝土中引入的气泡体积百分率（按1.5%）；水泥水化引起的孔隙率减少值；混合材参与水化反应引起的孔隙率减少值；混凝土碳化所引起的孔隙率减少值；(1) 水泥水化引起的孔隙率减少值水泥水化所引起的混凝土孔隙率减少值可由下式确定8式中 水泥中各物质水化反应后与水化反应前固相物质的摩尔体积差(m3/mol)见下表 硅酸盐水泥水化前后固相摩尔体积变化量9 10-3m3/mol水泥熟料中的物质C3SC2SC3AC4AF0.2

13、3340.22850.57690.2321硅酸盐水泥熟料、主要水化产物的摩尔质量与摩尔体积9化合物C3SC2SC3AC4AFCHC3S2H13C4AH13CSA摩尔质量(g/mol)228.30172.22270.18485.9674.10342.41560.4756.0860.08101.96摩尔体积(10-6m3/mol)71.3452.1989.17128.9033.08150272.0716.8927.2825.49可得：d为单位体积胶凝材料的总量。(2) 矿物掺合料氧化物参与水化反应所引起的孔隙率减少值根据粉煤灰氧化物参与水化反应的公式计算水化引起的孔隙率变化如下：粉煤灰活性物质参与

14、火山灰反应的程度取为0.2，则可得 (3) 混凝土碳化所引起的孔隙率减少值=(0.0369-0.0609f+0.0763bs+0.0544s)d10-3其中为粉煤灰的掺量；为矿渣的掺量；为硅灰的掺量可得单掺粉煤灰情况下：(4) 牛建刚11通过分析水泥水化、矿物掺合料二次水化及混凝土碳化机理得出完全碳化时单位体积混凝土吸收二氧化碳的量m0进行了分析得到：我国火电厂粉煤灰主要化学成分SiO2Al2O3TiO2CaOMgOK2ONa2OMnOP2O3S2O3TFeO烧失量49.2227.801.293.220.841.210.450.060.280.716.637.99采用普通硅酸盐水泥配制混凝土时

15、：m0=（1-）8.22dd为单位体积混凝土胶凝材料总量，kg/m3; 为普通硅酸盐水泥混合材料掺量，范围为6%-15%; 若采用硅酸盐水泥，则取值为0粉煤灰等量取代水泥时：m0=（1-f）6.99d+（）fd103其中为粉煤灰的掺量；，为掺合料反应度系数分别为0.5 2.3碳化模型确定掺粉煤灰掺量牛建刚的单位体积吸收CO2的量是建立在完全水化的基础上的，随着矿物掺合料的加入加速了水化；因此这种假设在加入掺合料的情况下与实际相比吸收CO2的量相当，况且其中的C2S 、C3S 、C4AF的水化率很高并且C2S 、C3S未水化的部分仍然能吸收二氧化碳。基于扩散理论的碳化模型：x= 在单掺粉煤灰的的

16、前提下可得 (1)m0=6.99d-11.87df (2)掺合料混凝土CO2有效扩散系数10: (3) 为硬化和碳化后水泥石的孔隙率，RH为环境相对湿度。二氧化碳百分比浓度与摩尔浓度的关系为11： (4)C0为二氧化碳体积分数。式中：RH为环境相对湿度；为硬化和碳化后水泥石的孔隙率。由(1) (2) (3)（4）式可得： 2 碳化模型的验证2.1 试验方法粉煤灰的掺量从0%50%，水灰比为0.49，胶凝材料的总用量为469g；混凝土碳化性能试验参照普通混凝土长期性能和耐久性试验方法（GB-85）。I采用正方体试件，尺寸为100mm100mm100mm。试件成型后24h拆模，经标准养护26d后置

17、于60烘箱中烘干48h，试样保留相对侧面，其余表面用石蜡密封，按要求放入混凝土碳化试验箱内，并在碳化时间达到3d，7d，14d，和28d时分别测试碳化模型，碳化试验得出结果见表（1）。 表（1）计算模型粉煤灰掺量碳化天数计算碳化深度(mm)实际碳化深度(mm)0%31.7072.61.8143.62.6285.14.310%32.81.073.12.7144.43.1286.15.720%32.42.673.73.7145.34.3287.46.930%33.13.774.73.6146.65.7289.38.940%34.05.876.28.1148.710.22812.311.850%36

18、.310.479.511.71413.511.02819.116.32.2 结果分析从表（1）的结果来看此碳化模型的计算结果与试验得出的碳化深度相差不大， 考虑到水灰比，胶凝材料的总用量以及掺合料的掺量的碳化模型比较可靠；特别，是粉煤灰的掺量在20%-30%时计算得到的结果与试验更加吻合。 随着粉煤灰的加入混凝土的碳化深度也随之增加，但是当掺量低于30%时对碳化深度的影响并不明显；这是由于粉煤灰发生了二次水化反应以及未发生反应粉煤灰填充了混凝土中的孔隙，阻止了二氧化碳向混凝土中扩散；在粉煤灰的掺量超过30%时混凝土的碳化深度显著增加。3 结论 1）在混凝土中掺入粉煤灰会降低其抗碳化性能，在掺量低于30%时这种影响不明显；当粉煤灰掺量大于30%混凝土的抗碳化性能会显著降低。 2）牛荻涛提出的碳化模型，计算值与实测值误差较小，具有充分的理论依据和较高的预测精度。参考文献 (References)1 赵顺增, 刘立.混凝土中活性掺合料的最大限量探讨J. 混凝土，2009,235:1002-35502 陈伟. 粉煤灰混凝土抗碳化性能及显微硬度分析J. 武汉理工大学学报，2009,31(11),1671-44313 杜晋军， 金祖权. 粉煤灰混凝土的碳化研究J. 粉煤灰,2005.6:94 方璟，梅国兴. 影响混凝土碳化主要因素及钢锈锈蚀试验研究J.混凝土，1993(2):23