Б.В. ГУСЕВ, д-р техн. наук, проф. (Москва МГУПС), Развитие фронта коррозиии бетона в агрессивных средах
В последние годы были существенно уточнены существующие и предложены новые классы математических моделей процессов коррозии бетона в различных агрессивных средах [1-3]. Таким образом, создана теоретическая основа для совершенствования ранее разработанных и создания новых методик исследований. Указанное позволяет более глубоко проанализировать результаты ранее выполненных экспериментов.
До последнего времени теоретически и экспериментально исследовался главным образом случай коррозии бетонов в жидких агрессивных средах полностью насыщенных жидкостью бетонов. Было установлено, что в этом случае образуется линейный подвижный фронт коррозии, на котором соблюдается условие:
Из условия (1) следует, что разность плотностей потоков масс, соответствующих растворам веществ С1, С2, равна приращению количества растворяющегося компонента ш0 при перемещении фронта x = ri(t) на dq за время dt.
Известное решение на основе гипотезы Тааманна получено из (1) при условии С2 = 0 [8]. Более строгое решение с учетом граничного условия (1) приведено в [1]. В ряде случаев при С1 > 0,01 г/л влиянием С2 можно пренебречь, тогда
В отличие от приведенной в [8] формула (2) учитывает величину пористости, т.е. в конечном счете вид напряженного состояния, причем величина коэффициента диффузии соответственно равна DEn. Если в граничном условии (1) положить С1 = 0, то получим случай обычного выщелачивания. Формально получается, что фронт выщелачивания остается линейным, а в формуле (2) следует принять вместо С1 величину (С20 - С2), где С20 - растворимость гидроксида кальция. Однако анализ имеющихся экспериментальных данных показывает, что в случае обычного выщелачивания, а также обычного или кислотного выщелачивания при фильтрации зависимость (2) становится неприменимой [6-7]. Математические модели, раскрывающие механизм образования и развития фронта коррозии для указанных случаев, рассмотрены в [2, 3].
Принципиальное отличие разработанных моделей заключается в том, что в них в явной форме учитываются структурные характеристики порового пространства бетона, по внутренней поверхности которого происходит процесс коррозии. Бетон рассматривается в качестве капиллярнопористой среды. Она включает в общем случае сквозные капилляры и поры, через которые возможен диффузионный массоперенос и/или фильтрация. Используя экспериментально определяемые величины пористости, фильтрации и капиллярного впитывания, можно определить размеры структурного элемента радиуса L, имеющего непроницаемую внешнюю границу, и эквивалентный радиус г0 поры или капилляра в центре, по которым осуществляется перенос раствора С1. В этом случае процесс коррозии, протекающий в структурном элементе, в среднем совпадает с процессом во всем объеме бетона (рис. 1).
При этом вокруг поры или капилляра образуется цилиндрический фронт коррозии. Зависимость (1 Достается справедливой и при замене линейной координаты х на радиальную г. При ряде уместных упрощений была получена зависимость для определения координаты подвижного фронта коррозии [2,3]:
В процессе капиллярного всасывания ионы растворенных веществ частично адсорбируются на внутренней поверхности порового пространства бетона. Поэтому после окончания влагонасыщения некоторое время продолжается процесс диффузионного массопереноса, который описывается зависимостью:
На рис. 3 четко выделяются участки капиллярного всасывания и диффузионного массопереноса, которые достаточно точно описываются приведенными выше зависимостями (6-8). Соответственно процессы коррозии, описываемые логарифмической зависимостью, легко устанавливаются (зона III) на основе количественного анализа.
Удобство демонстрации результатов экспериментов в интегральной форме определяется прежде всего возможностью четкого представления зарождения и продвижения фронта коррозии во времени. Особого внимания заслуживают специально выполненные исследования процессов коррозии в растворах различной концентрации соляной и серной кислот.
В основу методики обработки экспериментальных данных положена зависимость (2). Дополнительно учтем, что количество связанного в процессе химической реакции в заданный интервал времени СаО представлено величиной ДО, мг/см2. Нетрудно показать, что величина испытаний образцов бетона в модельной “морской” воде [7]. Для удобства анализа они представлены в интегральной форме.
На основании закона действующих масс можно установить зависимость между количеством связанной окиси кальция и раствором кислоты заданной концентрации. Таким образом, по сути, разыскивается зависимость между x(t) и величиной с/, полагая, что остальные параметры зависимостей (2) являются в данных условиях постоянными.
Результаты обработки экспериментальных данных [4,5] показаны на рис. 5-8. Для наглядности они представлены в форме (с/)1/2 и ln(cf). Из результатов обработки экспериментальных данных следует, что зависимость (ct)1/2 справедлива только на начальной стадии процесса.
Из сравнения зависимостей, показанных на рис. 5-7, следует, что отклонение от теоретической зависимости (2) начинается при одинаковых значениях AQ. Причем суммарные значения определяются суммой двух процессов, описываемых зависимостями (2) и (6).
Для случая сульфатной коррозии процесс осложняется тем, что при определенных концентрациях происходит кристаллизация продуктов коррозии. На рис. 7 показаны зависимости процессов коррозии для различных концентраций серной кислоты. Для С2=0,01н и С3=0,001 н кривые совпадают, а для С1=0,1 н они значительно выше. Поскольку закон действующих масс не может быть нарушен, то зависимость 1 должна быть скорректирована с учетом коэффициента пористости. Причем фиктивная разность количества веществ на кривых 1 и 2,3 характеризует уменьшение пористости за счет процессов кристаллизации.
Зависимости, показанные на рис. 4-7, могут трактоваться следующим образом. Вначале происходит нейтрализация раствора гидроксида кальция в сквозных капиллярах, куда он попадает в процессе растворения и массопереноса. Затем, когда основная часть его нейтрализована, раствор кислоты поступает в радиально расположенные, в том числе тупиковые капилляры, вокруг которых происходит образование и развитие цилиндрического фронта коррозии.
Схема процесса коррозии может быть установлена на основании граничных условий (1) на подвижной границе для линейного и цилиндрических фронтов. Условие образования цилиндрического фронта записывается в виде:
Оно означает, что плотность потока агрессивного вещества больше плотности потока растворимого компонента в радиальном направлении.
Бетон и железобетон, 2005 №5