Математическая теория процессов коррозии бетона
Борис Владимирович ГУСЕВ, член-кор. РАН, доктор технических наук, профессор.
ФГБОУ ВО «Российский университет транспорта (МИИТ)», 127994 Москва, ул. Образцова, 9, стр. 9
Александр Соломонович ФАЙВУСОВИЧ, доктор технических наук, профессор.
Международная инженерная академия, 125009 Москва, Газетный пер., 9, стр. 4
Аннотация. Прогнозирование процессов деградации конструкций, определяющих их безопасную эксплуатацию (особенно в агрессивных средах), представляет собой задачу государственной важности, учитывая значительные объемы конструкций, гарантированный срок эксплуатации которых исчерпан. В статье сформулированы основные направления совершенствования математической теории коррозии бетона. Для коррозии химического типа они включают в себя: учет фазовых превращений, двойную систему пористости и использование в качестве исходных данных для прогнозирования процессов деградации экспериментальных данных о распределении агрессивных компонентов по глубине слоя бетона эксплуатируемых конструкций. Функция скорости связывания агрессивного компонента при таком подходе получает теоретическое обоснование. Разработка общих положений принципов построения математических моделей, методов прогнозирования процессов деградации конструкций позволяет объединить исследования в этой области и представить их в качестве математической теории процессов коррозии бетона.
Ключевые слова: коррозия бетона, фазовые превращения, двойная система пористости, задача Стефана, прогнозирование,
деградация.
В настоящее время объем бетонных и железобетонных конструкций, находящихся в эксплуатации, в России составляет ориентировочно 1,5 млрд м3. С увеличением продолжительности эксплуатации возрастает объем конструкций, срок безопасной эксплуатации которых согласно нормам, действовавшим во время строительства, исчерпан. Поэтому вопросы прогнозирования процессов деградации конструкций (прежде всего в условиях различных агрессивных воздействий), определяющих безопасность их эксплуатации, представляют собой проблему государственного значения.
Одним из наиболее актуальных направлений исследований в этой области является разработка математических моделей процессов коррозии и на их основе — инженерных методик прогнозирования, рассчитанных на массового потребителя.
Согласно действующим стандартам при прогнозировании определению подлежат: глубина нейтрализованного слоя бетона на заданный срок эксплуатации и время достижения критической (пороговой) концентрации агрессивного компонента на границе с арматурой.
В статье анализируются виды коррозии, относящиеся к химическому типу (Chemical Damage), — сульфатная, карбонатная, хлоридная коррозия, выщелачивание, в том числе при фильтрации.
Разработка математических моделей осуществляется на основе механизма процесса, представленного в виде последовательности стадий, кинетика протекания которых в данном случае описывается законами физической химии. При этом должны учитываться особенности структуры порового пространства бетона и характер распределения частиц химически активного вещества в цементной матрице.
В моделях должны учитываться фазовые превращения в процессах коррозии, число которых для сульфатной коррозии равно трем.
На основе анализа экспериментальных данных принято, что в процессах гетерогенных химических реакций контролирующей стадией является подвод жидкой фазы к подвижной границе раздела фаз при кислотном воздействии и отвод в случае выщелачивания в мягкой воде, связанного с растворением. При выборе теории, характеризующей кинетику процесса кристаллизации, необходим учет условия непрерывности и баланса веществ на границах с другими стадиями.
Далее приводится анализ известных моделей, используемых для прогнозирования. Наибольшее распространение для описания процесса нейтрализации слоя бетона во времени получило решение задачи Стефана [1—4]. В ней рассматривается процесс нейтрализации слоя щелочного металла под воздействием кислоты. Подвижная граница раздела фаз остается плоской. На границе общая концентрация агрессивного вещества и концентрация в связанном состоянии равны нулю. Использование указанной зависимости для описания процесса нейтрализации бетона связано с введением некоторых допущений. Наличие капиллярной пористости означает, что все нейтрализуемые частицы из цементной матрицы перемещаются в капилляры, расстояние между которыми может достигать 10 радиусов. Именно по этой причине на начальном временном интервале наблюдается значительное отклонение расчетных значений от экспериментальных. Принято положение, что при продолжительности испытания 180 сут устанавливается режим, соответствующий расчетному. Однако оно также не оправдывается во многих случаях [1—7].
Источник: ПРОМЫШЛЕННОЕ И ГРАЖДАНСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО 7/2019