粉煤灰混凝土碳化模型分析

1、中國科技論文在線粉煤灰混凝土碳化模型分析 孫宜兵孫宜兵作者簡介：1988年3月20日，男，結(jié)構(gòu)工程. E-mail: sunyibing12341.51.51.51.51.51.5Institute of civil engineering of CHINA UNIVERSITY OF MONING AND TECHNOLOGY,Xu Zhou ,221008中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，徐州，2210082210081895224312018952243120江蘇省徐州市中國礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)杏三B5161sunyibing12341988年3月20日，男，結(jié)構(gòu)工程孫宜兵Sun Yibing

2、1.51.51.51.51.51.51.51*|*期刊*|*趙順增, 劉立.混凝土中活性摻合料的最大限量探討J. 混凝土，2009,235:1002-35502*|*期刊*|*陳偉. 粉煤灰混凝土抗碳化性能及顯微硬度分析J. 武漢理工大學(xué)學(xué)報，2009,31(11),1671-44313*|*期刊*|*杜晉軍， 金祖權(quán). 粉煤灰混凝土的碳化研究J. 粉煤灰,2005.6:94*|*期刊*|*方璟，梅國興. 影響混凝土碳化主要因素及鋼銹銹蝕試驗研究J.混凝土，1993(2):23-295*|*期刊*|*金祖權(quán) 孫偉，粉煤灰混凝土的多因素壽命預(yù)測模型I. 東南大學(xué)學(xué)報，2005,增刊(I)6*|*

3、期刊*|*裘洛書，混凝土多系數(shù)碳化方程及其應(yīng)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*|*專著*|*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*|*學(xué)位論文*|*牛建剛. 一般大氣環(huán)境多因素作用混凝土中性

5、化性能研究D.西安：西安建筑科技大學(xué).2008*|1|孫宜兵|Sun Yibing|中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)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，結(jié)構(gòu)工程|江蘇省徐州市中國礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)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 -（中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，徐州，221008）摘要：本文對碳化深度的預(yù)測模型計算值與實測值進(jìn)行了對比分析表明，證明牛荻濤提出的基于水膠比，摻合料的用量，膠凝材料的總用量的碳化模型，較為可靠。并且通過分析得到：混凝土的碳化深度隨粉煤灰摻量的增加而增大，當(dāng)粉煤灰摻量低于30%時對混凝土的碳化深度影響較小；當(dāng)大于30%時混凝土的碳化深度下降較大。關(guān)鍵詞：碳化深度；粉煤灰；碳化模型中圖分類號：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 引言目前粉煤灰作為摻合料大量的用于混凝土中，但是對于碳化的影響還存在不同的看法：趙順增1 陳偉2研究表明在相同的水泥品種，相同強(qiáng)度的情況下，隨著粉煤灰摻量的增加碳化加??；杜晉軍3則認(rèn)為：對于低水膠比混凝土而言，粉煤灰摻量小于30%，將提高其抗碳化能力，當(dāng)摻量大于30%后，將降低混凝土的抗碳化能力，摻量以17%為最優(yōu)。方璟4的試驗證明：粉煤灰等量取代水泥越大，則混凝土的抗碳化能力下降越大；存在這種分歧的根源是混凝土中摻入粉煤灰有正負(fù)兩方面的作用：一方面由于水泥用量減少，水化反應(yīng)生成的可碳化物質(zhì)減少，堿儲備量降低，抗碳化能力降低；另一

10、方面，粉煤灰的二次水化填充效應(yīng)可顯著改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，提高混凝土的密實性。目前碳化模型眾多，有基于碳化理論的理論模型，經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃徒?jīng)驗與理論相結(jié)合的模型；本文對其中的一些模型進(jìn)行了分析并同時進(jìn)行了論證；試圖得到一個既容易取值又適合工程實踐的碳化模型，同時也較為可靠。1 碳化模型1.1 加入摻合料混凝土的碳化模型影響混凝土碳化的主要因素有混凝土的密實性和混凝土的含堿量，目前對于加入摻合料混凝土的碳化模型認(rèn)可度比較高的有金祖全5基于Fick第一定律，建立綜合考慮粉煤灰摻量、養(yǎng)護(hù)齡期、荷載率的多因素碳化深度預(yù)測模型如下所示： X= FA為粉煤灰的摻量（%）；P1，P2，P3為回歸參數(shù)；Dsco2，D

11、co2為荷載、非荷載下的CO2擴(kuò)散系數(shù)（mm2/d）；s為荷載率（%）；m，n為實驗常數(shù)，其中n值穩(wěn)定在0.0205左右；當(dāng)粉煤灰摻量小于12%，m值隨粉煤灰摻量增加而降低；當(dāng)粉煤灰大于12%，則隨之增加。但總體而言變化不大，穩(wěn)定在1.007左右。牛荻濤6提出的復(fù)摻礦物摻合料的碳化模型：x=RH為環(huán)境相對濕度；p為水泥混凝土硬化和碳化后總孔隙率；t為碳化時間s；m0為完全碳化時單位體積混凝土吸收二氧化碳的量。裘洛書6提出的模型：式中，Xc為預(yù)測碳化深度，mm； 為談話時間，年； 為水泥用量影響系數(shù)； 水灰比影響系數(shù)； 粉煤灰取代量影響系數(shù)； 水泥品種影響系數(shù)； 集料品種影響系數(shù)； 養(yǎng)護(hù)方法影響

12、系數(shù)； 為自然碳化影響系數(shù)，普通混凝土=2.32，輕骨料混凝土=4.181.2 牛荻濤碳化模型的分析2.2 對牛荻濤碳化模型的分析礦物摻合料混凝土硬化和碳化后總孔隙率由下式確定7式中：混凝土中引入的氣泡體積百分率（按1.5%）；水泥水化引起的孔隙率減少值；混合材參與水化反應(yīng)引起的孔隙率減少值；混凝土碳化所引起的孔隙率減少值；(1) 水泥水化引起的孔隙率減少值水泥水化所引起的混凝土孔隙率減少值可由下式確定8式中 水泥中各物質(zhì)水化反應(yīng)后與水化反應(yīng)前固相物質(zhì)的摩爾體積差(m3/mol)見下表 硅酸鹽水泥水化前后固相摩爾體積變化量9 10-3m3/mol水泥熟料中的物質(zhì)C3SC2SC3AC4AF0.2

13、3340.22850.57690.2321硅酸鹽水泥熟料、主要水化產(chǎn)物的摩爾質(zhì)量與摩爾體積9化合物C3SC2SC3AC4AFCHC3S2H13C4AH13CSA摩爾質(zhì)量(g/mol)228.30172.22270.18485.9674.10342.41560.4756.0860.08101.96摩爾體積(10-6m3/mol)71.3452.1989.17128.9033.08150272.0716.8927.2825.49可得：d為單位體積膠凝材料的總量。(2) 礦物摻合料氧化物參與水化反應(yīng)所引起的孔隙率減少值根據(jù)粉煤灰氧化物參與水化反應(yīng)的公式計算水化引起的孔隙率變化如下：粉煤灰活性物質(zhì)參與

14、火山灰反應(yīng)的程度取為0.2，則可得 (3) 混凝土碳化所引起的孔隙率減少值=(0.0369-0.0609f+0.0763bs+0.0544s)d10-3其中為粉煤灰的摻量；為礦渣的摻量；為硅灰的摻量可得單摻粉煤灰情況下：(4) 牛建剛11通過分析水泥水化、礦物摻合料二次水化及混凝土碳化機(jī)理得出完全碳化時單位體積混凝土吸收二氧化碳的量m0進(jìn)行了分析得到：我國火電廠粉煤灰主要化學(xué)成分SiO2Al2O3TiO2CaOMgOK2ONa2OMnOP2O3S2O3TFeO燒失量49.2227.801.293.220.841.210.450.060.280.716.637.99采用普通硅酸鹽水泥配制混凝土?xí)r

15、：m0=（1-）8.22dd為單位體積混凝土膠凝材料總量，kg/m3; 為普通硅酸鹽水泥混合材料摻量，范圍為6%-15%; 若采用硅酸鹽水泥，則取值為0粉煤灰等量取代水泥時：m0=（1-f）6.99d+（）fd103其中為粉煤灰的摻量；，為摻合料反應(yīng)度系數(shù)分別為0.5 2.3碳化模型確定摻粉煤灰摻量牛建剛的單位體積吸收CO2的量是建立在完全水化的基礎(chǔ)上的，隨著礦物摻合料的加入加速了水化；因此這種假設(shè)在加入摻合料的情況下與實際相比吸收CO2的量相當(dāng)，況且其中的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?；跀U(kuò)散理論的碳化模型：x= 在單摻粉煤灰的的

16、前提下可得 (1)m0=6.99d-11.87df (2)摻合料混凝土CO2有效擴(kuò)散系數(shù)10: (3) 為硬化和碳化后水泥石的孔隙率，RH為環(huán)境相對濕度。二氧化碳百分比濃度與摩爾濃度的關(guān)系為11： (4)C0為二氧化碳體積分?jǐn)?shù)。式中：RH為環(huán)境相對濕度；為硬化和碳化后水泥石的孔隙率。由(1) (2) (3)（4）式可得： 2 碳化模型的驗證2.1 試驗方法粉煤灰的摻量從0%50%，水灰比為0.49，膠凝材料的總用量為469g；混凝土碳化性能試驗參照普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法（GB-85）。I采用正方體試件，尺寸為100mm100mm100mm。試件成型后24h拆模，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)26d后置

17、于60烘箱中烘干48h，試樣保留相對側(cè)面，其余表面用石蠟密封，按要求放入混凝土碳化試驗箱內(nèi)，并在碳化時間達(dá)到3d，7d，14d，和28d時分別測試碳化模型，碳化試驗得出結(jié)果見表（1）。 表（1）計算模型粉煤灰摻量碳化天數(shù)計算碳化深度(mm)實際碳化深度(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 結(jié)果分析從表（1）的結(jié)果來看此碳化模型的計算結(jié)果與試驗得出的碳化深度相差不大， 考慮到水灰比，膠凝材料的總用量以及摻合料的摻量的碳化模型比較可靠；特別，是粉煤灰的摻量在20%-30%時計算得到的結(jié)果與試驗更加吻合。 隨著粉煤灰的加入混凝土的碳化深度也隨之增加，但是當(dāng)摻量低于30%時對碳化深度的影響并不明顯；這是由于粉煤灰發(fā)生了二次水化反應(yīng)以及未發(fā)生反應(yīng)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擴(kuò)散；在粉煤灰的摻量超過30%時混凝土的碳化深度顯著增加。3 結(jié)論 1）在混凝土中摻入粉煤灰會降低其抗碳化性能，在摻量低于30%時這種影響不明顯；當(dāng)粉煤灰摻量大于30%混凝土的抗碳化性能會顯著降低。 2）牛荻濤提出的碳化模型，計算值與實測值誤差較小，具有充分的理論依據(jù)和較高的預(yù)測精度。參考文獻(xiàn) (References)1 趙順增, 劉立.混凝土中活性摻合料的最大限量探討J. 混凝土，2009,235:1002-35502 陳偉. 粉煤灰混凝土抗碳化性能及顯微硬度分析J. 武漢理工大學(xué)學(xué)報，2009,31(11),1671-44313 杜晉軍， 金祖權(quán). 粉煤灰混凝土的碳化研究J. 粉煤灰,2005.6:94 方璟，梅國興. 影響混凝土碳化主要因素及鋼銹銹蝕試驗研究J.混凝土，1993(2):23