Довговічність бетону в умовах дії сульфатних розчинів і температури

Abstract

UK: У дисертаційній роботі викладено науково-обґрунтовані результати досліджень, спрямованих на розв’язання актуальної задачі забезпечення довговічності бетону в умовах дії сульфатних розчинів з урахуванням температури середовища. Існуючі дослідження підтверджують, що проектування залізобетонних конструкцій з урахуванням зміни характеристик бетону під впливом корозійних процесів дозволяє підвищити ефективність антикорозійного захисту. Сульфатна корозія є складним процесом та залежить від багатьох факторів, які пов’язані зі мінералогічними характеристиками цементу, складом бетону, наявністю активних домішок, концентрацією агресивної речовини та температури середовища. Тим не менше, як норми по захисту залізобетонних конструкцій від корозії, так і наявні дослідження, не враховують вплив температури експлуатаційного середовища на інтенсивність протікання корозійних процесів. На основі аналізу даних про сучасні методи моделювання процесу корозії та прогнозування довговічності бетону в умовах агресивного впливу сульфатних розчинів встановлено, що існуючі залежності не враховують вплив температури експлуатаційного середовища на кінетику корозійного процесу. З використанням відомих досліджень та відомостей про механізм корозії бетону в рідких середовищах було запропоновано математичні 3залежності, що описують кінетику процесу та розроблено алгоритм прогнозування зміни міцності бетону при сульфатній корозії з урахуванням температури середовища. Особливості проникнення агресивних речовин враховуються шляхом введення ефективного коефіцієнту дифузії в твердому тілі, який відображає вплив параметрів структури бетону, а також температури на просування дифузійних іонів. На основі закону Арреніуса отримано залежність коефіцієнта дифузії іонів у водному розчині від температури та графікизалежності коефіцієнта дифузії сульфатів в бетоні від температури середовища. Встановлено, що коефіцієнт дифузії іонів сильно залежить від температури. При температурі близької до нуля, дифузія фактично відсутня. В інтервалах температури від 1 до 15 ºС коефіцієнт дифузії інтенсивно збільшується. При значеннях 20-30 ºС вплив температури на процес дифузії стає менш істотним. Для прогнозування зміни міцності бетону при сульфатній корозії з урахуванням температури середовища було розроблено алгоритм прогнозування зміни міцності бетону при сульфатній корозії з урахуванням температури середовища. В результаті чисельного експерименту отримані дані щодо розподілу концентрацій взаємодіючих речовин (сульфат-іонів, іонів кальцію, гідроалюмінату кальцію та зв’язаних сульфат-іонів) по глибині бетону від його зовнішньої поверхні. Запропоновано математичну модель прогнозування руйнування захисного шару бетону продуктами корозії арматури. Встановлено зв'язок між геометричними параметрами конструкції, механічними властивостями бетону і ступенем корозії арматури, що викликає руйнування захисного шару. Призначення раціональної величини захисного шару бетону, заходи щодо забезпечення проектної величини захисного шару при виготовленні залізобетону і підвищення міцності при розтягуванні бетону в захисному шарі, поряд із щільністю бетону, мають вирішальне значення для підвищення довговічності залізобетонних конструкцій. Оцінка оптимальної величини захисного шару, зроблена виходячи з умов його руйнування накопичуються 4продуктами корозії арматури, збігається з нормованими товщинами захисних шарів, що встановлюються на основі тривалої експлуатації залізобетонних конструкцій. Проаналізовані та систематизовані основні фактори формування температурного режиму ґрунтів, які включають процесів надходження, переносу, акумуляції і віддачі тепла. Сформульовано рівняння теплового балансу ґрунту. Виходячи з відомих даних щодо повного теплового балансуповерхні ґрунту, запропоновано аналітичну розрахункову модель розподілу температури ґрунту по глибині, що включає довгохвильове випромінювання, короткохвильове випромінювання (сонячна радіація, що поглинається поверхнею), теплопровідність ґрунту (здатність ґрунту проводити теплоту від нагрітих шарів до холодних), конвективний теплообмін та ефект випаровування. Для прогнозування довговічності бетону при сульфатній корозії в ґрунтах запропонована розрахункова модель розподілу температури ґрунту по глибині. З урахуванням розподілу температури по глибині ґрунту на прикладі м. Дніпро були отримані ізополя ушкодження захисного шару бетону через 10, 50 та 100 років експлуатації в умовах сульфатної корозії при концентрації 2 4 SO  15, 30 та 50 г/л та виконано оцінку зміни несучої здатності залізобетонної палі в умовах сульфатної корозії. Теоретична несуча здатність через 100 років експлуатації зменшується на 29 – 33,3% при концентрації 2 4 SO  =15 – 50 г/л, відповідно. При проектуванні бетонних і залізобетонних конструкцій, призначених для експлуатації в агресивних середовищах, довговічність повинна забезпечуватися, головним чином, засобами первинного захисту. Критерієм забезпечення довговічності бетону в умовах сульфатної корозії є зниження міцності та руйнування захисного шару. У рідких агресивних середовищах стійкість бетону визначається його технологічними параметрами (мінералогічний склад цементного клінкеру, склад цементу та проникність бетону). Застосування заповнювачів з карбонатних порід за рахунок 5особливостей їх фізико-хімічної взаємодії з цементом дозволяє отримати бетони підвищеної сульфатостійкості. Приведені результати довготривалих експериментальних досліджень корозійної стійкості бетону на карбонатних заповнювачах. В бетонних сумішах варіювався вміст карбонатного піску і пилоподібних частинок. Окремо було виготовлено серію зразків для порівняльного аналізу, які витримувались у воді. Проведено візуальне обстеження та випробування на стиск зразків через 30 років експонування в сульфатному розчині Na2SO4 з концентрацією 5% та воді. Встановлено, що через 30 років випробувань міцність на стиск зразків на карбонатному піску в 1.7 - 3.4 разів вище, ніж зразків на кварцовому піску. В результаті чисельного експерименту отримані дані щодо довговічності бетону на карбонатних заповнювачах з урахування температури середовища. Встановлено, що використання в якості заповнювача карбонатного піску веде до зменшення прогнозної глибини ушкодження до 2.3 – 2.7 см при температурі 25ºС та концентрації 24SO=30 г/л та 3.0 – 3.5 см при концентрації 2 4 SO =50 г/л; відповідно, при температурі 15ºС до 2.1 – 2.4 см та 2.7 – 3.1 см. Чисельний експеримент з оцінки довговічності бетону на карбонатних заповнювачах з урахування температури середовища показав, що використання в якості заповнювача карбонатного піску веде до зменшення прогнозної глибини ушкодження на 22 – 23 %. На основі аналізу чинних норм щодо захисту залізобетонних конструкцій від корозії сформульовано вимоги до заходів по забезпеченню довговічності бетону в умовах сульфатної корозії залежно від характеристик агресивності середовища. Обґрунтування захисних заходів та вибору матеріалів для забезпечення довговічності бетону та залізобетону виконується шляхом техніко-економічного порівняння варіантів конструктивно-технологічних рішень з урахуванням прогнозованого терміну експлуатації та витрат на виконання антикорозійного захисту. 6На прикладі улаштування пальового фундаменту для малоповерхового індивідуального житлового будинку встановлено, що застосування бетону на карбонатному піску дозволяє знизити вартість бетону на його виготовлення на 8%, порівняно з використанням бетону на кварцовому піску, що підтверджує ефективність запропонованих заходів із забезпечення необхідної довговічності.

EN: The thesis is devoted to the solution of actual problem of maintenance of durability of concrete in the conditions of sulphate corrosion taking into account temperature of environment. Existing studies confirm that the design of reinforced concrete structures taking into account changes in the characteristics of concrete under the influence of corrosion processes can increase the effectiveness of corrosion protection. Sulfate corrosion is a complex process and depends on many factors related to the mineralogical characteristics of the cement, the composition of the concrete, the presence of active impurities, the concentration of the aggressive substance and the ambient temperature. Based on the analysis of data on modern methods of modeling the corrosion process and predicting the durability of concrete under aggressive exposure to sulfate solutions, it is established that the existing dependencies do not take into account the effect of environment temperature on the 7kinetics of the corrosion process. Using the well-known research and information on the mechanism of corrosion of concrete in liquid media, mathematical dependences describing the kinetics of the process were proposed and an algorithm for predicting changes in concrete strength during sulfate corrosion taking into account the ambient temperature was developed. Features of penetration of aggressive substances are considered by introduction of effective coefficient of diffusion in a solid body which reflects influence of parameters of structure of concrete, and also temperature on advance of diffusion ions. Based on Arrhenius' law, the dependence of the diffusion coefficient of ions in liquid solution on temperature and the dependence of the diffusion coefficient of sulfates in concrete on the ambient temperature are obtained. It is established that the diffusion coefficient of ions strongly depends on temperature. At temperatures close to zero, diffusion is practically absent. In the temperature range from 1 to 15 ºC the diffusion coefficient increases intensively. At values of 20-30 ºC, the effect of temperature on the diffusion process becomes less significant. To predict the change in the strength of concrete during sulfate corrosion taking into account the temperature of the environment, an algorithm for predicting the change in the strength of concrete during sulfate corrosion taking into account the temperature of the environment was developed. As a result of the numerical experiment, data were obtained on the distribution of concentrations of interacting substances (sulfate ions, calcium ions, calcium hydroaluminate and bound sulfate ions) along the depth of concrete from its outer surface. A mathematical model for predicting the destruction of the protective layer of concrete by reinforcement corrosion products is proposed. The dependences were obtained between the geometric parameters of the structure, the mechanical properties of concrete and the degree of corrosion of the reinforcement, which causes the destruction of the protective layer. The prescription of a rational value of the protective layer of concrete, measures to ensure the design value of the protective layer in the manufacture of reinforced concrete and increase the tensile 8strength of concrete in the protective layer, along with concrete density, are crucial to increase the durability of reinforced concrete structures. Estimation of the optimal size of the protective layer, made on the basis of the conditions of its destruction of the accumulated corrosion products of reinforcement, coincides with the normalized thicknesses of the protective layers, which are installed on the basis of long-term operation of reinforced concrete structures. The main factors of soil temperature regime formation, which include the processes of heat supply, transfer, accumulation and heat transfer, are analyzed and systematized. The equation of soil heat balance is formulated. Based on the known data on the total thermal balance of the soil surface, an analytical calculation model of soil temperature distribution over depth is proposed. The model considers long- wave radiation, short-wave radiation (solar radiation absorbed by the surface), soil thermal conductivity (soil heat dissipation), convective heat transfer and evaporation effect. To predict the durability of concrete with sulfate corrosion in soils, a calculated model of soil temperature distribution by depth is proposed. Taking into account the temperature distribution along the depth of the soil on the example of Dnipro, isofields of damage to the protective layer of concrete after 10, 50 and 100 years of operation in conditions of sulfate corrosion at a concentration of 15, 30 and 50 g/l were obtained. The assessment of the load-bearing capacity of pile in the conditions of sulfate corrosion was conducted. Theoretical bearing capacity after 100 years of operation decreases by 29 - 33.3% at a concentration = 15 - 50 g / l, respectively. When designing concrete and reinforced concrete structures intended for operation in aggressive environments, durability should be provided mainly by means of primary protection. The criterion for ensuring the durability of concrete in conditions of sulfate corrosion is a decrease in strength and destruction of the protective layer. In liquid aggressive environment, the durability of concrete is determined by its technological parameters (mineralogical composition of cement clinker, cement composition and permeability of concrete). The use of aggregates 9from carbonate rocks due to the peculiarities of their physical and chemical interaction with cement allows obtaining concretes of high sulfate resistance. The results of long-term experimental studies of corrosion resistance of concrete on carbonate aggregates are presented. The content of carbonate sand and dust particles varied in concrete mixtures. A series of samples for comparative analysis, which were kept in water, was prepared separately. A visual inspection and compression test of the samples after 30 years of exposure to a sulfate solution of Na2SO4 with a concentration of 5% and water. It was found that after 30 years of testing the compressive strength of samples on carbonate sand is 1.7 - 3.4 times higher than samples on quartz sand. As a result of the numerical experiment, data on the durability of concrete on carbonate aggregates were obtained consideringthe environment temperature. It was found that the use of carbonate sand as anaggregate leads to a decrease in the predicted depth of damage to 2.3 - 2.7 cm at a temperature of 25ºC and a concentration 2 4 SO =30 g/l and 3.0 - 3.5 cm at a concentration 2 4 SO  =50 g/l; respectively, at a temperature of 15ºC to 2.1 - 2.4 cm and 2.7 - 3.1 cm. Numerical experiment was performed to assess the durability of concrete on carbonate aggregates based on the environment temperature and showed that the use of carbonate sand as an aggregate leads to a decrease in the predicted depth of damage by 22 - 23%. Based on the analysis of current standards for the protection of reinforced concrete structures against corrosion, the requirements for measures to ensure the durability of concrete in conditions of sulfate corrosion, depending on the characteristics of the aggressiveness of the environment, were formulated. Substantiation of protective measures and choice of materials to ensure the durability of concrete and reinforced concrete is performed by technical and economic comparison of design and technological solutions, taking into account the estimated service life and the cost of corrosion protection. On the example of laying a pile foundation for a low-rise individual house, it was found that the use of concrete on carbonate sand reduces the cost of concrete 10for its manufacture by 8% compared to the use of concrete on quartz sand, which confirms the effectiveness of the proposed measures to ensure durability.