摘要：混凝土中的气体扩散系数是研究混凝土碳化的重要参数。现有的气体扩散系数模型大多为经验模型，没有明确的理论依据，本文在原有的实验基础上，根据由Fick第一定律以及认在多孔介质中扩散和吸收的特点推导得到了经典混凝土碳化理论模型与现有碳化数据反推标准环境下二氧化碳在混凝土内的有效扩散系数,提出了以粉煤灰掺量为主要参数,并考虑环境湿度、混凝土的养护龄期综合影响的气体有效扩散系数计算模型,利用已有的试验结果确定了模型参数, 推导出低水胶比粉煤灰混凝土碳化新方程。阐述了当粉煤灰掺量为15%时，低水胶比混凝土抗扩散能力最好；粉煤灰掺量为0到25%时，抗扩散能力优于未掺粉煤灰的混凝土。
关键词：混凝土；粉煤灰掺量；有效扩散系数
一般大气环境下,影响混凝土结构耐久性的主要因素是混凝土碳化引起的钢筋锈蚀。混凝土碳化速度与钢筋锈蚀速率主要取决于气体在混凝土中的传输速率。根据传递理论,物质由于浓度梯度作用引起的质量传递现象称为扩散。 大气中的二氧化碳侵入混凝土即是一种扩散现象,其传输速率常用扩散系数衡量,因此确定气体在混凝土中的扩散系数对于预测碳化深度与钢筋锈蚀速率极其重要。
随着混凝土向高性能方向发展，粉煤灰等矿物掺和料作为混凝土的重要组成部分，广泛的使用于工程结构中。因而掺粉煤灰混凝土的碳化问题一直是学术界研究的重点之一。如参考文献[1-3]中提到的:Cengiz ,王培铭、秦鸿根等分别研究了掺粉煤灰，双掺粉煤灰和矿渣混凝土以及掺粉煤灰高性能混凝土的碳化。但上述这些研究大多集中在粉煤灰少数几个掺量上，特别忽视了低掺量粉煤灰混凝土，而不能形成一个粉煤灰掺量变化的完整系列;或者仅研究大掺量粉煤灰、较大水胶比情况下的碳化模型。因而，针对工程中大量使用的掺粉煤灰、低水胶比混凝土，通过实验资料研究粉煤灰对其碳化的影响具有十分重要的意义。
但上述这些研究大多集中在粉煤灰少数儿个掺量上，特别忽视了低掺量粉煤灰混凝土，而不能形成一个粉煤灰掺量变化的完整系列，从而忽视了粉煤灰对混凝土抗碳化的正效应。因而，本文定量描述了粉煤灰掺量对混凝土碳化扩散系数的影响;建立多因素碳化寿命预测新方程。
1. 二氧化碳在混凝土中有效扩散系数的计算模型
1.1 De与粉煤灰掺量的关系
鉴于目前尚无理想的测试气体扩散系数的方法,本文将根据碳化理论模型与现有碳化数据反推标准环境下(20℃、相对湿度为70 %) 二氧化碳在混凝土内的有效扩散系数De ,由此建立De与粉煤灰取代率之间的关系。
根据Fick第一扩散定律,混凝土碳化的理论模型为:
式中: x 为碳化深度(mm)；C0为混凝土表面二氧化碳浓度(mol/m3 )；t 为碳化时间(s)；mo为单位体积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 为水化程度修正系数，90天养护为1.0，28天养护为0.85；C 为单方混凝土水泥用量(kg/m3)；γc为水泥品种修正系，硅酸盐水泥为1.0，其它水泥 γc =1—掺合料含量,一般情况下取γc= 0.85。
文献[5]试验研究了粉煤灰掺量对混凝土碳化深度的影响,本文对其试验据进行y=
方程曲线拟合,同时按照方程（1）求出碳化过程中CO2 的表观扩散系数De, 得到表1 所示。
由图可知：对于低水胶比混凝土而言，CO2的表观扩散系数Dco2与粉煤灰掺量有着很好的相关性。
当粉煤灰掺量为0< FA < 0.15< 时，表观扩散系数Dco2随着粉煤灰掺量的增加而降低，粉煤灰起到了积极作用，这主要得益于粉煤灰的微集料效应，粉煤灰由于密实填充作用及二次水化反应，可以提高混凝土密实程度，粉煤灰等量替代水泥后，与相同水灰比的空白混凝土相比，混凝土孔隙率明显下降，特别是大孔孔隙率的降低幅度尤为显著，因而低掺量粉煤灰能够降低低水胶比混凝土中CO2的扩散系数。
当粉煤灰掺量为AF>0.15时，CO2的表观扩散系数Dco2随着粉煤灰掺量的增加而增加。这主要是由于随粉煤灰掺量增加，粉煤灰的填充效应到一定量时将达到极限。随着粉煤灰掺量继续增加，混凝土浆体总孔隙率随掺量增加而增加，其次可能是由于粉煤灰掺量增加，早龄期时混凝土中总的水化产物相对减少。混凝土总孔隙率降低主要由于粉煤灰的密实填充作用，但不能有效堵塞90％相对湿度下的失水通道。因而，随着粉煤灰参量的增加，最终导致低水胶比混凝土中CO2的扩散系数增加。
同时由图1可知:当粉煤灰掺量为FA＝15%，低水胶比混凝土抗扩散能力最好；粉煤灰掺量0<FA<0.25时，抗扩散能力优于未掺粉煤灰的混凝土。
3. 结 论
1) 低水胶比粉煤灰混凝土的碳化经时方程适合用Fick第一定律描述, 混凝土碳化深度与碳化时间的平方根成正比；混凝土的CO2扩散系数与粉煤灰掺量成二次函数关系, 当粉煤灰掺量为0< FA <0.15时，表观扩散系数Dco2随着粉煤灰掺量的增加而降低，当粉煤灰掺量为AF>0.15时，CO2的表观扩散系数Dco2随着粉煤灰掺量的增加而增加。
2）当粉煤灰掺量为15% A F = ， 低水胶比混凝土抗扩散能力最好;粉煤灰掺量
0<FA<0.25时，抗扩散能力优于未掺粉煤灰的混凝土。
3）提出了以粉煤灰掺量为主要参数,并考虑环境湿度、混凝土养护龄期等综合影响的气体有效扩散系数计算模型。
参考文献
[1] Cengiz Duran Atis. Accelerated carbonation and testing of concrete
made with fly ash. Construction and Building Materials, 2003(17):147-152.
[2]王培铭,朱艳芳,计亦奇等.掺粉煤灰和矿渣大流动度混凝土的碳化性能.建筑材料学报,2001(4):305-310.
[3]秦鸿根,潘刚华,李松泉等.掺粉煤灰高性能混凝土耐久性研究.混凝土与水泥制品,2000(5):11-13 .
[4] 蒋利学.混凝土碳化深度的计算与试验研究.混凝土,1996/04.
[5] 全祖权. 西部地区严酷环境下混凝土的耐久性与寿命预测.东南大学.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.
