粉煤灰掺量对混凝土氯离子扩散系数和碳化速率的影响.pdf

全 国中文核心期-? l j 新 建 魄 中 国 科 技 核 心 期 刊 粕煤灰撞量对混凝土氯离子扩散系数和 碳化速率昀影响 吴国坚 ， 金骏 ， 王传坤 ， 岳增国 ， 许晨 ( 1 国家建筑五金材料产品质量监督检验中心， 浙江 杭州3 1 0 0 1 9 2 浙江大学 结构工程研究所， 浙江 杭州3 1 0 0 5 8 ； 3 青岛绿城建筑设计有限公司， 山东 青 岛2 6 6 0 7 1 ) 摘要 ： 通过氯盐浸泡和快速碳化试验， 研究了粉煤灰掺量对混凝土氯离子扩散系数和碳化速率系数的影响规律。 结合试验数据 并通过现有模型对 比分析 ， 给 出较为合理的粉煤灰影响系数表达式和建议取值 。以普通混凝土的氯离子扩散系数为基准 ， 粉煤灰掺 量的影响系数 k r = D D F o = 4 0 3 ( m d m z _ 2 4 8 ( m F m + 1 0 2 ； 以普通混凝土的碳化速率系数为基准， 粉煤灰掺量的影响系数 = 1 0 7 e x p( 2 1 6 md mF + c ) 。 关键词： 混凝土； 耐久性； 氯离子； 扩散系数； 表面氯离子浓度； 碳化； 粉煤灰 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 1 ) 0 8 0 0 0 8 0 4 I n flue nc e of fly as h c ont en t o n ch l o r i de di ffus i o n c o e f fic i e n t a nd c ar bo na tio n r at e of c o nc r e t e WU G u o j i a n ， J I N J u n ， WA N G C h u a n k u n ， Y U E Z e r tg g u o 2 , X U C h e rt ( 1 C h i n a N a t i o n a l P r o d u c t Q u a l i t y S u p e r v i s i o n I n s p e c t i o n C e n t e r o f B u i l d e r S F i n i s h H a r d w a r e Ma t e ri a l ， H a n g z h o u 3 1 0 0 1 9 ， Z h i a n g ， C h i n a ： 2 I n s t i t u t e o f S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g ， Z h i a n g U n i v e r s i t y ， Ha n g z h o u 3 1 0 0 5 8 ， Z h e j i a n g ， C h i n a ： 3 Q i n d a o G r e e n t o w n A r c h i t e c t u r e D e s i g n ， Q i n d a o 2 6 6 0 7 1 ， S h a n d o n g ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： B a s e d o n t h e c h l o ri d e i m me rsi o n t e s t a n d r a p i d c a r b o n a t i o n t e s t ， t h e l a w s o f c h l o ri d e d i f f u s i o n c o e f f i c i e n t a n d c a r b o n a t i o n r a t e i n flu e n c e d b y fly a s h c o n t e n t we r e s t u d i e d By c o mb i n i n g t h e e x p e ri me n t a l d a t a a n d c o mp a r a t i v e a n aly s i s o f e x i s t i n g mo d e l s ， mo r e r e a s o n a b l e e x pr e s s i o n s o f fly a s h i n fl ue n c e c o e ffic i e n t a s we l l a s t h e c o r r e s p o n d i n g s u g g e s t e d v alu e s we r e p r o p o s e d Ba s e d o n t h e c h l o rid e d i f f u s i o n c o e ffi c i e n t o f o r d i n a r y c o n c r e t e， t h e i nfl u e n c e c o e ffi c i e n t of fl y a s h c o n t e n t i s k r = D D= 4 O 3 ( mF， mn c ) 一 2 4 8 ( md mF + 1 0 2 B a s e d o n t h e c arb o n a t i o n r a t e o f o r d i n a ry c o n c r e t e ， t h e i n fl u e n c e c o e ffic i e n t o f fl y ash c o n t e n t i s =1 0 7 e x p ( 2 1 6 mr mr + c ) Ke y wo r d s ： c o n c r e t e ； d u r a b i l i t y ： c h l o r i d e ： d i f f u s i o n c o e ffic i e n t ： s u r f a c e c h l o ri d e c o n c e n t r a t i o n ： c a r b o n a t i o n ； fl y a s h 我国沿海地区有大规模的基本建设， 海水、 海风、 海雾中 的氯离子以及不合理地使用海砂造成钢筋混凝土结构的破 坏， 导致耐久性下降， 给社会带来巨大的损失Ll _ 。粉煤灰作为 掺合料加入到混凝土中，能够改善混凝土的施工性能、使用 性能 和耐久性能， 提高 混凝土的 密实度， 使氯离子等有害物质 的 渗透性大大降低， 从 而延长混凝土结构的使用寿命， 提高耐 久性【2 _ 1 。本文通过氯盐浸泡试验和快速碳化试验， 基于试验 检测和数据分析，研究了粉煤灰掺量对氯离子扩散系数和混 凝土碳化速率的影响规律，并给出了相应较为合理的影响系 数表达式和建议取值。 基金项目： 国家自 然科学基金重点项 目( 5 0 5 3 8 0 7 0 ) 收稿 日期： 2 0 1 1 - 0 2 2 4 作者简介： 吴国坚， 男， 1 9 7 3年生， 浙江杭州人 ， 工程师 。地 址： 杭州 市 九环路 5 0号， E m a i l ： Wu g j h z z j y n e t 。 8 新型建筑材料 2 0 1 1 8 1 试验设计 1 1 原 材料 及配 比 试验分2 组， 分别研究粉煤灰掺量对混凝土氯离子扩散 和碳化性能的影响。试验所用水泥为杭州钱潮水泥厂生产的 P 0 4 2 5 水泥； 砂子为天然河砂， 属于中 砂； 石子为产自 獐山 的5 1 6 m m连续级配的 碎石； 粉煤灰为 级灰； 水为自 来水。 各组混凝土试件配合比见表 1 。 表 1 混凝土试验配合 比 k g m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 吴国坚， 等： 粉煤灰掺量对混凝土氯离子扩散系数和碳化速率的影响 1 2 试验步骤 1 2 1 氯离子扩散试验步骤 ( 1 ) 浇筑混凝土试件， 试件尺寸为 1 0 0 m m x l 0 0 m m x l 0 0 m m ， 每组3 个， 标准养护2 8 d 。 ( 2 ) 为实现一维方向的氯离子扩散， 试件的i 个侧面作为 暴露面， 将其余各面用密封材料进行密封。 ( 3 ) 将试件浸泡于饱和C a ( O H ) 溶液中， 每隔2 4 h 称量 其表干状态的质量，直至2 次质量之间的变化不超过质量的 0 1 ， 从而保证试件达到饱水状态。 ( 4 ) 试件在室温下干燥至稳定的饱和面干状态， 将其浸泡 于浓度为 1 5 的N a C 1 溶液中， 并控制试验温度为3 0 。 浸泡 6 0 d ， 溶液每周更新 1 次。 ( 5 ) 浸泡结束后取出试 件进 行检测。 首先用砂纸将 试件 暴 露面表面的结晶 盐除 去， 然 后在 暴露 面磨粉取样。 研磨面与 暴 露面平行， 采用不等间距取样。取样深度依次为0 1 、 1 3 、 3 5 、 5 1 0 、 1 0 1 5 、 1 5 2 0 、 2 0 2 5 、 2 5 3 0 、 3 0 4 0和 4 0 5 0 m m。 ( 6 ) 将混凝土粉样置于( 1 0 5 5 ) 烘箱中烘 2 h ， 取出后 冷却至室温， 然后进行氯离子浓度测试， 绘制氯离子浓度随深 度的变化曲线。 ( 7 ) 采用F ie k 第二定律对氯离子浓度随 深度的分布曲 线 进行拟合， 便可以 得到氯离子扩散系数。 1 2 2 碳化试验步骤 采用加速碳化试验， 标准试验方法参照 G B J 8 3 8 5 普 通混凝土长期性能和耐久性能试验方法 ， 以( 2 0 5 ) 、 湿度 ( 7 0 5 ) 、 C O 2 体积百分数( 2 0 3 ) 作为碳化的标准环境。 ( 1 ) 碳化试验采用 1 0 0 m m x l 0 0 m m x 3 0 0 m m棱柱体试件， 每组3 个。 试件采用标准养护， 在2 6 d 从标准养护室取出， 然 后在( 6 0 2 ) t 2 温度下烘4 8 h 。 ( 2 ) 经烘干处理后的试件， 除留下 1 个侧面外， 其余表面 用熔化的石蜡密封。 在侧面顺长度方向用铅笔以1 0 m m间距 画出平行线， 以预定碳化深度的测量点。 ( 3 ) 将经过处理的试件放入碳化箱内， 各试件经受碳化的 表面间 距应大于5 0 m m 。 每隔一段时间 测定 箱内C O 浓度， 控 制C 0 浓度、 温度和相对湿度。 ( 4 ) 碳化至 3 、 7 、 1 4 、 2 8 d时， 取出各试件， 破型以测定其 碳化深度。 用混凝土切割机将棱柱体试件从一端开始破型， 每 次切除的厚度约为5 0 m m 。用石蜡将破型后试件的切断面封 好， 再放入箱内继续碳化， 直到下个试验期。 ( 5 ) 将切下的 试件刷去断 面上的 粉末， 随即喷 上1 酚酞乙 醇 溶液。经3 0 s 后， 按原先标划的 每1 0 m m 1 个测量点用钢 直尺分别测出两侧面各点的碳化深度。如果测点处碳化分界 线上刚好嵌有骨料颗粒，则可取该颗粒两侧处碳化深度的平 均值作为该点的深度 值。 碳化深度测量精确至1 m m 。 计算 各 试件测点碳化深度算术平均值， 作为该试件的碳化深度， 计算 精确至 0 1 m m 。 ( 6 ) 每种试件以3 个试件碳化2 8 d的碳化深度平均值作 为测试值， 用以对比各种混凝土的抗碳化能力。 以 各龄期计算 所得的碳化深度绘制碳化时间与碳化深度的关系曲 线，以表 示在该条件下的 混凝土碳化发展规律。 2 试验结果 2 1 氯 离子 扩散 试验 结果 ( 见图1 ) 避 H 褪 0 1 0 20 30 4 0 5 0 深度 m m 图 1 氯离子浓度随深度的变化 曲线 由 图1 可见， 混凝土氯离子浓度随 着侵蚀深度的 增加而 降 低， 较好地符合F ie k 第-2律 Il_。 掺入粉煤灰之后， 混凝土 表层处的氯离子浓度有所增加，而较深处的氯离子浓度却显 著降低。 2 2 碳化试验结果 ( 见图2 ) 图 2 碳化深度随时间的变化曲线 由图2 可见， 混凝土碳 化深度随 着碳化时间的 延长而增 大， 一开始碳化较快， 之后碳化速度逐渐减慢。 掺入粉煤灰后， 混凝土的碳化深度显著增加，并且随粉煤灰掺量的增加而增 大。 3 分析与讨论 3 1 氯盐侵蚀试验数据分析 许多学者研究表明， 混凝土试件浸泡 6 0 d 后表面氯离子 浓度已达到稳定状态。根据上述试验测定的各组混凝土氯离 N E W B UI L DI NG MAT E R I AL S 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 吴国坚， 等： 粉煤灰掺量对混凝土氯离子扩散系数和碳化速率的影响 子浓度随深度的分布曲线， 采用 O r i g i n软件， 利用 F i c k 第二 定律在边界条件恒定以及半无限介质的假定基础上的一维解 析解1 1 按式( 1 ) 求得各组混凝土的氯离子扩散系数D 、 表面氯 离子浓度 C s ， 结果见表2 。 C ( x ， ) = c 0 + e e I f ( ) 2 、 D t 式中： C ， ) 混凝土在时间f 、 深度 处的氯离子浓度， ； 一 混凝土初始时刻的氯离子浓度， ； 一 混凝土表面氯离子浓度， ； 氯离子在混凝土中的扩散系数， m 2 s ； 浸泡时间， S ； e 一误差函 = 2 ( 2 ) 出 。 表 2 氯离子扩散试验数据的拟合 结果 3 2 碳 化试验 数 据分 析 很多学者基于F i c k 第一扩散定律建立了混凝土碳化的 数学模型， 其中得到公认的一般形式为12 ： ( ) = O t 、 ( 2 ) 式中： ( ) 碳化深度， m m ； 旷一 碳化速率系数； r碳化时间， s 。 式( 2 ) 表明， 混凝土的碳化深度和碳化时间的平方根成正 比， 这一公式已被大量的室内试验和工程现场调查所证实， 并 为1 9 9 0 C E B F I P 模式规范所采用。 本文采用式( 2 ) ， 利用O r ig in 软件， 对测试的 各组混凝土 碳化深度与时间的关系曲线进行拟合分析，求得各组混凝土 的碳化速率系数， 结果见表 3 。 表 3 碳 化试验数据及拟合结果 l 0 新型建筑材料 2 0 1 1 8 3 _ 3 粉煤灰掺量对氯离子扩散系数的影响 由表2 可见， 在普通混凝土中掺入粉煤灰之后， 氯离子扩 散系数( D ) 均明显降低。这是因为粉煤灰的火山灰反应生成 C S H凝胶和钙矾石等二次水化产物3 1 ， 填充了混凝土内部尺 寸 较大的毛 细孔， 使毛 细孔孔隙率降 低， 孔径细化， 孔的 连通 性降低， 从而降低了氯离子的扩散与迁移速度。 不过随着粉煤 灰掺量的增加， D先降低再增大，在掺量为3 0 左右达到最 低。这是因为级粉煤灰活性较低， 掺量较大时二次水化不 完全 ， 胶凝材料水化程度降低， 密实度有所降低， 导致氯离子 扩散系数增大，对继续改善抗氯离子渗透能力反而造成负面 影响。 基于 不掺加粉煤灰的 标准 试件， 本文采用影响 系数k 来 表征粉煤灰掺量对扩散系数的影响。 实测粉煤灰掺量对k 的 影响见表4 ， 由 表4 数据拟合结果见图3 。 表4 不同粉煤灰掺量的氯离子扩散系数 U U 1 U Z U U 4 0 b mF mF + C 图 3 粉煤灰掺量对扩散系数的影响系数 图3中， 拟合的相关系数 为0 9 6 3 9 。 根据回归分析， 混 凝土氯离子扩散系数的影响系数与粉煤灰掺量之间具有显著 的一元二次关系： k r = D D r o = 4 0 3 ( m r m r 2 _ 2 4 8 ( m r m + 1 0 2 ( 3 ) 式中： m 厂单位体积混凝土中粉煤灰的质量； m r一 单位体积混凝土中总胶凝材料的质量。 文献 5 】 也研究了混凝土表观氯离子扩散系数与粉煤灰 掺量之间的定量关系， 将其关系式转换为k 形式： k r = D D r o = 3 8 1 ( m 加 2 _ 2 2 4 ( m F m + 0 9 9 ( 4 ) 由 式( 4 ) 可得， 当 粉煤灰掺量为2 9 3 2 时， 混 凝土的氯离 子扩散系数最小。 可见， 由 文献【5 】 试验结果得到的 表达式与 本文十分接近( 见图3 ) 。由图3 可知， 当粉煤灰掺量为 3 0 时， 抵抗氯离子侵蚀的作用最为明显。 根据式( 3 ) ， 不同粉煤灰掺量时， 扩散系数的影响系数k 2 0 8 6 4 2 O 1 1 O O O O 籁 譬 g 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 吴国坚， 等： 粉煤灰掺量对混凝土氯离子扩散系数和碳化速率的影响 建议取值如表 5 所示。 表 5 不 同粉煤灰掺量时k r 的建 议取值 粉煤灰掺量， 0 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 k F 1 0 0 0 8 1 07 4 0 6 8 0 6 5 06 4 0 6 5 0 6 7 072 0 7 9 3 4 粉煤灰掺量对碳化的影响 由表3 可见， 在普通混凝土中掺入粉煤灰之后， 2 8 d 碳化 深度明显增加，并且随着掺量的增加一开始增长较缓， 在 2 0 3 5 时增长最慢， 但之后增长加快。这是因为将粉煤灰 掺入混凝土中， 一方面会造成混凝土碱含量和吸收C O 的能 力大幅 度下降； 另一方面， 粉煤灰的火山灰反 应会 在一 定程度 上改 善混凝土的 孔结构， 提高混凝土的 密实度。 事实 上大掺量 粉煤灰混凝土的实际碳化过程就是在这2 种主要因素的综合 影响下形成的6 1 。 所以， 当粉煤灰掺量为2 0 3 5 时碳化深度 随掺量的增长趋势逐渐缓慢。 不过当掺量较大时， 级粉煤灰 活性较低， 二次水化不完全 ， 密实度显著降低， 造成碳化深度 快速增大。试验结果与文献【 7 】 研究结论一致。 关于粉煤灰掺量与 碳化速度之间的 关系， 不少学者提出 了 各自 的 研究结论。 N a g a t a k i 研究了 砂浆和混凝土中 掺加粉 煤灰和高炉矿渣粉的碳化现象，结果表明，当粉煤灰掺量为 1 0 、 2 0 、 3 0 的混凝土碳化速度与不掺加粉煤灰的混凝土 相比， 其碳化速度的比值分别为 1 0 6 、 1 1 3 、 1 1 9 ts l 。龚洛书和 柳春圃嘲 通过试验得出， 粉煤灰取代水泥量对混凝土碳化的影 响系数呈明显的线性关系。 本试验 得到的 碳化速率系数与粉煤灰掺 量近似呈 指数函 数关系， 拟合结果如图4 所示， 相关系数R 2 = 0 9 4 9 5 ， 可得到如 下表达式： a = 1 3 9 0 5 e x p ( 2 1 5 6 4 m C mF + c ) ( 5 ) 图4 粉煤灰掺量与碳化速率系数拟合曲线 基于不掺加粉煤灰的标准试件冈，本文采用影响系数 k 来表征粉煤灰掺量对碳化速率系数的影响。 k r = o d o t r o = 1 0 7 e x p ( 2 1 6 m r C m r ( 6 ) 不同粉煤灰掺量时， 碳化速率系数的影响系数k 建议取 值如表6 所示。 表 6 不同粉煤灰掺量时 的建议取值 粉煤灰掺量， 0 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 k 1 O 0 1 3 3 1 48 1 6 5 1 8 4 2 0 4 2 2 8 2 5 4 28 2 3 1 5 4 结论 ( 1 ) 以普 通混 凝土的 氯离子扩散系数为基准， 粉煤灰掺量 的 影响 系数k r = D D = 4 0 3 ( m 加n ( ) 2 _ 2 4 8 (m 加n ( ) + 1 0 2 。 ( 2 ) 以 普通混凝土的 碳化速率系数为基 准， 粉煤灰掺量的 影响系数k F c = 1 0 7 e x p ( 2 1 6 m d m r 。 ( 3 ) 在普通混凝土中掺入粉煤灰可显著降低氯离子扩散 系数。氯离子扩散系数与粉煤灰掺量符合一元二次多项式关 系， 粉煤灰掺量为3 0 的混凝土具有相对较低的氯离子扩散 系数。 ( 4 ) 在普通混 凝土中 掺入粉煤灰 将显著降 低混 凝土的 抗碳 化能力。 碳化速度随粉煤灰掺 量的 增加而加快， 掺量较大时 快 速增长。碳化速率系数与粉煤灰掺量之间成指数函数关系。 参考文献 ： 1 金伟 良， 赵羽 习 混凝土 结构耐久性 M】 北京： 科学出版 社， 2 0 0 2 2 】 牛荻涛 混凝土结构耐久性与寿命预测【 M 】 北京： 科学出版社， 2 0 0 3 3 】 叶建雄 ， 王冲 矿物掺合料对混凝 土氯 离子渗 透扩散性研究【 J J 重 庆建筑大学学报 ， 2 0 0 5 ， 2 7 ( 3 ) ： 9 1 9 3 4 马保国 ， 张平 均， 谭洪波 矿 物掺合 料对混凝 土氯离子 渗透扩散 性研究 J 石家庄铁道学院学报， 2 0 0 4 ， 1 7 ( 1 ) ： 7 - 9 5 曹文涛 ， 余 红发， 胡蝶 ， 等 粉煤灰和矿渣对表观 氯离子扩散系数 的影响 J 武汉理工大学学报， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 1 ) ： 4 8 5 1 6 刘斌 大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能 J 混凝土， 2 0 0 3 ( 3 ) ： 4 4- 4 7 【 7 陈立亭 混凝土碳 化模型及 其参数研 究 D 西安 ： 西安建筑 科技 大 学， 2 0 0 7 【 8 许丽萍， 黄士元预测 混凝土 中碳 化深度 的数学模型【 J 上海 建材 学 院学报 ， 1 9 9 1 ， 4 ( 4 ) ： 3 4 7 3 5 6 【 9 龚洛书， 柳春圃 混凝土的耐久性及其防护修补 M 北京： 中国建 筑工业 出版社 ， 1 9 9 0 A N E W BUI L Dl NG MATE Rl AL S 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m