摘要：混凝土中的氣體擴(kuò)散系數(shù)是研究混凝土碳化的重要參數(shù)。現(xiàn)有的氣體擴(kuò)散系數(shù)模型大多為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，沒有明確的理論依據(jù)，本文在原有的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)由Fick第一定律以及認(rèn)在多孔介質(zhì)中擴(kuò)散和吸收的特點(diǎn)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(kuò)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(hù)齡期綜合影響的氣體有效擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算模型,利用已有的試驗(yàn)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(shí)，低水膠比混凝土抗擴(kuò)散能力最好；粉煤灰摻量為0到25%時(shí)，抗擴(kuò)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(kuò)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?；炷撂蓟俣扰c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(kuò)散。 大氣中的二氧化碳侵入混凝土即是一種擴(kuò)散現(xiàn)象,其傳輸速率常用擴(kuò)散系數(shù)衡量,因此確定氣體在混凝土中的擴(kuò)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(diǎn)之一。如參考文獻(xiàn)[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(shí)驗(yàn)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(kuò)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(kuò)散系數(shù)的計(jì)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(kuò)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(kuò)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(kuò)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(shí)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(hù)為1.0，28天養(yǎng)護(hù)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(xiàn)[5]試驗(yàn)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(yàn)據(jù)進(jìn)行y=
方程曲線擬合,同時(shí)按照方程（1）求出碳化過程中CO2 的表觀擴(kuò)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(kuò)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(shí)，表觀擴(kuò)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(shí)填充作用及二次水化反應(yīng)，可以提高混凝土密實(shí)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(kuò)散系數(shù)。
當(dāng)粉煤灰摻量為AF>0.15時(shí)，CO2的表觀擴(kuò)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(shí)將達(dá)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(shí)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?shí)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(dǎo)致低水膠比混凝土中CO2的擴(kuò)散系數(shù)增加。
同時(shí)由圖1可知:當(dāng)粉煤灰摻量為FA＝15%，低水膠比混凝土抗擴(kuò)散能力最好；粉煤灰摻量0<FA<0.25時(shí)，抗擴(kuò)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(shí)方程適合用Fick第一定律描述, 混凝土碳化深度與碳化時(shí)間的平方根成正比；混凝土的CO2擴(kuò)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(shí)，表觀擴(kuò)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(shí)，CO2的表觀擴(kuò)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(kuò)散能力最好;粉煤灰摻量
0<FA<0.25時(shí)，抗擴(kuò)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(hù)齡期等綜合影響的氣體有效擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算模型。
參考文獻(xiàn)
[1] Cengiz Duran Atis. Accelerated carbonation and testing of concrete
made with fly ash. Construction and Building Materials, 2003(17):147-152.
[2]王培銘,朱艷芳,計(jì)亦奇等.摻粉煤灰和礦渣大流動度混凝土的碳化性能.建筑材料學(xué)報(bào),2001(4):305-310.
[3]秦鴻根,潘剛?cè)A,李松泉等.摻粉煤灰高性能混凝土耐久性研究.混凝土與水泥制品,2000(5):11-13 .
[4] 蔣利學(xué).混凝土碳化深度的計(jì)算與試驗(yàn)研究.混凝土,1996/04.
[5] 全祖權(quán). 西部地區(qū)嚴(yán)酷環(huán)境下混凝土的耐久性與壽命預(yù)測.東南大學(xué).2006.
[6] V. G. Papadakis , C. G. Vayenas and M. N. Fardis. Fundamental Modeling
and Experimental Investigation of Concrete Carbonation[J] . ACI Materials Journal
, 1991 ,88 (4) :3632373.
