Введение к работе
Актуальность работы. Бетон является одним из самых распространенных материалов в строительстве жилых, промышленных, гидротехнических, санитарно-технических и многих других сооружений в самых различных условиях эксплуатации.
Основоположником науки о коррозии бетонов является профессор В.М. Москвин, который разделил эти многочисленные процессы на три вида. Прогнозирование долговечности и оценка скорости коррозии бетона сводится к исследованию особенностей взаимодействия агрессивной среды с бетоном, выявлению лимитирующих стадий коррозионного процесса, определению параметров критического состояния бетона, получению эмпирических характеристик, разработке математических моделей процессов коррозии бетона.
Процессы коррозии второго вида развиваются с большой скоростью и представляют значительную опасность для бетонных и железобетонных конструкций, под воздействием водных растворов веществ, образующих с компонентами цементного камня практически нерастворимые аморфные продукты (например, гидроксид магния).
С физико-химической точки зрения коррозия второго вида включает в себя следующие процессы: химическое взаимодействие агрессивного вещества с растворенным в порах бетона гидроксидом кальция («свободным гидроксидом кальция» по терминологии академика РААСН С.В. Федосова) на поверхности бетона; диффузию гидроксида кальция через пористую структуру бетона к поверхности реагирования до момента достижения концентрации начала разложения высокоосновных соединений; продвижение зоны фронта реакции гидроксида кальция внутрь бетона с появлением продукта реакции; проникновение агрессивного компонента из раствора в пористую структуру бетона, через слой продукта реакции; химические реакции разложения высокоосновных соединений цементного камня с образованием растворимых или аморфных продуктов; диффузию растворимых продуктов реакции к поверхности раздела «жидкость – бетон» и массоперенос в жидкую среду.
В настоящее время мало изучены начальные периоды коррозионного разрушения, которые протекают на границе раздела фаз «бетон-жидкость».
Методы математического моделирования при исследовании процессов коррозии бетона еще не достаточно широко применяются на практике, хотя их преимущества очевидны. Поэтому изучение процессов коррозии бетона является актуальной задачей с научной и практической точек зрения.
В Ивановском государственном архитектурно-строительном университете в соответствии с научным направлением, развиваемым на кафедре «Строительное материаловедение и специальные технологии» в рамках плана НИР и ОКР ИГАСУ и при поддержке гранта Минобразования РФ шифр 91-21-2, 4-109 в области архитектуры и строительных наук выполнялась работа по исследованию процессов массопереноса при жидкостной коррозии второго вида цементных бетонов.
Коррозия второго вида рассмотрена на примере взаимодействия цементного камня с водными растворами магнезиальных солей.
Цель работы: установление и обобщение закономерностей массопереноса при жидкостной коррозии цементных бетонов, протекающих по механизму второго вида. Определение основных параметров (коэффициентов массопроводности, массоотдачи), изучение кинетики и динамики исследуемого процесса. Моделирование диффузии гидроксида кальция в гетерогенной системе «бетон-жидкость». Проверка адекватности полученной математической модели реальным физико-химическим процессам. Разработка на основании полученных экспериментальных данных научно обоснованных рекомендаций по повышению коррозионной стойкости железобетонных конструкций к воздействию жидких агрессивных сред и применение их на практике (при проведении обследований строительных объектов).
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. изучение современного уровня развития науки в области коррозии бетона;
2. разработка физико-математической модели процесса диффузии целевого компонента (гидроксида кальция) в твердой фазе бетона с учетом химического воздействия жидкой агрессивной среды, которая позволяет получить решения краевой задачи массопереноса в системе «бетон - жидкость» и дает возможность расчета одновременно кинетики и динамики массопереноса;
3. постановка и проведение численного эксперимента с целью изучения влияния коэффициентов внутреннего (массопроводности) и внешнего (массоотдачи) массопереноса на кинетику и динамику процесса;
4. постановка и проведение натурного эксперимента для проверки адекватности предлагаемой математической модели и разрабатываемого инженерного метода расчета;
5. разработка практических рекомендаций для более рациональной эксплуатации бетонных конструкций.
Научная новизна:
разработана математическая модель массопереноса в процессах коррозии 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;
разработана математическая модель динамики процесса массопереноса гидроксида кальция учитывающая внутреннюю диффузию и внешнюю массотдачу в жидкую агрессивную среду с учетом химической реакции, на границе раздела фаз;
получены аналитические решения задачи массопереноса в процессах коррозии бетона II вида для системы «бетон - жидкость», позволяющие рассчитывать концентрации гидроксида кальция в твердой и жидкой фазах, концентрации продуктов реакций, продолжительность процесса коррозии бетона II вида;
разработана методика исследования, позволяющая определить продолжительность процесса коррозии бетона II вида, т.е. когда выходит свободный гидроксид кальция на начальном этапе коррозии до момента начала разложения высокоосновных составляющих бетона;
определены значения коэффициентов массопроводности и массоотдачи для рассматриваемой системы.
Практическая значимость.
Разработанная на базе математической модели инженерная методика расчета позволяет рассчитывать динамику полей концентраций гидроксида кальция по толщине бетонной конструкции, а также кинетику массопереноса в твердой и жидкой фазах, что дает возможность в конечном итоге определить продолжительность процесса коррозии II вида.
Экспериментальная установка для исследования процессов коррозии строительных материалов, защищенная Патентом 71164 Российской Федерации и разработанная методика, позволяют изучать кинетику и динамику массопереноса при коррозии, как первого, так и второго видов.
Определены временные зависимости потоков переносимого «целевого» компонента (гидроксида кальция), которые позволяют прогнозировать продолжительность процесса коррозии бетона II вида.
Проведенные исследования показали адекватность разработанной математической модели реальному физическому процессу, и дали возможность определить время и условия достижения концентрации вещества в твердой фазе, соответствующей завершению начального периода процесса коррозии бетона II вида, когда концентрация гидроксида кальция достигает значений начала разложения высокоосновных составляющих бетона.
На защиту выносятся:
математическая модель массопереноса в процессах коррозии бетона II вида на уровне феноменологических уравнений;
аналитические решения задачи массопереноса в процессах коррозии бетона II вида для системы «бетон - жидкость», с учетом химической реакции;
методика проведения исследований для изучения процессов коррозии строительных материалов;
результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов коррозии бетона II вида.
Апробация работы и публикации.
Основные положения диссертации были доложены и опубликованы на V научной конференции аспирантов и соискателей г. Иваново, 2007 г.; в Вестнике центрального регионального отделения РААСН, Выпуск 7, Воронеж-Липецк, 2008 г.; в журнале «Строительные материалы», №7, Москва, 2008 г.; в Ученых записках инженерно-строительного факультета, Иваново, 2008 г.; на ХV международной научно-технической конференции «Информационная среда вуза» г. Иваново, 2008 г.; в Вестнике отделения строительных наук выпуск №13, Москва–Орел, 2009 г.; на V Международной конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов», Волгоград, 2009 г; в Вестнике ВолгГАСУ, серия «Строительство и архитектура», раздел «Строительные материалы и изделия», вып. 14 (33). Волгоград. 2009 г; на научно - практической конференции студентов и молодых ученых ИГМА «Неделя науки – 2009», посвященной 120-летию со дня рождения профессора Н.М. Иценко, Иваново. 2009 г; на ХVI международной научно-технической конференции «Информационная среда вуза» г. Иваново, 2009 г.; Известиях ОрелГТУ, серия «Строительство и реконструкция», раздел «Строительные материалы и технологии», вып. № 4 (30) (июль-август), Орел, 2010 г.; на I Академических чтениях «Актуальные проблемы бетона и железобетона. Материалы и конструкции. Расчет и проектирование», Ростов-на-Дону, 2010 г.
По материалам выполненных исследований опубликовано 13 работ, в том числе в изданиях, включенных в перечень ВАК, опубликовано 3 работы, подана заявка на патент РФ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованной литературы. Текст работы изложен на 133 страницах, содержит 22 рисунка, 7 таблиц, 3 приложения. Список литературы включает 182 наименования.
Похожие диссертации на Процессы массопереноса при жидкостной коррозии второго вида цементных бетонов
