复掺矿物掺合料混凝土碳化深度预测模型

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1、第４２卷第４期西安建筑科技大学学报（自然科学版）Ｖｏｌ．４２Ｎｏ．４２０１０年８月Ｊ．Ｘｉ′ａｎＵｎｉｖ．ｏｆＡｒｃｈ．＆Ｔｅｃｈ．（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ａｕｇ．２０１０复掺矿物掺合料混凝土碳化深度预测模型牛荻涛１，李春晖１，２，宋华１（１．西安建筑科技大学结构工程与抗震教育部重点实验室，陕西西安７１００５５；２．中国煤炭科工集团武汉设计研究院，湖北武汉４３００６４）摘要：在深入分析水泥水化、矿物掺合料二次水化以及混凝土碳化机理的基础上，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

2、氧化碳的量ｍ０进行了分析，提出了以水胶比、胶凝材料用量、粉煤灰、矿渣、硅灰掺量等为主要参数的计算公式，建立了复掺矿物掺合料混凝土碳化深度预测模型，经验证模型计算值与试验结果吻合较好．关键词：矿物掺合料；混凝土碳化；预测模型＊中图分类号：ＴＵ５２８文献标识码：Ａ文章编号：１００６－７９３０（２０１０）０４－０４６４－０５．近年来，粉煤灰、矿渣及硅灰在混凝土工程中得到了广泛应用，在混凝土中掺加粉煤灰、矿渣及硅灰，不仅能产生巨大的经济效益，而且还能节约能源，促进社会可持续发展．一般大气环境下，混凝土碳化是导致钢筋锈蚀的主要因素，建立合

3、理准确的混凝土碳化深度预测模型是研究钢筋锈蚀、预测混凝土［１］［２－６］结构使用寿命的关键．国内外学者提出了多种混凝土碳化深度预测模型，这些模型主要适用于普通混凝土，但对掺合料混凝土耐久性尤其是复掺掺合料情况下耐久性研究的较少，尚未建立适用于复掺掺合料混凝土的碳化深度模型．因此，研究复掺矿物掺合料混凝土碳化规律，建立复合掺合料混凝土碳化深度预测模型对提高掺合料混凝土结构耐久性具有重要意义．本文基于水泥水化、矿物掺合料二次水化以及混凝土碳化机理，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ｍ０进行

4、了分析，提出了以水胶比、胶凝材料用量、粉煤灰、矿渣、硅灰掺量等为主要参数的计算公式，在此基础上建立复掺矿物掺合料混凝土碳化深度预测模型．１复掺矿物掺合料混凝土碳化深度理论模型［５］［７］在普通混凝土碳化预测方面，张誉基于碳化机理建立了混凝土碳化深度预测模型；牛建刚通过分析粉煤灰二次水化过程对可碳化物质含量和ＣＯ２有效扩散系数的影响，建立了粉煤灰混凝土碳化深度预测模型．为了使混凝土结构性能更加优化，经济效益得到最大化，实际工程中常常使用矿物掺合料复掺配制混凝土，因此，研究复掺矿物掺合料对混凝土碳化性能的影响将是非常重要的工作．基于

5、气体扩散理论的混凝土碳化深度预测理论模型为：２Ｄｅ·［ＣＯ２］０ｘ＝·槡ｔ（１）槡ｍ０式中：ｍ为完全碳化时单位体积混凝土吸收二氧化碳的量，ｍｏｌ／ｍ３；［ＣＯ］为混凝土表面处二氧化碳０２０的摩尔浓度，ｍｏｌ／ｍ３；Ｄ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，ｓ．ｅ２．１模型参数ｍ０的确定［７］采用普通硅酸盐水泥配制混凝土时：ｍ０＝（１－α）×８．２２ｄ（２）＊收稿日期：２００９－０５－１４修改稿日期：２０１０－０６－１５基金项目：国家杰出青年科学基金资助项目（５０７２５８２４）；“十一五”国家科技支撑计划课题（

6、２００６ＢＡＪ０３Ａ０２－０３）；陕西省重点学科建设专项资金资助项目作者简介：牛荻涛（１９６３－），男，陕西西安人，教授，博士生导师，研究方向：混凝土结构耐久性及结构抗震．第４期牛荻涛等：复掺矿物掺合料混凝土碳化深度预测模型４６５式中：ｄ为单位体积混凝土胶凝材料总量，ｋｇ／ｍ３；α为普通硅酸盐水泥中混合材料掺量，范围为６％～１５％；若采用硅酸盐水泥，则取值为０．若α取混合材料最大掺量１５％，则将式（２）化简得：ｍ０＝６．９９·ｄ（３）（１）硅灰等量取代水泥配制混凝土时ＳｉＯ２掺入混凝土后，将可碳化物质Ｃａ（ＯＨ）２转化成了另一种

7、可碳化物质ＣＳＨ，不改变可碳化物质的量，不影响ｍ０值．因此，硅灰等量取代普通硅酸盐水泥时，单位体积混凝土吸收ＣＯ２的量为：ｍ０＝（１－βｓ）６．９９ｄ（４）式中：βｓ为硅灰掺量．（２）粉煤灰等量取代水泥配制混凝土时［７］牛建刚通过分析粉煤灰二次水化过程对可碳化物质含量的影响，推导了粉煤灰等量取代普通硅酸盐水泥时单位体积混凝土吸收二氧化碳的量ｍ０的计算公式：ＣａＯ％Ａｌ２Ｏ３％３ｍ０＝（１－βｆ）６．９９ｄ＋（－４γ）βｆｄ×１０（５）５６１０２式中：ＣａＯ％为粉煤灰中ＣａＯ含量；Ａｌ２Ｏ３％为粉煤灰中Ａｌ２Ｏ３含量；βｆ为粉煤灰

8、掺量；γ为粉煤灰火［７］山灰反应程度系数，取值为０．５．低钙粉煤灰由于活性低，不能直接与水反应，只能与水泥水化产物Ｃａ（ＯＨ）２生成胶凝物质，因此，在计算低钙粉煤灰混凝土中可碳化物质的量ｍ０时，应不考虑ＣａＯ的水化．因此，低钙粉煤灰取代普通硅酸盐水泥时单位体积混