Введение к работе
Актуальность работы. На современном этапе развития строительной индустрии одной из приоритетных задач является разработка на основе классических и новейших теоретических и экспериментальных исследований эффективных рекомендаций для предотвращения разрушения строительных конструкций от коррозии.
Из строительных материалов наиболее коррозионно-стойки и долговечны природные каменные материалы. Однако и они со временем разрушаются. Скорость разрушения зависит от состава горных пород, их структуры, фактуры поверхности, внешних условий и других факторов. Накопленный опыт эксплуатации строительных конструкций показывает, что бетон и железобетон по данному показателю сравним с природными каменными материалами. Но одновременно с этим, встречаются случаи преждевременного разрушения бетона и железобетона задолго до окончания проектного срока эксплуатации от действия грунтовых, речных, морских, а также сточных и производственных вод. Причина этого кроется в коррозионных процессах, которые наносят огромный ущерб строительному комплексу.
К настоящему времени в строительном материаловедении накоплен большой объем научных данных о коррозионных процессах, протекающих в бетонах, металлах и железобетонах под влиянием окружающей среды того или иного состава: установлены и исследованы принципиальные схемы химических реакций; даны математические описания некоторых коррозионных процессов; создана система нормативных документов по борьбе с коррозией. Этот большой практический материал создает предпосылки для обобщений, представления результатов в форме математических моделей, позволяющих с требуемой точностью рассчитать долговечность бетонных и железобетонных конструкций. Методы математического моделирования при исследовании процессов коррозии бетона, металлов и железобетона еще не достаточно широко применяются на практике, хотя их преимущества очевидны. Причем, применение математических моделей позволяет экономически обоснованно назначать средства защиты и устанавливать сроки их применения. Разработка математических моделей невозможна без четкого представления о механизме процессов, экспериментальных данных, характеризующих влияние различных факторов на кинетику процессов и проверки достоверности методологии прогноза в натурных условиях.
Однако, фактически не изученными и не исследованными остаются начальные периоды коррозионного разрушения строительных материалов, которые протекают на границе раздела «жидкость – твердая фаза». Изучение кинетики и динамики развития процессов жидкостной коррозии бетона, металлов и железобетона позволяет: определить условия возникновения деструктивных процессов, причины их ускорения или ослабления; разработать физико-математические модели процессов жидкостной коррозии бетона и металлоемких сооружений; методы определения долговечности бетонных, металлических и железобетонных строительных конструкций. Вопрос о долговечности бетонных, металлических и железобетонных сооружений, подверженных коррозионным воздействиям, следует рассматривать не только с точки зрения агрессивного влияния одного или другого вещества, а в зависимости от качественного совокупного и количественного действия всех тех факторов, которые могут вызвать разрушение системы. Решение этих сложных задач возможно с позиций теории массопереноса. Процессы массопереноса являются одним из важнейших разделов современной науки и имеют большое практическое значение в строительном материаловедении. Законы массопереноса, общие для всего многообразия природных явлений, дают возможность рационального проектирования строительных сооружений в соответствии с режимами эксплуатации, оптимального подбора материала, оценки состояния конструкций. Поэтому изучение процессов массопереноса, протекающих при коррозионной деструкции, является актуальной задачей с научной и практической точек зрения.
В Ивановском государственном архитектурно-строительном университете в соответствии с научным направлением, развиваемым на кафедрах «Строительное материаловедение и специальные технологии» и «Химия и охрана окружающей среды» в рамках плана НИР и ОКР ИГАСУ и при поддержке гранта Минобрнауки РФ шифр 91-21-2, 4-109 в области архитектуры и строительных наук выполнялась работа по исследованию процессов массопереноса при жидкостной коррозии строительных материалов.
Цель работы. Установление и обобщение научных основ закономерностей массопереноса при жидкостной коррозии строительных материалов. Определение основных параметров коррозионного массопереноса (коэффициентов массопроводности, массоотдачи), изучение кинетики и динамики процессов. Разработка на основе полученных экспериментальных данных научно обоснованных рекомендаций по повышению коррозионной стойкости строительных конструкций для снижения затрат на ликвидацию последствий техногенных катастроф, обусловленных выходом из строя объектов жилищно-коммунального комплекса, зданий и сооружений различного назначения; для повышения уровня безопасности жизнедеятельности.
С учетом поставленной цели решались следующие задачи:
Обоснование общности методологического подхода к моделированию массопереноса при жидкостной коррозии строительных материалов.
Изучение основных физико-химических процессов в пограничном слое «жидкость – твердое тело» на начальных этапах коррозионного массопереноса.
Определение основных параметров (коэффициентов массопроводности, массоотдачи), изучение кинетики и динамики исследуемых процессов.
Моделирование диффузии целевого компонента – «свободного гидроксида кальция» в гетерогенных системах «жидкая среда – твердая фаза». Проверка адекватности полученных математических моделей реальным физико-химическим процессам.
Разработка на основании полученных экспериментальных данных научно обоснованных рекомендаций по повышению коррозионной стойкости строительных материалов к воздействию жидких сред и применение их на практике: при проведении обследований строительных объектов; при проведении экспертизы промышленной безопасности технических устройств и материалов, используемых при их изготовлении, объектов предприятий опасных производств и других промышленных объектов; для оптимизации сроков межремонтного обслуживания инженерных сооружений.
Научная новизна:
- на основе анализа отечественного и зарубежного опыта, а также собственных теоретических исследований автором научно обоснована общность методологического подхода к математическому моделированию массопереноса при жидкостной коррозии строительных материалов;
- исследованы основные физико-химические процессы в пограничном слое «жидкость – твердое тело» на начальных этапах коррозионного массопереноса, дающие возможность прогнозировать изменение прочностных характеристик строительного объекта;
- разработана математическая модель массопереноса в процессах жидкостной коррозии цементного бетона I вида на уровне феноменологических уравнений, базирующаяся на записи краевой задачи нестационарной массопроводности, учитывающая внутреннюю диффузию и внешнюю массотдачу в жидкую среду с ограниченным объемом;
-разработана математическая модель массопереноса в процессах жидкостной коррозии цементного бетона II вида на уровне феноменологических уравнений, базирующаяся на записи краевой задачи нестационарной массопроводности с объемным источником массы вещества, мощность которого в общем случае есть величина, распределённая по координате по произвольному закону, учитывающая внутреннюю диффузию и внешнюю массотдачу в жидкую агрессивную среду при химической реакции второго порядка на границе раздела фаз;
- получены аналитические решения задач массопереноса в процессах коррозии бетона I и II видов для системы «жидкость – твердая фаза», позволяющие рассчитывать концентрации «свободного гидроксида кальция» в жидкой и твердой фазах и продолжительность процессов коррозии цементного бетона;
- определены значения коэффициентов массопроводности и массоотдачи для рассматриваемых систем;
-разработаны методика и экспериментальная установка для исследования процессов коррозии, защищенная патентом на полезную модель № 71164 РФ от 27.02.2008, позволяющая изучать кинетику и динамику массопереноса при жидкостной коррозии строительных материалов;
- рассчитаны временные зависимости потоков переносимого компонента - «свободного гидроксида кальция», которые позволяют прогнозировать продолжительность начальных этапов жидкостной коррозии цементного бетона I и II видов;
- теоретически и экспериментально показана адекватность разработанных математических моделей реальному физическому процессу, что дает возможность определения времени достижения концентрации переносимого компонента в твердой фазе, соответствующей завершению процессов коррозии цементных бетонов I (II) видов, т.е. времени выхода «свободного гидроксида кальция» и достижения значения его критической концентрации (в пересчете на СаО), равной 1,1 кг/м3, соответствующей началу разложения высокоосновных составляющих цементного бетона;
-теоретически и экспериментально исследован массообменный механизм подвода электролита к поверхности твердой фазы (арматурной стали, алюминиевого сплава), позволяющий разработать (на уровне изобретений РФ) практические рекомендации по повышению коррозионной стойкости строительных материалов.
Практическая значимость. Разработанная на базе математических моделей инженерная методика позволяет рассчитать динамику полей концентраций «свободного гидроксида кальция» по толщине бетонной конструкции, а также кинетику массопереноса в твердой и жидкой фазах, что дает возможность в конечном итоге определить продолжительность жидкостной коррозии I (II) видов цементных бетонов.
Представленные методика и экспериментальная установка для исследования процессов коррозии, защищенная патентом на полезную модель № 71164 РФ от 27.02.2008, позволяют изучать кинетику и динамику массопереноса при жидкостной коррозии строительных материалов.
Представлены практические рекомендации по повышению коррозионной стойкости объектов строительной индустрии: стенки гидротехнических сооружений (патент на полезную модель № 84864 РФ от 26.03.2009, заявка на изобретение № 2010132790 РФ от 04.08.2010); способ подготовки армирующего бетон волокнистого материала (заявка на изобретение № 2010130250 РФ от 19.07.2010); способ подготовки крупного заполнителя (варианты) (заявка на изобретение № 2010130249 РФ от 19.07.2010); раствор для холодного фосфатирования стальной арматуры (патент на изобретение № 2370569 РФ от 24.06.2008); защитная композиция для автоосаждения на поверхности изделий из сплавов на основе железа (заявка на изобретение № 2010130247 РФ от 19.07.2010); лакокрасочная композиция для автоосаждения на поверхности изделий из алюминиевых сплавов и стали (заявка на изобретение № 2010130248 РФ от 19.07.2010); защитная лаковая композиция для алюминиевых сплавов и способ нанесения лаковой композиции на сложнопрофилированные устройства из алюминиевых сплавов (патент на изобретение № 2142971 РФ от 09.10.1997).
Внедрение результатов исследований. На основании выполненных исследований разработаны практические рекомендации, которые внедрены на ООО «ЭГГЕР-Древпродукт» при реконсервации пожарного резервуара, выполненного из сборного железобетона (акт о внедрении результатов научно-исследовательской работы в ООО «ЭГГЕР-Древпродукт» от 01.09.2008, Ивановская обл., г. Шуя). Экономическая эффективность от внедрения составляет 5% (53 803 руб. в ценах 2008).
Некоторые аспекты диссертационной работы нашли применение:
- при обследовании строительных конструкций сооружений, которые заключаются в повышении коррозионной стойкости железобетонных наливных сооружений и включают в себя исследования массопереноса при жидкостной коррозии цементных бетонов, протекающей по механизмам I (II) видов. Использование полученных результатов позволило определиться с причиной снижения прочности нескольких резервуаров для питьевой воды, содержащих растворы коагулянта и разработать эффективные мероприятия по обеспечению их долговечности (акт о внедрении результатов научно-исследовательской работы в ООО «СТРОЙПРОЕКТЗАЩИТА» Ассоциации «Защита строительных конструкций, зданий и сооружений» от 01.02.2010, г. Москва);
- при проведении экспертизы промышленной безопасности технических устройств и материалов, используемых при их изготовлении, объектов предприятий опасных производств и других промышленных объектов, которые заключаются в повышении коррозионной стойкости бетона и арматуры железобетонных конструкций. Внедрение результатов научных исследований и предложенных мероприятий при проведении экспертизы технических устройств и других опасных производственных объектов позволяет повысить уровень их промышленной безопасности в соответствии с Федеральным законом 116-ФЗ от 21.07.1997 «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» (акт о внедрении результатов научно-исследовательской работы в ООО «НИУИФ-Инжиниринг» от 02.03.2011, г. Москва).
Результаты проведенных исследований позволили апробировать и внедрить в производство следующие практические рекомендации и разработки:
- при проведении подготовки поверхности стальных изделий, в качестве окончательной операции, применяется холодное фосфатирование. Экономическая эффективность от внедрения составляет 6 - 9% от суммы вложенных средств (акт внедрения результатов научно-исследовательской работы в ЗАО «Радугаэнерго» от 12.09.2010, Владимирская обл., г. Радужный);
-разработанный технологический процесс автофоретического осаждения лаковой пленки для защиты от коррозии сложнопрофилированных алюминиевых изделий в особо жестких условиях эксплуатации апробирован и внедрен в производство (акт внедрения результатов научно-исследовательской работы на предприятии АООТ НИИРадиостроения от 28.05.1996, г. Москва). Экономический эффект от внедрения составляет 971 млн. рублей в год (в ценах 1996).
Теоретические положения диссертационной работы и результаты экспериментальных исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров и бакалавров, обучающихся по специальностям: «Промышленное и гражданское строительство», «Водоснабжение и водоотведение», «Теплогазоснабжение и вентиляция», «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» направления подготовки дипломированных специалистов «Строительство», при изучении дисциплин: «Химия», «Физико-химические основы коррозии», «Защита от коррозии», «Антикоррозионная защита металлов»; нашли отражение при составлении 4 учебных пособий с грифами УМО АСВ и Минобрнауки РФ.
Достоверность и обоснованность полученных результатов. Полученные научные положения и выводы, приведенные в работе, основаны на результатах многолетних экспериментов, выполненных с применением комплекса взаимодополняющих, высокоинформативных методов исследований, и их статистической обработки, подтверждены сходимостью результатов вычислительных и натурных данных, а так же их корреляцией с известными закономерностями.
Личный вклад автора. Автором самостоятельно поставлены цели и задачи, выбраны объекты и методы исследований, разработана программа теоретических и экспериментальных изысканий, лично выполнены, обработаны и проанализированы основные результаты, практическая реализация которых так же проводилась при непосредственном участии автора. В совместных работах, выполненных в соавторстве с академиком РААСН, доктором технических наук, профессором С.В. Федосовым, кандидатами технических наук В.А. Хруновым и Н.С. Касьяненко автор лично участвовал в проведении теоретических и экспериментальных исследований и их обсуждении.
На защиту выносятся:
- общность методологического подхода к математическому моделированию массопереноса в пограничном слое «жидкость – твердое тело» в начальный период коррозионной деструкции строительных материалов;
- математические модели массопереноса в процессах жидкостной коррозии цементных бетонов I и II видов на уровне феноменологических уравнений;
- аналитические решения задачи массопереноса в процессах коррозии цементных бетонов I вида в условиях ограниченного объема жидкой фазы;
- аналитические решения задачи массопереноса в процессах коррозии цементных бетонов II вида, с учетом химической реакции второго порядка;
- методика проведения исследований и экспериментальная установка для изучения процессов жидкостной коррозии строительных материалов;
- результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов жидкостной коррозии цементных бетонов I и II видов;
- результаты теоретических и экспериментальных исследований массообменного механизма подвода электролита к поверхности твердой фазы (арматурной стали, алюминиевого сплава);
- практические рекомендации (на уровне изобретений РФ) по повышению коррозионной стойкости объектов строительной индустрии.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации опубликованы в журналах, рецензируемых ВАК Министерства образования и науки РФ: «Строительные материалы» (№7, 2005; №5, 2007; №7, 2008; №2, 2009; №5, 2010; №1, 2011; №5 2011); «Вестник МГСУ» (№4, 2009) «Вестник ВолгГАСУ» (вып. 14 (33), 2009); «Приволжский научный журнал» (№1, 2010); Вестник гражданских инженеров (№4 (25), 2010; №1 (26) 2011); Строительство и реконструкция (№ 4 (30), №6 (32) 2010, №1 (34)2011; №2 (35) 2011); Известия вузов. Химия и химическая технология (т.38, №3, 1995; т.39, №1-2, 1995; т.39, №3, 1996; т.41, №2, 1998, т.54, №6, 2011). В журналах: «Вестник центрального регионального отделения РААСН» (вып. 7. Воронеж-Липецк, 2008); «Ученые записки инженерно-строительного факультета ИГАСУ» (2008); «Вестник Ярославского регионального отделения РАЕН» (том 2. 2008); «Вестник отделения строительных наук» (вып. 13. Москва–Орел, 2009). Доложены на региональной научно-практической конференции «Состояние и перспективы освоения недр, охрана окружающей среды Ярославской области и Верхне-Волжского региона», Ярославль, 2004; на IV международной научно-практической конференции «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии» г. Ростов-на-Дону, 2006; на V всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности, экологии» г. Тула, 2006; на XIII, ХIV , XV, ХVI, ХVII международных научно-технических конференциях «Информационная среда вуза» г. Иваново, 2006-2010; на всероссийской научно-технической конференции «Современные инновационные технологии и оборудование» г. Тула, 2006; на международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития энерготехнологии: XIV Бенардосовские чтения» г. Иваново, 2007; на международной научной конференции «Теоретические основы создания, оптимизации и управления энерго- и ресурсосберегающими процессами и оборудованием», посвященной 50-летию кафедры «Машины и аппараты химических производств» факультета «Химической техники и кибернетики» ИГХТУ г. Иваново, 2007; на V международной научно-технической конференции «Итоги строительной науки» г. Владимир, 2007; на международном симпозиуме «Межрегиональные проблемы экологической безопасности» Украина, г. Одесса, 2007; на международной научно-практической конференции «Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре» г. Липецк, 2007; на I, II международных научных конференциях «Современные методы в теоретической и прикладной электрохимии», г. Плес, Ивановская область, 2008, 2010; на V Международной конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов», Волгоград, 2009; на XIII международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» г. Пенза, 2009; на межвузовских научных семинарах «Актуальные вопросы противопожарного водоснабжения», г. Иваново, 2009, 2010; на конференции «Актуальные вопросы общей и специальной химии», г. Иваново, 2010, 2011; на международной научной конференции «Физико-химические основы строительного материаловедения», посвященной 85-летию профессора В.И. Бабушкина, Украина, г. Харьков, 2010; на академических чтениях «Актуальные проблемы бетона и железобетона (материалы и конструкции, расчет и проектирование), г. Ростов-на-Дону, 2010; на международной научной конференции «Фундаментальные аспекты коррозионного материаловедения и защиты металлов от коррозии», посвященной 100-летию Г.В. Акимова, г. Москва, 2011.
По материалам выполненных исследований опубликовано 94 работы, в том числе в изданиях, включенных в перечень ВАК Минобрнауки РФ, опубликовано 23 работы (21 научная статья и 2 патента на изобретения РФ), издано 4 учебных пособия с грифами УМО АСВ и Минобрнауки РФ, получено 2 патента на полезную модель РФ, подано 5 заявок на изобретения РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка. Основной текст работы изложен на 327 страницах, содержит 108 рисунков, 43 таблицы, 15 приложений. Список литературы включает 557 наименований.
