大掺量粉煤灰混凝土碳化深度预测模型探讨

杜应吉，黄春霞

大掺量粉煤灰混凝土碳化深度预测模型探讨

杜应吉，黄春霞

（西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100）

大掺量粉煤灰混凝土由于具有诸多优良性能，在工程实践中得到广泛应用，但对于其碳化等耐久性能研究不够深入。通过对目前普通混凝土碳化深度预测比较典型模型进行分析，并根据大掺量粉煤灰混凝土快速碳化实测数据，计算出适应于大掺量粉煤灰混凝土的碳化系数Dec，初步建立了适合于大掺量粉煤灰混凝土碳化深度的预测模型。应用此模型对工程碳化数据进行预测验证，结果表明：模型A适应于粉煤灰掺量≥60%的碳化深度预测；模型B适应于粉煤灰掺量＜60%的碳化深度预测，且误差均在10%以下。

大掺量粉煤灰；水胶比；预测模型；碳化深度

1 概 述

在一般大气环境条件下，混凝土碳化是导致钢筋脱钝锈蚀的重要前提。因此，建立一个合理准确的混凝土碳化深度模型，是研究钢筋锈蚀程度、预测结构使用寿命的关键［1］。随着粉煤灰取代水泥技术的逐渐成熟，大掺量粉煤灰混凝土已经得到广泛应用。以往有很多学者对混凝土的碳化深度预测进行了深入的研究，并建立了实用模型。但这些模型很少考虑粉煤灰对混凝土碳化深度的影响，而不能直接应用于大掺量粉煤灰混凝土碳化深度的预测。因此，基于大掺量粉煤灰混凝土快速碳化试验结果建立碳化深度预测模型很有意义。

本文在对目前比较典型的普通混凝土碳化预测模型进行深入分析的基础上，根据大掺量粉煤灰混凝土快速碳化试验结果，计算出适应于大掺量粉煤灰混凝土的碳化系数Dec，初步建立了适合于大掺量粉煤灰混凝土碳化深度的预测模型。

2 大掺量粉煤灰混凝土快速碳化试验

（1）试验原材料：

水泥为宁夏赛马水泥厂生产的强度等级为42．5的普通硅酸盐水泥；

粉煤灰为宁夏大坝电厂生产的Ⅰ级粉煤灰；

粗骨料为银川镇北堡生产的5～20 mm碎石；

细骨料为银川镇北堡生产的细度模数为3．1的水洗砂；

高效减水剂为宁夏灵武鑫海实业总公司生产的NF－5A型减水剂，掺量为0．5%～1．0%；

引气剂为咸阳金星混凝土外加剂有限公司生产的JOP型松香皂类引气剂，按1%配成溶液掺加。

（2）试验配合比见表1。

（3）试验结果见表2。

表1 混凝土碳化试验配合比Tab le 1 M ix p roportion of concrete used by carbonation test

表2 混凝土碳化试验结果Table 2 Carbonation depths of concrete

3 混凝土碳化深度的理论模型及分析

3．1 混凝土典型的碳化模型

目前混凝土碳化研究成果很多，但对于大掺量粉煤灰混凝土的碳化研究成果还较少。在混凝土碳化预测模型中目前比较公认的模型是形如的形式，由于α的大小取决于工程环境、水胶比、水泥用量、温湿度、粉煤灰掺量等众多因素，因此，不同学者（如牛荻涛、张誉等人）对于模型中的碳化系数α给出了不同的函数或公式。基于以上分析，对于大掺量粉煤灰混凝土可以利用混凝土碳化的典型模型形式，仅根据实测数据对其碳化系数进行修正即可。目前比较典型的碳化模型有：

（1）根据Fick扩散定律和传质原理建立的一维混凝土碳化深度的计算公式［2］

式中：x0为碳化深度；Dec为CO2在混凝土中的扩散系数；c0为CO2的浓度；m0为单位体积混凝土吸收CO2的能力；t为碳化时间。

（2）张誉、蒋利学在公式（1）的基础上，结合试验并通过理论分析，建立碳化深度实用计算模型［1］

式中：RH为试验环境相对湿度；W／C为水灰比；C为水泥用量；v0为CO2的体积分数；t为碳化时间（d）。

（3）对于大掺量粉煤灰混凝土，刘斌等人通过对试验数据二元线性回归，得出大掺量粉煤灰混凝土28 d碳化深度与水胶比、粉煤灰掺量关系的线性回归方程［3］

式中：W／B为水胶比；β为粉煤灰掺量（%）；xc为碳化深度（mm）。

3．2 混凝土碳化模型的验证和修正

3．2．1 利用模型式（3）的碳化深度预测验证

根据实际拌合时的混凝土水胶比W／B、粉煤灰掺量F以及最终的碳化试验结果，采用典型模型式（3）进行验证。结果见表3。

表3 计算结果与试验结果的比较Table 3 The com parison between com puting result and test result

从表中可以看出：该模型对于粉煤灰掺量≥60%的混凝土计算误差值＜10%，而对于粉煤灰掺量＜60%的混凝土计算误差值比较大。结果表明，典型模型式（3）适应于粉煤灰掺量≥60%的大掺量混凝土。

3．2．2 对典型模型式（1）和式（2）的修正

模型式（1）是建立在理论基础上的模型，其系数不好确定，应用起来不太方便，而模型式（2）是根据模型式（1）建立起来的，其物理意义相近。在文献［1］中，作者已利用文献［4］中快速碳化试验数据对模型式（2）进行检验，其检验结果比一般经验式具有较强的理论依据，且便于应用，准确性也比较高［1］。因此，模型式（2）具有较广泛的适应性，本文试图在模型式（2）的基础上进行修正，以期可将该式用于粉煤灰混凝土中。

由于本文旨在建立大掺量粉煤灰对混凝土碳化深度的影响关系，而模型式（2）未能体现，因此，通过以下推导，对模型式（2）进行修正，并得出大掺量粉煤灰混凝土碳化深度的预测模型。

由如下公式［1］

发现粉煤灰的加入仅对Dec项构成影响，而

将试验中不同水胶比（W／B）的碳化结果代入式（5），发现当粉煤灰掺量≤60%时，Dec与成正比，线性关系见图1，并得到与关系的趋势线方程

式中：W／C为水灰比；RH为试验环境相对湿度。

图1 ［（W／C－0．53）］（1－RH）2．2与Dec的关系Fig．1 Plot of［（W／C－0．53）］（1－RH）2．2versus Dce

根据气体状态方程，将CO2的体积分数v0换算成浓度［CO2］0［1］：

将式（6）、式（7）代入式（4），得到

由粉煤灰超量取代水泥的公式得

式中：F为粉煤灰掺量；δ为超量取代系数，本次试验中，δ＝1．3；β为粉煤灰掺量百分比（%）；C为水泥用量。

将式（9）代入式（8），得大掺量粉煤灰混凝土碳化深度与湿度、粉煤灰掺量、CO2浓度及时间的关系式

利用本次快速碳化试验数据对原模型式（2）及修正后的模型式（10）进行检验，检验结果分别见表4、表5。

表4 式（2）计算结果与试验结果的比较Table 4 The comparison between computing result and test result in formula（2）

表5 式（10）计算结果与试验结果的比较Table 5 The comparison between computing result and test result in formula（10）

由表中可以看出：模型式（2）虽然经多次试验验证，适用于预测混凝土的碳化深度，但用于本次大掺量粉煤灰混凝土的计算时，除粉煤灰掺量为0的第一组外，误差均大于70%；用模型式（10）计算时，当0＜粉煤灰掺量≤60%时，该模型的误差均小于10%，而当粉煤灰掺量＞60%或粉煤灰掺量＝0时，该模型计算的误差比较大。结果表明：典型模型式（3）适应于0＜粉煤灰掺量≤60%的大掺量混凝土。

4 结 论

根据大掺量粉煤灰混凝土快速碳化实测数据的验证结果表明：模型式（11）适用于粉煤灰掺量β≥60%的混凝土碳化深度计算，而模型式（12）适用与粉煤灰掺量0＜β＜60%的混凝土碳化深度计算。需要指出的是，该模型仅供粉煤灰混凝土碳化深度研究和预测参考，其普适性还有待更多的补充试验进一步验证。

通过以上计算分析，初步得到了一组适合于预测粉煤灰混凝土碳化深度的预测模型：

［1］ 张 誉，蒋利学．基于碳化机理的混凝土碳化深度实用数学模型［J］．工业建筑，1998，28（1）：16－19．（ZHANG Yu，JIANG Li-xue．A Practical Mathematical Model for Carbonization Depth Based on the Carbonization Mechanism［J］．Industrial Building，1998，28（1）：16－19．（in Chinese））

［2］ 屈文俊，陈道普．混凝土碳化的随机模型［J］．同济大学学报（自然科学版），2007，35（5）：577－581．（QU Wen-jun，CHEN Dao-pu．The Random Model for Car-bonization of Concrete［J］．Journal of Tongji（natural sci-ence），2007，35（5）：577－581．（in Chinese））

［3］ 刘 斌．大掺量粉煤灰混凝土的抗碳化性能［J］．混凝土，2003，（3）：44－48．（LIU Bin．The Carbonization of High Volume Fly Ash Concrete［J］．Concrete，2003，（3）：44－48．（in Chinese））

［4］ PAPADAKIS V G．Fundamental Modeling and Experi-mental Investigation of Concrete Carbonation［J］．ACI Materials Journal，1991，（88）：363－373．

［5］ 刘 海，牛狄涛．混凝土结构碳化耐久性的分项系数设计法［J］．建筑结构学报，2008，（增刊）：42－46．（LIU Hai，NIU Di-tao．The Subentry Coefficient Methed for the Durability of Concrete［J］．Journal of Building Structures，2008，（Sup．）：42－46．（in Chinese））

［6］ 牛狄涛，董振平，浦聿修．预测混凝土碳化深度的随机模型［J］．工业建筑，1999，29（9）：41－45．（NIU Di-tao，DONG Zhen-ping，PU Yu-xiu．The Stochastic Model for Predict the Carbonization Depth of Concrete［J］．In-dustrial Building，1999，29（9）：41－45．（in Chinese））

［7］ 金伟良，吕清芳，赵羽习，等．混凝土结构耐久性设计方法与寿命预测研究进展［J］．建筑结构学报，2007，28（1）：7－13．（JIN Wei-liang，LV Qing-fang，ZHAO Yu-xi，et al．The Study on the Durability Design Method and the Service Life Prediction of Concrete［J］．Journal of Building Structures，2007，28（1）：7－13．（in Chi-nese））

［8］ 牛狄涛，陈亦奇，于 封．混凝土结构的碳化模式与碳化寿命分析［J］．西安建筑科技大学学报，1995，27（4）：365－369．（NIU Di-tao，CHEN Yi-qi，YU Feng．The Analysis on Carbonization Pattern and Carbonization Life of Concrete［J］．J．of Xi’an Univ．of Arch＆Tech，1995，27（4）：365－369．（in Chinese））

［9］ 牛狄涛，石玉钗，雷怡生．混凝土碳化的概率模型及碳化可靠性分析［J］．西安建筑科技大学学报，1995，27（3）：252－256．（NIU Di-tao，SHI Yu-chai，LEI Yi-sheng．The Analysis for the Probabilistic Model and the Reliability Analysis of the Carbonization［J］．J．of Xi’an Univ．of Arch＆Tech，1995，27（3）：252－256．（in Chi-nese））

［10］SL352－2006，水工混凝土试验规程［S］．（SL352－2006，The Experiment Specification of Hydraulic Concrete［S］．（in Chinese） ）

（编辑：曾小汉）

Study on Prediction M odel for Carbonization Depth of High Volume Fly Ash Concrete

DU Ying-ji，HUANG Chun-xia
（College ofWater Resource and Architectural Engineering，Northwest A＆F University，Yangling 712100，China）

Being endowed with various fine properties，high volume fly ash concrete has been extensively used in engineering．Nevertheless，researches on its durability such as carbonization have not been conducted in depth．In this paper，the existing predictionmodels on concrete carbonation depth are analysed，and the carbonization coeffi- cientbased on a quantity of real data isworked out，then a predictionmodel for carbonization depth of high vol- ume fly ash concrete has been primarily established．The model is further applied to the prediction verification of engineering carbonization data．The result reveals thatmodel A is fit for predicting the carbonization depth when the volume fly ash ismore than or equal to 60%，whereasmodel B is fit for predicting the carbonization depth when the volume fly ash is less than 60%，with an error rate less than 10%．

high volume fly ash；water-binder ratio；carbonization depth；prediction model

TU528．2

A

1001－5485（2011）03－0068－04

2010-04-02

国家“十一五”科技支撑计划重点项目（2006BAD11B03）

杜应吉（1963-），男，陕西咸阳人，工学博士，教授，主要从事水工结构工程的研究工作，（电话）13186171963（电子信箱）dyj＠nwsuaf．edu．cn。