粉煤灰混凝土碳化理论模型参数研究.pdf

2 0 1 1年 第 4 期 (总 第 2 5 8 期) N u mb e r 4i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 5 8 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HE0RET I CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 4 0 1 3 粉煤灰混凝土碳化理论模型参数研究 牛建刚 ，张缜 ，翟海涛 ( 内蒙古科技大学 建筑与土木T程学院 ，内蒙古 包头 0 1 4 0 1 0 ) 摘要： 在水泥水化、 粉煤灰二次水化机理以及传统的混凝土碳化理论模型的基础上， 对混凝土碳化理论模型中的重要参数完全碳 化时单位体积混凝 土吸收二氧化碳 的量 进行 了分析 ， 提 出了粉煤灰混凝土碳化深度计算所用模型参数 的计算公式 ，该公式对进一 步研究粉煤灰混凝土中钢筋 的锈蚀具有重要意义。 关键词 ： 粉煤灰混凝土 ；碳化模型 ；模型参数 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 4 8 0 3 Re s e ar ch o n model pa r am e t e r o f f l y a s h c on cr e t e c ar bo na t i on NI U J i a n- g a n g， ZHANG Z he n， ZHAI Ha i ta o ( S c h o o l o f A r c h i t e c t u r e a n dC i v i l E n g i n e e r i n g ， I n n e r Mo n g o l i a Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ， B a o t o u 0 1 4 0 1 0 ， C h i n a ) Ab s t r ac t ： Ba s e d o n t h e h y d r a t i o n o f c e me n t ， t h e s e c o n d h y d r a t i o n o f fly a s h c o n c r e t e a n d t r a d i t i o n a l t h e o r e t i c a l mo d e l o fc o n c r e t e c a r b o n a t i o n ， t h e mo i e t h e qu a n t i ty o f c a r b o n d i o x i d e a b s o r b e d b y u n i t v o l u me o f c o n c r e t e i s a n a ly z e d Th e c a l c u l a t i o n f o r mu l a o f m0 t ha t c a n b e u s e d t o c a l c u l a t e t h e c a r - b o n a t i 0 nd e p t h s o f nya s hc o n c r e t ei s e s t a b l i s h e d， a n dt h i sf o rm ul a i s s i g ni fic a nt f o r f ur t h e r r e s e a r c ho f r e i n f o r c e me n t c o r r o s i o ni nflya s hc o n c r e t e Ke y wor d s： f l y a s h c o n c r e t e ； c a r bo n a t i o n mo d e l ； mo d e l p a r a me t e r 0 引 言 做为一种工业废弃物， 粉煤灰应用到混凝土工程中， 不仅节约 了熟料水泥， 减少了环境污染 ， 还产生了巨大的经济效益 ， 促进了 社会的可持续发展 。 一般大气环境下 ， 混凝土碳化引起的钢筋锈蚀 是造成混凝土结构耐久性损伤的主要 因素之一 。 为预测钢筋开始 锈蚀的时间， 各国学者提出了很多碳化深度预测模型， 这些模型主 要适用于普通混凝土 ， 而对新型的粉煤灰混凝土则不完全适用。 本 文在研究水泥水化、 粉煤灰二次水化机理以及传统的? 昆 凝土碳化理 论模型的基础上， 对混凝土碳化理论模型中的重要参数m。 进行了分 析， 提出了粉煤灰混凝土碳化深度计算所用模型参数 m 。 的计算公 式 ， 此结果为进一步研究粉煤灰混凝土中钢筋的锈蚀具有重要意义。 目前公认 的碳化理论模型是前苏联学者阿列克谢耶夫等 基于 F i c k 第一扩散定律及二氧化碳在多孔介质中扩散吸收的 特点， 给出的数学模型： = 、 式 中 ： 【 C O： 】 。 混凝土表面处二氧化碳的摩尔浓度 ， mo l m ； D 二氧化碳在混凝土中的有效扩散系数 ， m2 s ； 碳化深度 ， m； m 。 完全碳化时单位体积混凝土吸收C O ： 的量， mo l m ； t 碳化时间 ， S 。 1 模 型参数 m 的确 定 从式 ( 1 ) 可以看 出， 混凝土 的碳 化程度很大程 度是取决 于 混凝土中可碳化物质的含量， 即与单位体积混凝土吸收 C O 的 量 m 。 的计算有关。 混凝 土碳化的主要化学反应式如下 ： Ca ( OH) 2 + CO2 - * Ca CO3 + H2 0 ( 2 ) 3 Ca O 2 S i O2 3 H2 O+ 3 CO2 - - , 3 Ca CO3 2 S i 02 3 H2 O ( 3 ) 3 Ca O S i O2 十 3 C O2 + H2 O- - * S i O2 y H2 0+ 3 C A CO3 ( 4 ) 2 Ca O S i O2 + 2 C O2 + y H2 0_ S i O2 y H2 O+ 2 C a CO3 ( 5) 从混凝土碳化 的化学方程式不难看 出， 单位体积混凝土吸 收 二 氧化 碳 的量 m。 与 单位 体 积 混 凝 土胶 凝 材 料 中产 生 的 C a C O 的摩尔含量相等 ， 即 ： m0 = C a C O3 】 ( 6 ) 根据式 ( 2 ) ( 5 ) 可 以得到 ： m 0 = C a ( OH) 2 + 3 C s H + 3 c 3 s 】 + 2 c 2 S ( 7 ) 若 的 C 4 A F与 C g H 反应， 6 的C A 与 C S H 反应， 由混 凝土水化过程可知 ： 2 a C AF 十 6 c A = 【 C s H 2 J ( 8 ) 根据 混凝 土水化过 程反应过程可 以得到在完全水 化的情 况下 ， 各 可碳化物质的摩尔浓度如下 ： a ( 0 H ) = s C ： s _ 2 。 C 4 ( 1 _ 0 ) C 一 ( 1 _ 6 ) C ，A 卜 c 3 s + 一 C S - 4 C 4 AF 一 C 3 A + ( 2 a C 4 A F + b C A ) = 1 1 _三 c 3s q 【c S - 4 C 4 A F 一 c + c s H 2 ( 9 ) 二 1 1 c s H = 【c ，s c 2s ( 1 0 ) 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 1 1 8 基金项 目：国家杰出青年科学 基金项 目( 5 0 7 2 5 8 2 4) ； 国家青年科学基金项 目( 5 0 9 0 8 1 1 2 ) ； 内蒙古 自然科 学基金 ( 2 0 1 0 BS 0 7 1 0 ) 48 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m C 3 s - 0 ( 1 1 ) C S = 0 ( 1 2 ) 将式 ( 9 ) ( 1 2 ) 代人式( 7 ) 得 H j ： r ， - 3 c 3 S + 2 C 2 S 卜4 C 4 A F 一 C 3 A + C S H J ( 1 3 ) 2 粉煤灰混凝土碳化模型参数 m 。 的计算 目前， T程 中常用 的粉煤厌混凝士是用粉煤 灰取代部分硅 酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥来配置混凝土的。 因此 ， 下文根据 不同情况来研究 m。 的计算 。 2 I 采 用硅 酸盐 水泥 配制混 凝 土 硅酸盐水 泥亦 即国外通 称的波特兰水泥 ， 它 是由硅酸盐水 泥熟料 、 0 - 5 石灰石 或粒化高炉矿渣 、 适量石膏共 同磨细而制 成的水硬性胶凝材料。 文献 4 给 了两方 围家硅酸盐水泥 的典 型矿物组 成， 见表 1 。 表 1 硅酸盐水泥典型的矿物组成 义献 5 给 出了我 同常川硅酸盐水 泥熟料的矿物组成如下 ： 硅峻j钙( C S ) ： 5 0 6 0 。 硅酸二钙( C S ) ： 2 0 左右 。 铁铝酸 四钙( C 4 A F) 和铝酸= ! 钙( C A) ： 2 2 左右。 其他 ： 3 左右。 波特兰水、?尼的矿物组成可以r f l 直接分析法测定， 但使用的 方法复杂 ， 需专 门的技术以及昂贵的设备 。 波特兰水泥的常规化 学分析采用标准方法 ， 其存在的每种元素以其氧化物列出， 这 样 的化学分析结果 向水泥厂索取 即可获得 ， 典型的氧化物分析 结果 ， 见表 2 。 表 2 硅酸盐水泥典型的氧化物组成 AS T M 1 5 O提供 了南氧化物的质量百分数 分析计算 波特 兰 水泥矿物组成的鲍格 ( R H B o g u e ) 公式 ， 具体如下 ： 当 A F 0 6 4 时 ： C3 S=407 1 C一7 60 0S 一6 7 1 8 A1 43 0F 2 85 2S C2 S =2 8 67 S一0 7 5 4 4C S C A-2 65 0A一1 6 9 2F C4 AF 3 0 4 3 F ( 1 4) 当 A F 0 6 4时 ： C3 S= 4 071 C一7 60 0S- 6 71 8 A一1 43 0F一2 85 2S C2 S = 2 8 6 7 S - 0 7 5 4 4 C3 S C3 A=0 C4 AF C 2 F = 2 1 0 0 A+I 7 0 2 F ( 1 5 ) 将 文献 4 _ 氧化物的质量百分数代入鲍格公式( A 0 6 4 ) 得 ： C 3 S = 3 9 6 9 ( 1 6 ) C2 S - 3 3 1 3 ( 1 7) C 3 A= I 1 6 7 ( 1 8 ) Ca AF =7 6l ( 1 9) 再将上 面计算得 到的硅酸盐 水泥典型 的矿物组 成成分 代 入式( 1 3 ) 得 ： mf 一 一 一一 一+ 5 _ o - 1)3 x39 69 4 - 2 x 3 3 1 3 4 x 7 6 1 1 1 6 7 x l 0m o- b x l o 1 一 一。 一 一 1 7 ( 2 O ) 化简后即可得到单位体积硅酸盐水泥混凝土吸收二氧化 碳的量 m 的计 算式 ： m 8 2 2 b ( 2 1 ) 式中： 6 单位体积混凝土中水泥与矿物掺合料构成的胶凝 材料 总用量 ， k g m ， 对硅酸盐水泥配 置的混凝土 即 为水泥用量 。 2 2 采 用普通 硅 酸盐 水泥 配置 混凝 土 普通硅酸盐水泥简称普通水泥， 是由硅酸盐水泥熟料 、 6 1 5 混合材料 、 适量石膏共同磨 细而制成 的水硬性胶凝材料。 国 家标准 G B 1 7 5 1 9 9 9 硅酸盐水泥 、 普通硅酸盐水泥 规定 ： 掺活性混合材料的最大掺量不得超过水泥质量的 1 5 ； 掺非活 性混合材料 的最大掺量不得超过水 泥质量 的 1 0 。 普通硅酸盐水泥中水泥熟料的化学组成可按上面硅酸盐 水泥组成比例取值， 由此， 单位体积普通硅酸盐水泥混凝土吸 收二氧化碳的量 m 可按式 ( 2 2 ) 计算 ： mo = ( 1 - a ) x 8 2 2 b ( 2 2 ) 式 中： O 普通硅酸盐水泥中混合材料掺量， 范围为 6 1 5 。 由于不 同水泥生产单位掺加 的混合材不一样 ， 所 以统 一不 考虑混合材中是否含有可碳化物质。 若 d 统一取混合材料的最 大掺量 1 5 ， 这样得 到普通硅 酸盐水 泥作胶凝材 料时单位体积 混凝 土吸收二 氧化碳 的量 m 。 为 ： m 6 9 9 b ( 2 3 ) 2 3粉煤 灰部 分取 代水 泥 配制混 凝 土 目前 ， 工程中常用粉煤灰取代部分水泥来配置粉煤灰混凝土。 粉煤灰取代部分水 泥后 ， 首先是水泥熟料水化 ， 生成 C a ( O H) ， p H值到达一定值后 ， C a ( OH) 将与粉煤灰玻璃体 中的活性 S i O 、 A1 0 ， 反应生成 水化硅酸钙及水化 铝酸钙 。普通 波特兰水泥混 凝土的水 泥熟 料的主要矿物成分 C S 、 C S 、 C n A F 、 C A ， 水化 2 8 d 的水化率分别为 9 0 、 6 5 、 6 6 、 9 6 t 。 粉煤灰的球形玻璃体 经高温熔融形成， 较稳定， 表面又相当致密、 不易水化。 试验表 明 ， 存水泥水化 7 d后 ， 粉煤 灰颗粒 表面几 乎没有 变化 ， 直到 2 8 d后 ， 才能看 到粉煤灰颗粒 表面开始 初步水化 ， 略有凝胶状 的水化物出现； 在水泥水化 9 0 d后， 粉煤灰颗粒表面才开始生 成大量的水化硅酸钙凝胶体， 它们相互交叉连接 ， 形成很好的 黏结强度 。 粉煤灰中的氧化钙可与水化合 ， 生成氢氧化钙嗍， 增加可碳 化物质。 C a O + H2 OC a ( O H) 2 ( 2 4 ) 49 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉煤灰中活性物质 的水化反应式如下【 ： 2 S i O 2 + 3 C a ( O H) 2 3 C a 0 2 S i O 2 3 H2 O ( 2 5 ) 当有石膏存在时， Al O 按如下反应进行水化： A l 2 O 3 + C a S O 4 - 2 H2 O + 3 C a ( O H) 2 + 7 H 2 0_ 3 Ca O A1 2 o3 Ca S O4 1 2 H2 0( 2 6) 当石膏消耗完之后， 按下式发生水化： A1 2 O3 + 4 Ca ( OH) 2 + 9 H2 O- 4 Ca O。 A1 2 O3 1 3 H2 O ( 2 7) 根据式( 2 5 ) 可见 ， S i O ： 水 化将可碳化物质 C a ( O H) ： 转化成 了另一种可碳化物质 C S H， 并不影响 m。 值 。 Al ： 0， 在发生二次水 化反应时， 认为石膏基本都被水泥矿物成分水化消耗， 可不考 虑石膏存在的水化， A1 0 仅按式( 2 7 ) 发生水化反应， 这样Al ： 0， 将消耗 4 倍的可碳化物质 C a ( O H 2 o 有研究表明 o I ， 一般情况 下， 粉煤灰的火山灰效应发挥较慢， 养护 9 0 d龄期时， 已水化反 应的粉煤灰仍然只有 2 0 左右， 之后当粉煤灰混凝土结构构件 在投入使用期间， 火山灰效应仍会继续。 因此引入 表示粉煤 灰混合材中活性物质参与火山灰反应的程度， 在混凝土养护结 束未碳化之前取为 0 2 ， 在计算物质储备的时候 可以取为 0 5 。 当粉煤灰取代硅酸盐水泥时单位体积混凝土吸收二氧化 碳的量 m 。 为 ： 1 枷2 2 6 + C a O 一 43 ) 6 x l0 ( 2 8 ) 式中： 粉煤灰取代量 ， ； 3 粉煤灰活性物质参与火山灰反应的程度， 此处取为0 5 。 文献 1 3 1 通过对全 国 1 0 0多家火力发电厂的 3 6 5 个粉煤灰 样品进行化学分析， 得到了我国粉煤灰主要化学成分的含量， 见表 3 。 表 3 我 国火 电厂粉煤灰主要化学成分 S i O2 AI 2 03 Ti O2 T Fe O Ca O M g O Kz O Na 2 0 M n O P2 O3 SO3 L os s 4 92 2 2 7 8 0 1 2 9 6 6 3 3 2 2 0 8 4 1 21 0 45 0 0 6 02 8 0 71 7 9 9 将 C a O和 A 1 O 的百分含量代人式( 2 8 ) 化简可得： m ( 8 2 2 1 3 1 0 a) b ( 2 9 ) 同理， 粉煤灰取代普通硅酸盐水泥时混凝土吸收二氧化碳 的量为 ： no = ( 6 9 9 一 l 1 8 7 a ) b ( 3 0 ) 由于 m。 不会小于 0 ， 所以式( 8 ) ( 3 1 ) 的使用范围为 a 0 6 2 7 ， 式( 8 ) ( 3 2 ) 的使用范围为 a 0 5 8 9 。 3结 论 本文在水泥水化和粉煤灰混凝土碳化机理的基础上 ， 建立 了粉煤灰混凝土碳化深度预测模型中模型参数完全碳化 上接第 4 7页 Ma t e r i als a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 9 ( 3 2 ) ： 2 5 2 2 5 9 f 3 MAN G A T P S， MO L L O Y B T P r e d i c t i o n o f f r e e c h l o ri d e c o n c e n t r a t i o n i n c o n c r e t e u s i n g r o u t i n e i n s p e c t i o n d a t a J Ma g a z i n e o f C o n c r e t e Re s e a r c h ， 1 9 9 4 ， 4 6 ( 1 6 9 ) ： 2 7 9 2 8 7 4 】何世钦 氯离子环境下钢筋混凝土构件耐久性试验研究 D 1 大连： 大 连理工大学， 2 0 0 4 【 5 MA N G A T P S ， MO L L O Y B T P r e d i c t i o n o f l o n g t e r m c h l o ri d e c o n c e n t r a t i o n i n c 0 n c r e t e J Ma t e ri a l s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 4 ( 2 7 ) ： 3 3 8 3 4 6 6 】董必钦 ， 徐 建芝 混凝 土渗透性试 验方法进 展研究 混凝土 ， 2 0 0 8 ( 1 ) ： 4 0 4 4 7 】王建泽 既有混凝土的氯离子侵蚀及模拟试验研究 D _】 杭州： 浙江工 5 0 时单位体积混凝土吸收二氧化碳的量 m 。 的计算公式 ， 该计算公 式符合粉煤灰混凝 土的碳化机理 ， 能充分反 映粉煤灰混凝土 的 抗碳化能力， 并可直接用于实际工程。 参考文献 ： 1 阿列克谢耶夫 冈 筋混凝土结构中钢筋腐蚀与保护 M 黄可信 ， 吴兴 祖 ， 等译 E 京 ： 中国建筑工业出版社 ， 1 9 8 3 2 P AP A D AK I S V G， V A Y E N AS C G， F A R AI S M N F u n d a me n t a l Mo d e l i n g a n d E x p e r i me n t a l I n v e s t i g a t i o n o f C o n c r e t e C a r b o n a t i o n【J J A C I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 1 9 9 1 ， 8 8 ( 4 ) ： 3 6 3 3 7 3 3 蒋利学 混凝土碳化深度的计算模型及试验研究 D 上海 ： 同济大 学 ， 1 9 9 6 4 悉尼明德斯 ， 等 混凝土 MI 方秋 清 ， 等译 北京 ： 中国建 筑工业出版 社 ， 1 9 8 9 ： 2 3 2 4 5 中国建筑科学研究院混凝土研究所 混凝土实用手册 M E 京 ： 中国 建筑工业出版 社 ， 1 9 8 7 ： 1 3 1 4 【 6 郭成举j 昆凝土的物理和化学【 M E 京 ： 中国铁道出版社 ， 2 0 0 4 【 7 G B l 7 5 1 9 9 9 圭 酸盐水泥、 普通硅酸 水泥 s 国家质量监督局， l 9 9 9 8 】万治华 ， 李斌怀 粉 煤灰及其对水泥和混凝 土性 能的影响 J 1 湖北教 育学院学报 ， 2 0 0 3， 2 0 ( 5 ) ： 3 9 4 1 9 V AG E I I S G P a p a d a k i s E f f e c t o f fl y a s h O ff P o r t l a n d c e me n t s y s t e ms P a rt I ： L o w - c a l c i u m f l y a s h J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 9 ( 2 9 ) ： 1 7 2 7 -l 73 6 1 0 L A M L ， WO N G Y L， P O ON C S D e g r e e o f h y d r a t i o n a n d g e l s p a c e r a t i 0 o f h i g h v o u me fl y a s h c e me n t s y s t e ms J C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 0 ， 3 0 ( 5 ) ： 7 4 7 7 5 6 1 I Z H AN G M H Mi c r o s t r u c t u r e ， c r a c k p r o p a g a t i o n ， a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c e me n t p a s t e s c o n t a i n i n g h i g h v o l u m e s o f f l y a s h e s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 6 ) ： 1 1 6 5 1 1 7 8 1 2 郑 克 ， 孙伟 ， 贾艳 涛 ， 等 水泥矿渣 粉煤灰体系中矿渣 和粉煤灰反 应程度测定方法 J l _ 东南大学学报， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 3 ) ： 3 6 1 3 6 5 f 1 3 袁春林 ， 张金明 ， 段玖祥 ， 等 我国火电厂粉煤灰 的化 学成分特征 J 1 电力环境保护 ， 1 9 9 8 ， 1 4 ( 1 ) ： 9 - 1 4 作者简介 联系地址 联系电话 牛建g ( 1 9 7 6 一 ) ， 男 ， 博 士 ， 副教授 ， 主要从事混凝土耐久性 和结构可靠性研究。 内蒙古包头市阿尔丁大街 7 号 内蒙古科技大学建筑与土 木 工程学院 ( 0 1 4 0 1 0 ) 1 3 6 6 4 7 3 8 0 06 业大学 ， 2 0 0 8 8 1 D I d T 5 l 5 O 一2 O 0 1 ， 水工混凝土试验规程I S 2 0 0 2 9 1李翠玲 ， 路新 瀛 ， 张海霞 确定氯离子在水泥基材料中扩散系数的快 速试验方法【 J 1_ 工业建筑， 1 9 9 8 ， 2 8 ( 6 ) ： 4 1 4 3 1 0 P I G E O N M， G A RN I E R F ， P L E A U R， e t a1 I n fl u e n c e o f d r y i n g o n t h e c h l o r i d e i o n p e r me a b i l i t y o f HP C J C o n c r e t e I n t ， 1 9 9 3 ， 1 5 ( 2 ) ： 6 5 6 9 作者简介 联 系地址 联 系电话 周胜兵 ( 1 9 8 4 一 ) ， 男 ， 硕士研究生。 浙江省杭州市潮王路 1 8号 浙江工业大学研 4 8 1 信箱 ( 3 1 0 0 1 4 ) 1 3 4 5 6 7 81 2 7 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m