粉煤灰混凝土碳化理论模型参数研究.pdf
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1、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
2、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 n
3、a 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
4、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
5、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
6、 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
7、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:
8、= 、 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
9、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 】
10、( 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 +
11、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
12、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 -
13、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
14、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
15、 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
16、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
17、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
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