粉煤灰摻量對混凝土氣體擴散系數的影響
發布時間：2010-01-14 共1頁
摘要：混凝土中的氣體擴散系數是研究混凝土碳化的重要參數。現有的氣體擴散系數模型多為經驗模型，沒有明確的理論依據，本文在原有的實驗基礎上，根據由Fick第一定律以及認在多孔介質中擴散和吸收的特點推導得到了經典混凝土碳化理論模型與現有碳化數據反推標準環境下二氧化碳在混凝土內的有效擴散系數,提出了以粉煤灰摻量為主要參數,并考慮環境濕度、混凝土的養護齡期綜合影響的氣體有效擴散系數計算模型,利用已有的試驗結果確定了模型參數, 推導出低水膠比粉煤灰混凝土碳化新方程。闡述了當粉煤灰摻量為15%時，低水膠比混凝土抗擴散能力最好；粉煤灰摻量為0到25%時，抗擴散能力優于未摻粉煤灰的混凝土。
關鍵詞：混凝土；粉煤灰摻量；有效擴散系數
一般氣環境下,影響混凝土結構耐久性的主要因素是混凝土碳化引起的鋼筋銹蝕。混凝土碳化速度與鋼筋銹蝕速率主要取決于氣體在混凝土中的傳輸速率。根據傳遞理論,物質由于濃度梯度作用引起的質量傳遞現象稱為擴散。 氣中的二氧化碳侵入混凝土即是一種擴散現象,其傳輸速率常用擴散系數衡量,因此確定氣體在混凝土中的擴散系數對于預測碳化深度與鋼筋銹蝕速率極其重要。
隨著混凝土向高性能方向發展，粉煤灰等礦物摻和料作為混凝土的重要組成部分，廣泛的使用于工程結構中。因而摻粉煤灰混凝土的碳化問題一直是學術界研究的重點之一。如參考文獻[1-3]中提到的:Cengiz ,王培銘、秦鴻根等分別研究了摻粉煤灰，雙摻粉煤灰和礦渣混凝土以及摻粉煤灰高性能混凝土的碳化。但上述這些研究多集中在粉煤灰少數幾個摻量上，特別忽視了低摻量粉煤灰混凝土，而不能形成一個粉煤灰摻量變化的完整系列;或者僅研究摻量粉煤灰、較水膠比情況下的碳化模型。因而，針對工程中量使用的摻粉煤灰、低水膠比混凝土，通過實驗資料研究粉煤灰對其碳化的影響具有十分重要的意義。
但上述這些研究多集中在粉煤灰少數兒個摻量上，特別忽視了低摻量粉煤灰混凝土，而不能形成一個粉煤灰摻量變化的完整系列，從而忽視了粉煤灰對混凝土抗碳化的正效應。因而，本文定量描述了粉煤灰摻量對混凝土碳化擴散系數的影響;建立多因素碳化壽命預測新方程。
1. 二氧化碳在混凝土中有效擴散系數的計算模型
1.1 De與粉煤灰摻量的關系
鑒于目前尚無理想的測試氣體擴散系數的方法,本文將根據碳化理論模型與現有碳化數據反推標準環境下(20℃、相對濕度為70 %) 二氧化碳在混凝土內的有效擴散系數De ,由此建立De與粉煤灰取代率之間的關系。
根據Fick第一擴散定律,混凝土碳化的理論模型為:
式中: x 為碳化深度(mm)；C0為混凝土表面二氧化碳濃度(mol/m3 )；t 為碳化時間(s)；mo為單位體積混凝土吸收二氧化碳的能力(mol/m3)，按下式取值[4] :
mo=γHD*γc*8.03 （2）
式中: γHD 為水化程度修正系數，90天養護為1.0，28天養護為0.85；C 為單方混凝土水泥用量(kg/m3)；γc為水泥品種修正系，硅酸鹽水泥為1.0，其它水泥 γc =1—摻合料含量,一般情況下取γc= 0.85。
文獻試驗研究了粉煤灰摻量對混凝土碳化深度的影響,本文對其試驗據進行y=方程曲線擬合,同時按照方程（1）求出碳化過程中CO2 的表觀擴散系數De。
對于低水膠比混凝土而言，CO2的表觀擴散系數Dco2與粉煤灰摻量有著很好的相關性。
當粉煤灰摻量為0< FA < 0.15< 時，表觀擴散系數Dco2隨著粉煤灰摻量的增加而降低，粉煤灰起到了積極作用，這主要得益于粉煤灰的微集料效應，粉煤灰由于密實填充作用及二次水化反應，可以提高混凝土密實程度，粉煤灰等量替代水泥后，與相同水灰比的空白混凝土相比，混凝土孔隙率明顯下降，特別是孔孔隙率的降低幅度尤為顯著，因而低摻量粉煤灰能夠降低低水膠比混凝土中CO2的擴散系數。
當粉煤灰摻量為AF>0.15時，CO2的表觀擴散系數Dco2隨著粉煤灰摻量的增加而增加。這主要是由于隨粉煤灰摻量增加，粉煤灰的填充效應到一定量時將達到極限。隨著粉煤灰摻量繼續增加，混凝土漿體總孔隙率隨摻量增加而增加，其次可能是由于粉煤灰摻量增加，早齡期時混凝土中總的水化產物相對減少。混凝土總孔隙率降低主要由于粉煤灰的密實填充作用，但不能有效堵塞90％相對濕度下的失水通道。因而，隨著粉煤灰參量的增加，最終導致低水膠比混凝土中CO2的擴散系數增加。
當粉煤灰摻量為FA＝15%，低水膠比混凝土抗擴散能力最好；粉煤灰摻量0<FA<0.25時，抗擴散能力優于未摻粉煤灰的混凝土。
3. 結 論
1) 低水膠比粉煤灰混凝土的碳化經時方程適合用Fick第一定律描述, 混凝土碳化深度與碳化時間的平方根成正比；混凝土的CO2擴散系數與粉煤灰摻量成二次函數關系, 當粉煤灰摻量為0< FA <0.15時，表觀擴散系數Dco2隨著粉煤灰摻量的增加而降低，當粉煤灰摻量為AF>0.15時，CO2的表觀擴散系數Dco2隨著粉煤灰摻量的增加而增加。
2）當粉煤灰摻量為15% A F = ， 低水膠比混凝土抗擴散能力最好;粉煤灰摻量
0<FA<0.25時，抗擴散能力優于未摻粉煤灰的混凝土。
3）提出了以粉煤灰摻量為主要參數,并考慮環境濕度、混凝土養護齡期等綜合影響的氣體有效擴散系數計算模型。
