Введение к работе
Аюуалыюсть работы. Опыт эксплуатации конструкций из бетона, применяемых с конца 80-х г.г. XIX века, показывает, что бетон по долговечности и надежности сравним с природными каменными материалами. Но одновременно с этим, встречаются случаи преждевременного разрушения бетона 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 массив научных данных о коррозионных процессах, протекающих в бетонах 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 бетона в строительстве.
Основоположником науки о коррозии бетона профессором В.М. Москвиным многочисленные процессы, протекающие при коррозии бетона, были классифицированы на три основных вида и указаны основные пути повышения коррозионной стойкости бетона.
Первая группа (коррозия I вида) объединяет все те коррозионные процессы, которые возникают в бетоне под действием воды, когда составные части цементного камня растворяются и вымываются жидкостью.
Вторая группа (коррозия II вида) объединяет все те процессы коррозии, которые развиваются в бетоне при действии вод, содержащих химические вещества, вступающие в обменные реакции с составляющими цементного камня. Продукты реакции при этом либо легко растворяются и вымываются водой, либо в виде аморфной массы отлагаются в порах и капиллярах цементного камня, на начальном этапе выступая в роли ингибитора коррозионного разрушения.
Научный консультант: к.т.н., доцент Румянцева Варвара Евгеньевна
Третья группа (коррозия III вида) объединяет все те процессы коррозии, при развитии которых в микропустотах бетона происходит накопление малорастворимых солей, кристаллизация которых вызывает возникновение значительных растягивающих напряжений и итоговое разрушение.
В процессах коррозии бетона скорость разрушения определяется процессами массопереноса. Процессы массообмена являются одним из важнейших разделов современной науки и имеют большое практическое значение в строительном материаловедении.
Изучение кинетики и динамики развития процессов коррозии бетона позволяет:
определить условия возникновения деструктивных процессов, причины их ускорения или ослабления;
разработать математические модели процессов коррозии бетона первого вида и методы определения долговечности бетонных и железобетонных строительных конструкций.
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.
Работа выполнялась 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 ИГ АСУ и при поддержке фанта Минобразования РФ шифр 91-21-2,4-109 в области архитектуры и строительных наук.
Цель работы: теоретическое и экспериментальное исследование процессов жидкостной коррозии первого вида цементных бетонов, разработка и проверка адекватности математической модели процесса, выработка рекомендаций, позволяющих повысить долговечность бетонов.
Научная новизна:
разработана математическая модель массопереноса в процессах коррозии бетона первого вида на уровне феноменологических уравнений;
разработанная математическая модель динамики процесса массопереноса гидроксида кальция учитывает внутреннюю диффузию и внешнюю массотдачу в жидкую среду с ограниченным объемом;
получены аналитические решения задачи массопереноса в процессах коррозии бетона первого вида для системы «бетон-жидкость» в условиях ограниченного объёма жидкой среды, позволяющие рассчитывать концентрации гидроксида кальция в твердой и жидкой фазах, время завершения процесса коррозии бетона первого вида;
учтена взаимосвязь системы «бетон-жидкость» при расчетах кинетики процесса по твердой и жидкой фазам;
разработана методика исследования, позволяющая просчитать момент завершения процесса коррозии бетона первого вида;
на уровне патента РФ разработана конструкция установки для исследования процессов коррозии строительных материалов;
проведены экспериментальные исследования процессов в лабораторных условиях;
определены средние значения коэффициентов массопроводности и массоотдачи для рассматриваемой системы.
Практическая значимость.
Представленная математическая модель массопроводности позволяет рассчитать динамику полей концентраций гидроксида кальция по толщине бетонной конструкции.
Математическая модель с помощью методов интегральных преобразований Лапласа позволяет получать решения удобные для области малых значений диффузионных чисел Фурье.
Разработана методика и конструкция экспериментальной установки для исследования процессов коррозии строительных материалов, защищенная патентом РФ.
Выполнены экспериментальные исследования с целью изучения кинетики и динамики массопереноса в рассматриваемой системе.
Определены временные зависимости потоков переносимого компонента (гидроксида кальция).
Рассчитаны средние значения коэффициентов массопроводности и массоотдачи.
Проведенные исследования показали возможность применения разработанной математической модели для расчета кинетики процесса перехода гидроксида кальция из твердой фазы в жидкую и дали возможность определить время достижения концентрации вещества в твердой фазе, соответствующей завершению процесса коррозии бетона первого вида, т.е. времени выхода гидроксида кальция до его содержания, соответствующего началу разложения высокоосновных составляющих бетона
На защиту выносятся:
математическая модель массопереноса в процессах коррозии бетона первого вида на уровне феноменологических уравнений;
аналитические решения задачи массопереноса в процессах коррозии бетона первого вида для системы «бетон-жидкость» в условиях ограниченного объёма жидкой среды;
методика проведения исследований и конструкция экспериментальной установки для изучения процессов коррозии строительных материалов;
результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов коррозии бетона первого вида.
Апробация работы и публикации.
Основные положения диссертации были доложены и опубликованы на IV международной научно-практической конференции «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии» г. Ростов-на-Дону, 2006 г.; на V всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности, экологии» г. Тула, 2006 г.; на XIII международной научно-технической конференции «Информационная среда вуза» г. Иваново, 2006 г.; на всероссийской научно-технической конференции «Современные инновационные технологии и оборудование» г. Тула, 2006 г.; на V научной конференции аспирантов и соискателей г. Иваново, 2007 г.; на международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития энерготехнологии: XIV Бенардосовские чтения» г. Иваново, 2007 г.; 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 г.; на V международной научно-технической конференции «Итоги строительной науки» г. Владимир, 2007 г.; на XIV международной научно-технической конференции «Информационная среда вуза» г. Иваново, 2007 г.; на международной научно-практической конференции «Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре» г. Липецк, 2007 г.; в Вестнике центрального регионального отделения РААСН. Выпуск 7. Воронеж-Липецк, 2008 г.; в Вестнике Ярославского регионального отделения РАЕН. Том 2. Ярославль, 2008 г.
По материалам выполненных исследований опубликовано 15 работ, получен патент РФ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы. Текст работы изложен на страницах, содержит рисунков, таблиц, приложений.
