掺合料对混凝土碳化的影响#

1、中国科技论文在线- PAGE 8 - FORMTEXT 掺合料对混凝土碳化的影响基金项目：深部岩土力学与地下工程国家重点实验室 FORMTEXT 孙宜兵作者简介：1988年3月20日，男，结构工程. E-mail: SET bkCompanyEN CHINA UNIVERSITY OF MINING AND TECHNOLOGY * MERGEFORMATCHINA UNIVERSITY OF MINING AND TECHNOLOGYSET bkCompanyCHN 中国矿业大学力学与建筑学院，徐州，221008 * MERGEFORMAT中国矿业大学力学与建筑学院，徐州，221008SET

2、 bkPostcode 221008 * MERGEFORMAT221008SET bkMobile* MERGEFORMAET bkTelphone* MERGEFORMAET bkAddress 江苏省徐州市中国矿业大学南湖校区杏三B5161 * MERGEFORMAT江苏省徐州市中国矿业大学南湖校区杏三B5161SET bkEmail * MERGEFORMATSET bkIntroduction 1988年3月20日，男，结构工程 * MERGEFORMAT1988年3月20日，男，

3、结构工程SET bkAuthorCHN 孙宜兵 * MERGEFORMAT孙宜兵SET bkAuthorEN sunyibing * MERGEFORMATsunyibingSET bkContact 孙宜兵 * MERGEFORMAT孙宜兵SET bkFund 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室 * MERGEFORMAT深部岩土力学与地下工程国家重点实验室SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERG

4、EFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET version 1.5 * MERGEFORMAT1.5SET bkReferencesInfo 1*|*学位论文*|*陈立亭 ， 混凝土碳化模型及其参数研究D . 西安建筑科技大学土木工程学院，2007。2*|*学位论文*|* 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年7月。3*|*学位论文*|*牛荻涛 李春晖，复掺矿物掺合料混凝土碳化深度预测模型I. 西安建筑科技大学学报，2010年8月。4*|*期刊*

5、|* 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。5*|*期刊*|*赵顺增 刘立，混凝土中活性掺合料的最大限量探讨. 混凝土，2009年第5期。6*|*学位论文*|*陈伟，粉煤灰混凝土抗碳化性能及显微硬度分析. 武汉理工大学学报，2009年6月。7*|*学位论文*|*杜晋军 金祖权，粉煤灰混凝土的碳化研究J. 粉煤灰，2005.6:98*|*期刊*|*Vagelis G. papadakis, Experimental carbonation J. ACI Materials Journal, 1991,88 (4):363-373. 9*|*期刊

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7、 M N. Fundamental modeling and experimental investigation of concrete carbonation J. ACI Materials Journal, 1991,88(4):363-373 12*|*学位论文*|*牛建刚. 一般大气环境多因素作用混凝土中性化性能研究D. 西安建筑科技大学，2009. * MERGEFORMAT1*|*学位论文*|*陈立亭 ， 混凝土碳化模型及其参数研究D . 西安建筑科技大学土木工程学院，2007。2*|*学位论文*|* 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年

8、7月。3*|*学位论文*|*牛荻涛 李春晖，复掺矿物掺合料混凝土碳化深度预测模型I. 西安建筑科技大学学报，2010年8月。4*|*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。5*|*期刊*|*赵顺增 刘立，混凝土中活性掺合料的最大限量探讨. 混凝土，2009年第5期。6*|*学位论文*|*陈伟，粉煤灰混凝土抗碳化性能及显微硬度分析. 武汉理工大学学报，2009年6月。7*|*学位论文*|*杜晋军 金祖权，粉煤灰混凝土的碳化研究J. 粉煤灰，2005.6:98*|*期刊*|*Vagelis G. papadakis, Experimen

9、tal carbonation J. ACI Materials Journal, 1991,88 (4):363-373. 9*|*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):186-19510*|*期刊*|*Taylor H.F.W.Cement Chemistry M. 2nd.ed., London: Thomas

10、 Telford Publishing,1997.11*|*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):363-373 12*|*学位论文*|*牛建刚. 一般大气环境多因素作用混凝土中性化性能研究D. 西安建筑科技大学，2009.SET bkAuthorsInfo *|1|孙宜兵|sunyibing|中国矿业大学力学与建筑学院

11、，徐州，221008|CHINA UNIVERSITY OF MINING AND TECHNOLOGY|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|22100818952243120 * MERGEFORMAT*|1|孙宜兵|sunyibing|中国矿业大学力学与建筑学院，徐州，221008|CHINA UNIVERSITY OF MINING AND TECHNOLOGY|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|22100818952243120SET b

12、kTitleInfo 掺合料对混凝土碳化的影响|Effect of admixture amount on the carbonation|深部岩土力学与地下工程国家重点实验室 * MERGEFORMAT掺合料对混凝土碳化的影响|Effect of admixture amount on the carbonation|深部岩土力学与地下工程国家重点实验室（中国矿业大学力学与建筑学院，徐州，221008）SET bkTitleInfo * MERGEFORMAT SET bkAuthorsInfo * MERGEFORMAT 摘要： FORMTEXT 综述文章：以背景、研究现状、研究用途的结构

13、书写，篇幅以150300字左右为宜，不用第一人称做主语，不与正文语句重复。一般研究性文章：以摘录要点的形式按目的、方法、结果、结论的结构报道出作者的主要研究成果，字数在200400字左右为宜，不用第一人称做主语，不与正文语句重复。关键词： FORMTEXT 关键词1；关键词2；关键词3（关键词36个，分号隔开）要能反映文章的基本观点，避免广义词。第一个关键词为该文内容所属二级学科名称中图分类号： FORMTEXT TU528.33SET bkAuthorsInfo * MERGEFORMAT SET bkTitleInfo * MERGEFORMAT FORMTEXT Effect of ad

14、mixture amount on the carbonation FORMTEXT sunyibing(CHINA UNIVERSITY OF MINING AND TECHNOLOGY)Abstract: FORMTEXT to invest the effect of admixture amount on the deep of carbonation , we used concrete carbonation model based on gas diffusion theory , and got calculation method of parameter applying

15、theoretical derivation , and various parameters can be counted . Then compare different factors influence , thus we can know which plays the leading role , which plays the secondary role . The results show that the dosage of cementitious materials and water-cement ratio have great on the deep of car

16、bonation .Key words: FORMTEXT carbonation; mineral admixtures引言目前对于碳化的研究主要集中在四个方面：碳化的机理、碳化模型、碳化的影响因素及碳化寿命的预测；其中碳化的影响因素有周围环境因素、材料因素和施工因素；对于材料因素的研究是近些年来的热点，特别是矿物掺合料的掺入对碳化的影响，目前使用最多的矿物掺合料是粉煤灰与矿渣，它们的掺入能够减少水泥的用量，降低水化热、提高混凝土的抗渗性等优点。但同时也会带来一些负面的效应，其中最为显著的是对混凝土的碳化的影响；碳化会降低混凝土的碱性从而破坏钢筋表面形成的“钝化膜”导致钢筋的锈蚀降低结构的耐

17、久性。碳化模型碳化模型分类根据碳化模型的来源，可将其分为三类1：基于碳化试验的经验模型；以扩散理论为基础的理论推导模型；基于扩散理论与试验结果的模型。国内外大量研究表明：混凝土结构的碳化深度与时间的平方根成正比，其中基于气体扩散理论的混凝土碳化深度预测理论模型为： x=式中：m0为完全碳化时单位体积混凝土吸收二氧化碳的量 mol/m3; CO20为混凝土表面处二氧化碳的摩尔浓度mol/m3; De为二氧化碳在混凝土中的有效扩散系数m2/s ; t为碳化时间s1.2 加入掺合料混凝土的碳化模型影响混凝土结构碳化的主要因素有混凝土的密实性以及混凝土的含碱量，所以本文就从这两个主要因素来考虑加入掺合

18、料后混凝土的碳化模型。目前对于加入掺合料混凝土的碳化模型有金祖全2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，Dco2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3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

19、；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4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=4.181.3 掺合料对碳化的影响 赵顺增5 陈伟6认为在相同的水泥品种，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7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。存在这种不同认识的根本原因在

20、于：掺合料一部分会产生火山灰效应；还有一部分未发生二次水化反应会填充水泥中的孔隙产生微集料效应，增强了混凝土的抗渗性，阻止酸性气体的侵入，因而提高了抗碳化能力；所以关键点在于哪种起主导作用。碳化模型分析2.1 参数的确定矿物掺合料混凝土硬化和碳化后总孔隙率由下式确定8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9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

21、固相摩尔体积变化量10 10-3m3/mol水泥熟料中的物质C3SC2SC3AC4AF0.23340.22850.57690.2321硅酸盐水泥熟料、主要水化产物的摩尔质量与摩尔体积10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

22、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火山灰反应的程度取为0.2，则可得碳化反应前，矿渣活性成分参与火山灰反应程度取为0.3，可得矿渣引起的孔隙率变化有： 根据表计算可得： 硅灰引起的孔隙变化其中取0.90： 根据表计算可得： (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

23、： 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：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硅灰等量取代水泥时：m0=（1-s）6.99d粉煤灰等量取代水泥时：m0=（1-f）6.99d+（）fd103矿渣等量取代水泥时：m0=（1-bs）6.99d+（）bsd103所以可以得到在复掺矿渣

24、和粉煤灰时：m0=（1-bs-f）6.99d+（）fd103+（）bsd103其中为粉煤灰的掺量；为矿渣的掺量；为硅灰的掺量，为掺合料反应度系数分别为0.5 , 0.9矿物掺合料掺量的确定3.1 掺粉煤灰掺量的确定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从而加速了水化；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= 在单掺粉煤灰的的前提下可得 (1)m0=6.99d-11.87df (2)掺合料混凝土CO2有效扩

25、散系数11: (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12： (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： 现在研究粉煤灰掺量对碳化的影响，对上式的进行求导可得：其中的k= 同理我们也可以得到掺矿渣，石粉等掺合料的量。结论1 若导数为正则碳化深度随粉煤灰掺量的增加而增加，若为负则减小；由此可知胶凝材料的用量及水灰比对掺粉煤灰混凝土的碳化深度游很大的影响。2 当水灰比较小并且胶凝材料的用量较大时存在一个掺量m，若掺量低于m时粉煤灰对混凝土的碳化起正面作用，并随着掺量增加碳化深度减小；若高于m则粉煤灰起负面作用，随着掺量的增加碳化深度增加。其中临界值m随着水灰比及胶凝材料而异。3 水泥用量较少，并且水灰比较大则水泥的水化比较充分掺入的粉煤灰大部分起到火山灰效应；未发生二次水化的部分减少从而使得堵塞孔隙的作用减弱，所以存在这样一个临界值。 参考文献 (References) FORMTEXT 1 陈立亭