杜應(yīng)吉，黃春霞

大摻量粉煤灰混凝土碳化深度預(yù)測(cè)模型探討

杜應(yīng)吉，黃春霞

（西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌 712100）

大摻量粉煤灰混凝土由于具有諸多優(yōu)良性能，在工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，但對(duì)于其碳化等耐久性能研究不夠深入。通過對(duì)目前普通混凝土碳化深度預(yù)測(cè)比較典型模型進(jìn)行分析，并根據(jù)大摻量粉煤灰混凝土快速碳化實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出適應(yīng)于大摻量粉煤灰混凝土的碳化系數(shù)Dec，初步建立了適合于大摻量粉煤灰混凝土碳化深度的預(yù)測(cè)模型。應(yīng)用此模型對(duì)工程碳化數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)驗(yàn)證，結(jié)果表明：模型A適應(yīng)于粉煤灰摻量≥60%的碳化深度預(yù)測(cè)；模型B適應(yīng)于粉煤灰摻量＜60%的碳化深度預(yù)測(cè)，且誤差均在10%以下。

大摻量粉煤灰；水膠比；預(yù)測(cè)模型；碳化深度

1 概 述

在一般大氣環(huán)境條件下，混凝土碳化是導(dǎo)致鋼筋脫鈍銹蝕的重要前提。因此，建立一個(gè)合理準(zhǔn)確的混凝土碳化深度模型，是研究鋼筋銹蝕程度、預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)使用壽命的關(guān)鍵［1］。隨著粉煤灰取代水泥技術(shù)的逐漸成熟，大摻量粉煤灰混凝土已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。以往有很多學(xué)者對(duì)混凝土的碳化深度預(yù)測(cè)進(jìn)行了深入的研究，并建立了實(shí)用模型。但這些模型很少考慮粉煤灰對(duì)混凝土碳化深度的影響，而不能直接應(yīng)用于大摻量粉煤灰混凝土碳化深度的預(yù)測(cè)。因此，基于大摻量粉煤灰混凝土快速碳化試驗(yàn)結(jié)果建立碳化深度預(yù)測(cè)模型很有意義。

本文在對(duì)目前比較典型的普通混凝土碳化預(yù)測(cè)模型進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)大摻量粉煤灰混凝土快速碳化試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出適應(yīng)于大摻量粉煤灰混凝土的碳化系數(shù)Dec，初步建立了適合于大摻量粉煤灰混凝土碳化深度的預(yù)測(cè)模型。

2 大摻量粉煤灰混凝土快速碳化試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)原材料：

水泥為寧夏賽馬水泥廠生產(chǎn)的強(qiáng)度等級(jí)為42．5的普通硅酸鹽水泥；

粉煤灰為寧夏大壩電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰；

粗骨料為銀川鎮(zhèn)北堡生產(chǎn)的5～20 mm碎石；

細(xì)骨料為銀川鎮(zhèn)北堡生產(chǎn)的細(xì)度模數(shù)為3．1的水洗砂；

高效減水劑為寧夏靈武鑫海實(shí)業(yè)總公司生產(chǎn)的NF－5A型減水劑，摻量為0．5%～1．0%；

引氣劑為咸陽(yáng)金星混凝土外加劑有限公司生產(chǎn)的JOP型松香皂類引氣劑，按1%配成溶液摻加。

（2）試驗(yàn)配合比見表1。

（3）試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 混凝土碳化試驗(yàn)配合比Tab le 1 M ix p roportion of concrete used by carbonation test

表2 混凝土碳化試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Carbonation depths of concrete

3 混凝土碳化深度的理論模型及分析

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，但對(duì)于大摻量粉煤灰混凝土的碳化研究成果還較少。在混凝土碳化預(yù)測(cè)模型中目前比較公認(rèn)的模型是形如的形式，由于α的大小取決于工程環(huán)境、水膠比、水泥用量、溫濕度、粉煤灰摻量等眾多因素，因此，不同學(xué)者（如牛荻濤、張譽(yù)等人）對(duì)于模型中的碳化系數(shù)α給出了不同的函數(shù)或公式?；谝陨戏治觯瑢?duì)于大摻量粉煤灰混凝土可以利用混凝土碳化的典型模型形式，僅根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其碳化系數(shù)進(jìn)行修正即可。目前比較典型的碳化模型有：

（1）根據(jù)Fick擴(kuò)散定律和傳質(zhì)原理建立的一維混凝土碳化深度的計(jì)算公式［2］

式中：x0為碳化深度；Dec為CO2在混凝土中的擴(kuò)散系數(shù)；c0為CO2的濃度；m0為單位體積混凝土吸收CO2的能力；t為碳化時(shí)間。

（2）張譽(yù)、蔣利學(xué)在公式（1）的基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗(yàn)并通過理論分析，建立碳化深度實(shí)用計(jì)算模型［1］

式中：RH為試驗(yàn)環(huán)境相對(duì)濕度；W／C為水灰比；C為水泥用量；v0為CO2的體積分?jǐn)?shù)；t為碳化時(shí)間（d）。

（3）對(duì)于大摻量粉煤灰混凝土，劉斌等人通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)二元線性回歸，得出大摻量粉煤灰混凝土28 d碳化深度與水膠比、粉煤灰摻量關(guān)系的線性回歸方程［3］

式中：W／B為水膠比；β為粉煤灰摻量（%）；xc為碳化深度（mm）。

3．2 混凝土碳化模型的驗(yàn)證和修正

3．2．1 利用模型式（3）的碳化深度預(yù)測(cè)驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)際拌合時(shí)的混凝土水膠比W／B、粉煤灰摻量F以及最終的碳化試驗(yàn)結(jié)果，采用典型模型式（3）進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果見表3。

表3 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較Table 3 The com parison between com puting result and test result

從表中可以看出：該模型對(duì)于粉煤灰摻量≥60%的混凝土計(jì)算誤差值＜10%，而對(duì)于粉煤灰摻量＜60%的混凝土計(jì)算誤差值比較大。結(jié)果表明，典型模型式（3）適應(yīng)于粉煤灰摻量≥60%的大摻量混凝土。

3．2．2 對(duì)典型模型式（1）和式（2）的修正

模型式（1）是建立在理論基礎(chǔ)上的模型，其系數(shù)不好確定，應(yīng)用起來(lái)不太方便，而模型式（2）是根據(jù)模型式（1）建立起來(lái)的，其物理意義相近。在文獻(xiàn)［1］中，作者已利用文獻(xiàn)［4］中快速碳化試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型式（2）進(jìn)行檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)結(jié)果比一般經(jīng)驗(yàn)式具有較強(qiáng)的理論依據(jù)，且便于應(yīng)用，準(zhǔn)確性也比較高［1］。因此，模型式（2）具有較廣泛的適應(yīng)性，本文試圖在模型式（2）的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，以期可將該式用于粉煤灰混凝土中。

由于本文旨在建立大摻量粉煤灰對(duì)混凝土碳化深度的影響關(guān)系，而模型式（2）未能體現(xiàn)，因此，通過以下推導(dǎo)，對(duì)模型式（2）進(jìn)行修正，并得出大摻量粉煤灰混凝土碳化深度的預(yù)測(cè)模型。

由如下公式［1］

發(fā)現(xiàn)粉煤灰的加入僅對(duì)Dec項(xiàng)構(gòu)成影響，而

將試驗(yàn)中不同水膠比（W／B）的碳化結(jié)果代入式（5），發(fā)現(xiàn)當(dāng)粉煤灰摻量≤60%時(shí)，Dec與成正比，線性關(guān)系見圖1，并得到與關(guān)系的趨勢(shì)線方程

式中：W／C為水灰比；RH為試驗(yàn)環(huán)境相對(duì)濕度。

圖1 ［（W／C－0．53）］（1－RH）2．2與Dec的關(guān)系Fig．1 Plot of［（W／C－0．53）］（1－RH）2．2versus Dce

根據(jù)氣體狀態(tài)方程，將CO2的體積分?jǐn)?shù)v0換算成濃度［CO2］0［1］：

將式（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為粉煤灰摻量；δ為超量取代系數(shù)，本次試驗(yàn)中，δ＝1．3；β為粉煤灰摻量百分比（%）；C為水泥用量。

將式（9）代入式（8），得大摻量粉煤灰混凝土碳化深度與濕度、粉煤灰摻量、CO2濃度及時(shí)間的關(guān)系式

利用本次快速碳化試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)原模型式（2）及修正后的模型式（10）進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果分別見表4、表5。

表4 式（2）計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較Table 4 The comparison between computing result and test result in formula（2）

表5 式（10）計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較Table 5 The comparison between computing result and test result in formula（10）

由表中可以看出：模型式（2）雖然經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，適用于預(yù)測(cè)混凝土的碳化深度，但用于本次大摻量粉煤灰混凝土的計(jì)算時(shí)，除粉煤灰摻量為0的第一組外，誤差均大于70%；用模型式（10）計(jì)算時(shí)，當(dāng)0＜粉煤灰摻量≤60%時(shí)，該模型的誤差均小于10%，而當(dāng)粉煤灰摻量＞60%或粉煤灰摻量＝0時(shí)，該模型計(jì)算的誤差比較大。結(jié)果表明：典型模型式（3）適應(yīng)于0＜粉煤灰摻量≤60%的大摻量混凝土。

4 結(jié) 論

根據(jù)大摻量粉煤灰混凝土快速碳化實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證結(jié)果表明：模型式（11）適用于粉煤灰摻量β≥60%的混凝土碳化深度計(jì)算，而模型式（12）適用與粉煤灰摻量0＜β＜60%的混凝土碳化深度計(jì)算。需要指出的是，該模型僅供粉煤灰混凝土碳化深度研究和預(yù)測(cè)參考，其普適性還有待更多的補(bǔ)充試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

通過以上計(jì)算分析，初步得到了一組適合于預(yù)測(cè)粉煤灰混凝土碳化深度的預(yù)測(cè)模型：

［1］ 張 譽(yù)，蔣利學(xué)．基于碳化機(jī)理的混凝土碳化深度實(shí)用數(shù)學(xué)模型［J］．工業(yè)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，陳道普．混凝土碳化的隨機(jī)模型［J］．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)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］ 劉 斌．大摻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］ 劉 海，牛狄濤．混凝土結(jié)構(gòu)碳化耐久性的分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)法［J］．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，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］ 牛狄濤，董振平，浦聿修．預(yù)測(cè)混凝土碳化深度的隨機(jī)模型［J］．工業(yè)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］ 金偉良，呂清芳，趙羽習(xí)，等．混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方法與壽命預(yù)測(cè)研究進(jìn)展［J］．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，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］ 牛狄濤，陳亦奇，于 封．混凝土結(jié)構(gòu)的碳化模式與碳化壽命分析［J］．西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，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］ 牛狄濤，石玉釵，雷怡生．混凝土碳化的概率模型及碳化可靠性分析［J］．西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，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，水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程［S］．（SL352－2006，The Experiment Specification of Hydraulic Concrete［S］．（in Chinese） ）

（編輯：曾小漢）

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

國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2006BAD11B03）

杜應(yīng)吉（1963-），男，陜西咸陽(yáng)人，工學(xué)博士，教授，主要從事水工結(jié)構(gòu)工程的研究工作，（電話）13186171963（電子信箱）dyj＠nwsuaf．edu．cn。