摘要：混凝土中的氣體擴散系數(shù)是研究混凝土碳化的重要參數(shù)?，F(xiàn)有的氣體擴散系數(shù)模型大多為經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，沒有明確的理論依據(jù)，本文在原有的實驗基礎(chǔ)上，根據(jù)由Fick第一定律以及認在多孔介質(zhì)中擴散和吸收的特點推導(dǎo)得到了經(jīng)典混凝土碳化理論模型與現(xiàn)有碳化數(shù)據(jù)反推標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下二氧化碳在混凝土內(nèi)的有效擴散系數(shù),提出了以粉煤灰摻量為主要參數(shù),并考慮環(huán)境濕度、混凝土的養(yǎng)護齡期綜合影響的氣體有效擴散系數(shù)計算模型,利用已有的試驗結(jié)果確定了模型參數(shù), 推導(dǎo)出低水膠比粉煤灰混凝土碳化新方程。闡述了當(dāng)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(yōu)于未摻粉煤灰的混凝土。
關(guān)鍵詞：混凝土；粉煤灰摻量；有效擴散系數(shù)
一般大氣環(huán)境下,影響混凝土結(jié)構(gòu)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(jù)傳遞理論,物質(zhì)由于濃度梯度作用引起的質(zhì)量傳遞現(xiàn)象稱為擴散。 大氣中的二氧化碳侵入混凝土即是一種擴散現(xiàn)象,其傳輸速率常用擴散系數(shù)衡量,因此確定氣體在混凝土中的擴散系數(shù)對于預(yù)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(fā)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(jié)構(gòu)中。因而摻粉煤灰混凝土的碳化問題一直是學(xué)術(shù)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。但上述這些研究大多集中在粉煤灰少數(shù)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;或者僅研究大摻量粉煤灰、較大水膠比情況下的碳化模型。因而，針對工程中大量使用的摻粉煤灰、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。
但上述這些研究大多集中在粉煤灰少數(shù)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(yīng)。因而，本文定量描述了粉煤灰摻量對混凝土碳化擴散系數(shù)的影響;建立多因素碳化壽命預(yù)測新方程。
1. 二氧化碳在混凝土中有效擴散系數(shù)的計算模型
1.1 De與粉煤灰摻量的關(guān)系
鑒于目前尚無理想的測試氣體擴散系數(shù)的方法,本文將根據(jù)碳化理論模型與現(xiàn)有碳化數(shù)據(jù)反推標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下(20℃、相對濕度為70 %) 二氧化碳在混凝土內(nèi)的有效擴散系數(shù)De ,由此建立De與粉煤灰取代率之間的關(guān)系。
根據(jù)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(shù)，90天養(yǎng)護為1.0，28天養(yǎng)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[5]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(jù)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(shù)De, 得到表1 所示。
由圖可知：對于低水膠比混凝土而言，CO2的表觀擴散系數(shù)Dco2與粉煤灰摻量有著很好的相關(guān)性。
當(dāng)粉煤灰摻量為0< FA < 0.15< 時，表觀擴散系數(shù)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(yīng)，粉煤灰由于密實填充作用及二次水化反應(yīng)，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，特別是大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(shù)。
當(dāng)粉煤灰摻量為AF>0.15時，CO2的表觀擴散系數(shù)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(yīng)到一定量時將達到極限。隨著粉煤灰摻量繼續(xù)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(chǎn)物相對減少?；炷量偪紫堵式档椭饕捎诜勖夯业拿軐嵦畛渥饔?，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(dǎo)致低水膠比混凝土中CO2的擴散系數(shù)增加。
同時由圖1可知:當(dāng)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(yōu)于未摻粉煤灰的混凝土。
3. 結(jié) 論
1) 低水膠比粉煤灰混凝土的碳化經(jīng)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(shù)與粉煤灰摻量成二次函數(shù)關(guān)系, 當(dāng)粉煤灰摻量為0< FA <0.15時，表觀擴散系數(shù)Dco2隨著粉煤灰摻量的增加而降低，當(dāng)粉煤灰摻量為AF>0.15時，CO2的表觀擴散系數(shù)Dco2隨著粉煤灰摻量的增加而增加。
2）當(dāng)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(yōu)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(shù),并考慮環(huán)境濕度、混凝土養(yǎng)護齡期等綜合影響的氣體有效擴散系數(shù)計算模型。
參考文獻
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