Научные основы закономерностей массопереноса в процессах жидкостной коррозии строительных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, доктор технических наук Румянцева, Варвара Евгеньевна

• Румянцева, Варвара Евгеньевна
• доктор технических наук
• 2011

Оглавление диссертации доктор технических наук Румянцева, Варвара Евгеньевна

Г Введение.

Глава 1. Проблемы коррозии бетона и железобетона.

1.1. Краткая история вопроса.

1.2. Физико-химические основы процессов гидратации и твердения цементов.

1.2.1. Общие сведения;о процессах гидратации цементов.:.

I 1.2.2. Механизм гидратационного твердения:.33:

V 1.3. Классификация видов коррозии бетона.

1.3.1. Жидкостная коррозия первого вида.—

I . , 1.3:2. Жидкостная коррозия второго вида.:.

1.3.3. Жидкостная коррозия,третьего вида-.

1.3^4. Электро-и биологический виды коррозии.:.

1.4. Способы защиты бетона и железобетона от жидкостной коррозии.;. —.

1.4.1. Способы защиты на стадии изготовления и монтажа изде

I лии

1.4.21 Способы:защиты.на стадии эксплуатации конструкций;.:.

1.5. Классификация коррозионных процессов- арматурной стали, основные методы защиты.

1.5:1'. Арматурная? сталь.

1.5:2. Теория коррозии а]рматурной стали в бетоне:.1.

1.5.3. Коррозионное поведение арматурной стали в бетоне.

1.5.4. Трещины в железобетоне и их влияние на коррозионное

1 поведение арматурной стали:.

I 1.5.5. Основные виды; коррозионного; разрушения^ арматурной : стали.,'.>.;.;.:.

1.5.6. Основные методы .противокоррозионной защиты поверхности арматурной стали.:.:.

1 1.6. Классификация коррозионных процессов на поверхности алюминия:.

I 1.6.1. Современные представления окоррозии алюминия:.

I ' 1.6.1.1. Образование пассивных пленок на поверхности алюминия:.

1.6.1.2. Факторы, влияющие на свойства оксидной пленки.

1.6.3. Основные методы противокоррозионной защиты ашоми

I ниевых поверхностей.

1.7. Методы математического моделирования массопереноса в процессах жидкостной'коррозии.

1.7.1. Эмпирические модели процессов коррозии?бетона.

1.7.2. Математические модели на основе феноменологических уравнений переноса.'.

1.8. Постановка задач исследования.

Глава 2. Общность методологического подхода, к моделированию процессов жидкостной коррозии строительных материалов.

I 2.1. Физические представления:о химических и электрохимических

Г ' 2 ''.''.'

I'.' ■ . ■ . ' процессах на границе раздела фаз «жидкость - твердое тело».

2.1.1. Диффузионный пограничный слой при свободно-конвективном течении жидкости.

2.1.2. Диффузионный пограничный слой в процессах электрохимической коррозии металлов.

2.2. Экспериментальные исследования массообменных процессов.

2.2.1. Объекты исследований.

2.2.2. Краткое описание применяемых экспериментальных методик.

2.2.3. Результаты экспериментальных исследований.

2.3. Особенности диффузионно-кинетического массопереноса в бетонах.

Глава 3. Математическое моделирование и экспериментальные исследования массопереноса в процессах жидкостной коррозии первого вида.

3.1. Математический аппарат для теоретических исследований.

3.2. Физико-математическая формулировка проблемы.

3.3. Решение задачи массопереноса в системе «жидкость-резервуар» методом интегрального преобразования Лапласа.

3.3.1. Решение для области больших значений чисел Фурье.

3.3.2. Решение для области малых значений чисел Фурье.

3.3.3. Неравномерные начальные распределения*концентрации «свободного гидроксида кальция».

3.4. Экспериментальные исследования массообменных процессов.

3.4.1. Объекты исследований.

3.4.1.1. Портландцемент.

3.4.1.2. Вода.

3.4.2. Краткое описание применяемых экспериментальных методик.

3.4.2.1. Количественный анализ по методу комплексонометрии.

3.4.2.2. Электрометрический метод измерения водородного показателя рН.

3.4.2.3. Дифференциально-термический анализ. 3.4.2.4. Метод инфракрасной Фурье - спектроскопии.

3.4.2.5. Определение плотности, водопоглощения и пористости. оло

3.4.3. Описание экспериментальной установки для определения коррозионной стойкости строительных материалов.

3.4.4. Определение коэффициента массопроводности.^^

3.4.5. Определение коэффициента массоотдачи.

3.4.6. Результаты экспериментальных исследований.

3.4.7. Определение коэффициентов массопереноса.^

Глава 4. Математическое моделирование и экспериментальные исследования< массопереноса. в» процессах жидкостной коррозии 229 | второго вида.

4.1. Физико-математическая формулировка проблемы.

4.2. Решение задачи массопереноса в системе «жидкость-резервуар» методом интегрального преобразования Лапласа.

I 4.2.1. Решение для области больших значений чисел Фурье.

4.2.2. Решение для области малых значений чисел Фурье.

4.3. Решение задачи массопереноса, лимитируемого внутренней г диффузией.

1 4.4. Моделирование диффузионно-кинетического массопереноса в жидкой фазе.

4.5. Частные случаи решения задачи массопереноса, компьютерная реализация.

4.5.1. Отсутствие источника массы.

4.5.2. Равномерное распределение источника по координате.

4.5.3. Распределение источника по степенной зависимости.

4.5.4. Распределение источника по ступенчатой функции Дирака. 265 » 4.5.5. Частный случай задачи массопроводности, контролируемый внутридиффузионным сопротивлением и химической кинетикой.

4.6. Экспериментальные исследования массообменных процессов.

4.6.1. Объекты*исследований.

4.6.1.1. Водные растворы электролитов.

4.6.2. Краткое описание применяемых экспериментальных мето

Дик. 270.

4.6.2.1. Количественный анализ по методу комплексономет

6 4.6.2.2. Определение объема пор, распределение объема пор по размерам.

4.6.2.3. Исследование- кислотно-основных свойств методом по-тенциометрического титрования.

4.6.3. Кинетика химических реакций.

4.6.3:1. Внешняя массопередача.

5 4.6.3.2. Внутренний массоперенос.

1 4.6.4. Результаты экспериментальных исследований.

4.6.5. Определение коэффициентов массопереноса.

Глава 5. Экспериментальные исследования, массообменных процессов на поверхности' металлов и разработка рекомендаций по антикоррозионной защите. 5.1. Экспериментальные исследования коррозионных процессов на „ поверхности арматурной стали и разработка рекомендаций по анти-1 коррозионной защите.

5.1.1. Краткий обзор методов нанесения антикоррозионных пле

I нок на стальные поверхности. 5.1.2. Экспериментальные исследования коррозионных процес-^ сов на поверхности арматурной стали.

5.1.2.1. Объекты исследований.

5.1.2.2. Краткое описание применяемых экспериментальных методик.

5.1.2.2.1. Методика поляризационных измерений.

5.1.2.2.2. Измерение сопротивления исследуемой системы.

5.1.2.2.3. Определение толщины и защитной способности фосфатной пленки.

5.1.2.2.4. Исследование коррозионной стойкости фосфатной пленки.

5.1.3. Разработка состава для холодного фосфатирования арматурной стали.

5.2. Экспериментальные исследования коррозионных процессов на поверхности алюминия и разработка рекомендаций по антикоррозионной защите.

5.2.1. Автоосаждение - один из путей антикоррозионной защиты алюминия.

5.2.1.1. Лакокрасочные-композиции, применяемые для автоосаждения.

5.2.1.2. Водоразбавляемые лакокрасочные материалы и требования к ним предъявляемые.*.

5.2.1.3. Характеристика водных растворов-карбоксилсодержащих пленкообразователей. •

5.2.1.4. Мицеллообразование в водных растворах пленкообразователей.'.'.

5.2.2". Объекты исследований.

5.2.3. Краткое описание применяемых экспериментальных методик.

5.2.3:1. Изучение коррозионного поведения алюминия;в водных олигомерных средах.

5.2.3;2. Визкозиметрические исследования.

5.2.3.3. Определение кислотного числа пленкообразователя и олигомерных осадков.

5.2.3.4. Определение сухого остатка пленкообразователя.

5.2.3.5. Исследование ионизации металла. 349"

5.2.3.6. Оценка качества автоосажденных лакокрасочных покрытий.

5.2:4. Физико-химические основы механизма автоосаждения олигомерного покрытия на поверхности алюминиевого сплава.

5.2.4.1. Исследование коррозионного поведения алюминиевого сплава в растворах фона и полиэлектролита.

5.2.4.2. Механизм формирования автофорезного покрытия на поверхности алюминиевого сплава.

5.2.5. Разработка состава лакокрасочной композиции на основе лака КЧ-0125 для автоосаждения на поверхности алюминиевого спла- 359 ва.

5.2.5.1. Факторы, влияющие на образование качественных покрытий.

5.2.5.2. Состав лакокрасочной композиции на основе лака КЧ-0125 для автоосаждения на поверхности алюминиевого сплава и технология его нанесения.

Глава 6. Рекомендации для промышленной реализации результатов научных исследований.

6.1. Промышленное использование результатов научных исследований процессов массопереноса при жидкостной коррозии цементных бетонов.

6.2. Разработка новых методов предотвращения коррозионной деструкции бетонных и железобетонных сооружений.

6.2.1. Модель стенки гидротехнического сооружения.^

6.2.2. Способ подготовки армирующего бетон волокнистого материла.

6.2.3. Способ подготовки крупного заполнителя.

6.3. Промышленное использование результатов научных исследований массообменных процессов на поверхности металлов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Научные основы закономерностей массопереноса в процессах жидкостной коррозии строительных материалов»

Актуальность работы. На современном этапе развития строительной индустрии одной из приоритетных задач является разработка на основе классических и новейших теоретических и экспериментальных исследований эффективных рекомендаций для предотвращения разрушения строительных конструкций от коррозии.

По данным Госкомстата РФ большинство объектов строительного комплекса изношено более чем на 75% и в большинстве случаев причина этого кроется в коррозионном разрушении [1].

Коррозия - это самопроизвольное разрушение материала под действием агрессивной внешней среды. Термин «коррозия» происходит от латинского corrodo (обгрызать, изгрызать), где корень -rodo- означает «разъедать» [2].

Из строительных материалов наиболее коррозионно-стойки и долговечны природные каменные материалы. Однако и они со временем разрушаются: Скорость разрушения зависит от состава горных пород, их структуры, фактуры поверхности, внешних условий и других факторов. Наибольшей долговечностью обладают породы магматического происхождения, наименьшей - осаi дочного. Накопленный опыт эксплуатации^ строительных конструкций показы-i вает, что бетон и железобетон по данному показателю сравним с природными t каменными материалами [3].

Но одновременно с этим, встречаются случаи преждевременного разрушения бетона и железобетона 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 [4].

Поэтому уже более 100 лет ученые и строители, наблюдая и исследуя процессы деструкции, ищут пути по предотвращению преждевременных разрушений бетона и железобетона, повышению стойкости и обеспечению долговечности и надежности в реальных условиях [5-10]. г К настоящему времени в строительном материаловедении накоплен большой объем научных данных о коррозионных процессах, протекающих в 7 бетонах, металлах и железобетонах 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.

Этот большой практический материал создает предпосылки для обобщений, представления результатов в форме математических моделей, позволяющих с требуемой точностью рассчитать долговечность бетонных и железобетонных конструкций.

Методы математического моделирования при исследовании процессов коррозии бетона, металлов и железобетона еще не достаточно широко применяются на практике, хотя их преимущества очевидны [11-14]. Причем, применение математических моделей позволяет экономически обоснованно^ назначать средства защиты и устанавливать сроки их применения.

Разработка математических моделей невозможна без четкого представления, о механизме процессов; экспериментальных данных, характеризующих влияние различных факторов на кинетику процессов и проверки достоверности методологии прогноза в натурных условиях.

Однако фактически не изученными и не исследованными остаются начальные периоды коррозионного разрушения строительных материалов; которые протекают на границе раздела «жидкость — твердая,фаза».

Изучение кинетики и динамики развития процессов жидкостной коррозии бетона, металлов и железобетона позволяет: определить условия возникновения деструктивных процессов, причины их ускорения или ослабления; разработать физико-математические модели процессов жидкостной коррозии бетона и металлоемких сооружений; методы определения долговечности бетонных, металлических и железобетонных строительных конструкций.

Вопрос о долговечности бетонных, металлических и железобетонных сооружений, подверженных коррозионным воздействиям, следует рассматривать не только с точки зрения агрессивного влияния одного или другого вещества, а в зависимости от качественного совокупного и 8 количественного действия всех тех факторов, которые могут вызвать разрушение системы.

Решение этих сложных задач возможно с позиций теории массопереноса. Процессы массопереноса являются одним из важнейших разделов современной науки и имеют большое практическое значение в строительном материаловедении [15,16].

Законы массопереноса, общие для всего многообразия природных явлений, дают возможность рационального проектирования строительных сооружений в соответствии с режимами эксплуатации, оптимального подбора материала, оценки состояния конструкций. Поэтому изучение процессов массопереноса, протекающих при коррозионной деструкции, является актуальной задачей с научной и практической точек зрения.

В Ивановском государственном архитектурно-строительном университете в соответствии с научным направлением, развиваемым на кафедрах «Строительное материаловедение и специальные технологии» и «Химия и охрана окружающей среды» в рамках плана НИР и ОКР ИГ АСУ и при поддержке гранта Минобрнауки РФ шифр 91-21-2, 4-109 в области архитектуры и строительных наук выполнялась работа по исследованию процессов массопереноса при жидкостной коррозии строительных материалов.

Цель работы. Установление и обобщение научных основ закономерностей массопереноса при жидкостной коррозии строительных материалов. Определение основных параметров коррозионного массопереноса (коэффициентов массопроводности, массоотдачи), изучение кинетики и динамики процессов. Разработка на основе полученных экспериментальных данных научно обоснованных рекомендаций по повышению коррозионной стойкости строительных конструкций для снижения затрат на ликвидацию последствий техногенных катастроф, обусловленных выходом из строя объектов жилищно-коммунального комплекса, зданий и сооружений различного назначения; для повышения уровня безопасности жизнедеятельности.

Научная новизна:

- на основе анализа отечественного и зарубежного опыта, а также собственных'теоретических исследований автором научно обоснована общность методологического подхода к математическому моделированию массопереноса при жидкостной коррозии строительных материалов;

- исследованы основные физико-химических процессы в пограничном слое «жидкость — твердое тело» на начальных этапах коррозионного массопереноса, дающие возможность прогнозировать изменение прочностных, характеристик строительного объекта;

- разработана математическая модель массопереноса в процессах жидкостной коррозии цементного бетона I вида на уровне феноменологических уравнений, базирующаяся на записи; краевой; задачи нестационарной массопроводности, учитывающая , внутреннюю диффузию и внешнюю массотдачу в жидкую среду с ограниченным объемом;

-разработана математическая; модель массопереноса в процессах жидкостной; коррозии цементного 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, учитывающая- внутреннюю диффузию и внешнюю массотдачу в жидкую агрессивную среду при химической реакции второго порядка на границе раздела фаз;

- получены аналитические решения задач массопереноса в процессах коррозии бетона I и II видов для системы, «жидкость - твердая фаза», позволяющие рассчитьшать концентрации «свободного гидроксида кальция» в жидкой и твердой фазах и продолжительность процессов коррозии цементного бетона; .

- определены значения коэффициентов массопроводности и массоотдачи для рассматриваемых систем;

-разработаны методика и экспериментальная установка для исследования процессов коррозии, защищенная патентом на полезную модель № 71164 РФ от

10

27.02.2008, позволяющая изучать кинетику и динамику массопереноса при жидкостной коррозии строительных материалов;

- рассчитаны временные зависимости потоков переносимого компонента:-«свободного гидроксида кальция», которые позволяют прогнозировать продолжительность начальных этапов жидкостной коррозии цементного бетонами П видов;

- теоретически и экспериментально показана адекватность разработанных математических моделей реальному физическому процессу, что дает возможность определения времени достижениям концентрации переносимого компонента в твердой: фазе, соответствующей завершениюшроцессоВ 'Коррозии цементных- бетонов I (II) видов, т.е. времени выхода «свободного гидроксида кальция» и достижения: значения'его. критической; концентрации (в пересчете на СаО), равной 1,1 кг/м3, соответствующей началу разложения высокоосновных составляющих цементного бетона; ' '

-теоретически и экспериментально исследован? массообменный механизм подвода электролита к поверхности твердою фазы (арматурной- стали; алюминиевого сплава); позволяющий разработать (на уровне изобретений РФ) практические рекомендации по повышению коррозионной стойкости строительных материалов. '

Практическая значимость. Разработанная на базе математических моделей инженерная методика позволяет рассчитать динамику полей; концентраций? «свободного гидроксида кальция» по толщине: бетонной конструкции; а также кинетику массопереноса в твердой и жидкой: фазах; что дает возможность в конечном итоге определить продолжительность жидкостной коррозии! (II) видов цементных бетонов. Представленные, методика и экспериментальная установкам для исследования процессов коррозии, защищенная патентом на полезную модель 71164 РФ от 27.02.2008, позволяют изучать кинетику и:> динамику массопереноса при жидкостной коррозии строительных материалов.

Представлены практические рекомендации по повышению коррозионной стойкости объектов строительной индустрии: стенки гидротехнических соору

11 жений (патент на полезную модель № 84864 РФ от 26.03.2009, заявка на изобретение № 2010132790 РФ от 04.08.2010); способ подготовки армирующего бетон волокнистого материала (заявка на изобретение № 2010130250 РФ от 19.07.2010); способ подготовки крупного заполнителя (варианты) (заявка на изобретение № 2010130249 РФ от 19.07.2010); раствор для холодного фосфати-рования стальной арматуры (патент на изобретение № 2370569 РФ от 24.06.2008); защитная композиция для автоосаждения на поверхности изделий из сплавов на основе железа (заявка на изобретение № 2010130247 РФ от 19.07.2010); лакокрасочная композиция для автоосаждения на поверхности изделий из алюминиевых сплавов и стали (заявка на изобретение № 2010130248 РФ от 19.07.2010); защитная лаковая композиция для алюминиевых сплавов и способ нанесения лаковой композиции на сложнопрофилированные устройства из алюминиевых сплавов (патент на изобретение № 2142971 РФ от 09.10.1997).

Внедрение результатов' исследований. На основании выполненных исследований разработаны практические рекомендации, которые внедрены на ООО «ЭГГЕР-Древпродукт» при реконсервации пожарного резервуара, выполненного из сборного железобетона (акт о внедрении результатов научно-исследовательской работы в ООО «ЭГГЕР-Древпродукт» от 01.09.2008, Ивановская обл., г. Шуя). Экономическая эффективность от внедрения составляет 5 % (53 803 руб. в ценах 2008).

Некоторые аспекты диссертационной работы нашли применение: - при обследовании строительных конструкций сооружений, которые заключаются в повышении коррозионной стойкости железобетонных наливных сооружений и включают в себя исследования массопереноса при жидкостной коррозии цементных бетонов, протекающей по механизмам I (II) видов. Использование полученных результатов позволило определиться с причиной снижения прочности нескольких резервуаров для питьевой воды, содержащих растворы коагулянта и разработать эффективные мероприятия по обеспечению их долговечности (акт о внедрении результатов научно-исследовательской работы в ООО «СТРОЙПРОЕКТЗАЩИТА» Ассоциации «Защита строительных конструкций, зданий и сооружений» от 01.02.2010, г. Москва);

12

- при проведении экспертизы промышленной безопасности технических устройств и материалов, используемых при их изготовлении, объектов предприятий опасных производств и других промышленных объектов, которые заключаются в повышении коррозионной стойкости бетона и арматуры железобетонных конструкций. Внедрение результатов научных исследований и предложенных мероприятий при проведении экспертизы технических устройств и других опасных производственных объектов позволяет повысить уровень их промышленной безопасности в соответствии с Федеральным законом 116-ФЗ ч от 21.07.1997 «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» (акт о внедрении результатов научно-исследовательской работы в ООО «НИУИФ-Инжиниринг» от 02.03.2011, г. Москва).

Результаты проведенных' исследований позволили апробировать и внедрить в производство следующие практические рекомендации и разработки:

- при проведении подготовки поверхности стальных изделий, в качестве окончательной операции применяется холодное фосфатирование (акт внедрения результатов научно-исследовательской работы в ЗАО «Радугаэнерго» от 12.09.2010, Владимирская обл., г. Радужный). Экономическая эффективность от внедрения составляет 6 - 9% от суммы вложенных средств.

- разработанный технологический процесс автофоретического осаждения лаковой пленки для защиты-от коррозии сложнопрофилированных алюминиевых изделий в особо жестких условиях эксплуатации апробирован и внедрен в производство (акт внедрения результатов научно-исследовательской работы на предприятии АООТ НИИРадиостроения от 28.05.1996, г. Москва). Экономический эффект от внедрения составил 971 млн. рублей в год (в ценах 1996).

Теоретические положения диссертационной работы и результаты экспериментальных исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров и бакалавров, обучающихся по специальностям: «Промышленное и гражданское строительство», «Водоснабжение и водоотведение», «Теплогазоснабжение и вентиляция», «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» направления подготовки дипломированных специалистов «Строительство», при изучении дисциплин:

13

Химия», «Физико-химические основы коррозии», «Защита от коррозии», «Антикоррозионная защита металлов»; нашли отражение при составлении 4 учебных пособий с грифами У МО АСВ и Минобрнауки РФ.

Достоверность и обоснованность полученных результатов. Полученные научные положения и выводы, приведенные в работе, основаны на результатах многолетних экспериментов, выполненных с применением. комплекса взаимодополняющих, высокоинформативных методов исследований, и их статистической обработки, подтверждены сходимостью результатов вычислительных и натурных данных, а так же их корреляцией с известными закономерног стями.

Личный вклад автора. Автором самостоятельно поставлены цели и задачи, выбраны объекты и методы исследований, разработана программа теоретических и экспериментальных изысканий, лично выполнены, обработаны и проанализированы основные результаты, практическая реализация которых так; же проводилась при непосредственном участии автора; В совместных работах, выполненных в соавторстве с академиком РААСН, доктором технических наук, профессором С.В. Федосовым, кандидатами технических наук В.А. Хруновым и Н.С. Касьяненко автор лично участвовал в-проведении теоретических и.экспериментальных исследований и их обсуждении. - >

На защиту выносятся:

- общность методологического подхода к математическому моделированию массопереноса в пограничном слое «жидкость — твердое тело» в начальный период коррозионной деструкции строительных материалов;

- математические модели массопереноса в процессах жидкостной коррозии цементных бетонов I и II видов на уровне феноменологических уравнений;

- аналитические решения задачи массопереноса в процессах коррозии цементных бетонов I вида в условиях ограниченного объема жидкой фазы;

- аналитические решения задачи массопереноса в процессах коррозии цементных бетонов II вида, с учетом химической реакции второго порядка;

- методика проведения исследований и экспериментальная установка для изучения процессов жидкостной коррозии строительных материалов;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов жидкостной коррозии цементных бетонов I и П'видов;.

- результаты теоретических и экспериментальных исследований массооб-менного механизма подвода1 электролита к поверхности твердой фазы (арматурной стали; алюминиевого сплава);

- практические рекомендации (на уровне изобретений РФ) по повышению коррозионной стойкости объектов строительной индустрии;

Апробация? работы? и публикации. Основные положения диссертации опубликованы в журналах, рецензируемых ВАК Министерства образования и науки РФ: «Строительные материалы» (№7, 2005; №5; 2007; №7, 2008; №2, 2009;. №5, 2010; Ш; 2011; №5 2011); «Вестник МГСУ» (№4, 2009) «Вестник. ВолгГАСУ» (вып. 14 (33), 2009); «Приволжский научный:журнал» (№1, 2010); Вестник гражданских инженеров (№4 (25), 2010;: №1 (26) 2011); Строительство и реконструкция (№ 4 (30), Мб (32) 2010; N91 (34)2011; №2 (35) 2011); Известия■ вузов. Химия и химическая технология (т. 38, №3, 1995; т39;,№1-2, 1995; т.39, М>3, 1996;:тЛ1, Ш,1998; т:54, Ш; 2011). ВЪкурналах: «Вестник центрального регионального» отделения; РААСН»* (вып.- 7. Воронеж-' Липецк, 2008); «Ученые записки, инженерно-строительного- факультета ИГАСУ» (2008); «Вестник Ярославского регионального отделения РАЕН» (том 2. 2008); «Вестник отделения строительных наук» (вып. 13. Москва-Орел, 2009); Доложены на региональной научно-практической; конференции «Состояние и перспективы освоения недр;, - охрана окружающей среды Ярославской области и Верхне-Волжского региона», Ярославль, 2004; на IV Международной научно-практической конференции «Бетон и железобетон в третьем тысячелетии» г. Ростов-на-Дону, 2006; на V всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности, экологии» г. Тула, 2006; на XIII, XIV , XV, XVI, XVII Международных научно-технических конференциях

Информационная среда вуза» г. Иваново, 2006-2010; на всероссийской

15 научно-технической конференции «Современные инновационные технологии и оборудование» г. Тула, 2006; на Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития энерготехнологии: XIV Бенардосовские чтения» г. Иваново, 2007; 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; на V Международной научно-технической конференции «Итоги строительной науки» г. Владимир, 2007; на Международном симпозиуме «Межрегиональные проблемы экологической безопасности» Украина, г. Одесса, 2007; на Международной научно-практической конференции «Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре» г. Липецк, 2007; на I, II Международных научных конференциях «Современные методы в теоретической' и прикладной электрохимии», г. Плес, Ивановская область, 2008, 2010; на V Международной конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов», Волгоград, 2009; на XIII Международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» г. Пенза, 2009; на' межвузовских научных семинарах «Актуальные вопросы противопожарного водоснабжения», г. Иваново, 2009, 2010; на конференции «Актуальные вопросы общей и специальной химии», г. Иваново, 2010, 2011; на Международной научной конференции, «Физико-химические основы строительного материаловедения», посвященной 85-летию профессора- В.И. Бабушкина, Украина, г. Харьков, 2010; на академических чтениях «Актуальные проблемы бетона и железобетона (материалы и конструкции, расчет и проектирование), г. Ростов-на-Дону, 2010; на Международной научной конференции «Фундаментальные аспекты коррозионного материаловедения и защиты металлов от коррозии», посвященной 100-летию Г.В. Акимова, г. Москва, 2011.

По материалам выполненных исследований опубликовано 94 работы, в том числе в изданиях, включенных в перечень ВАК Минобрнауки РФ,

16 опубликовано 23 работы (21 научная статья и 2 патента на изобретения РФ), издано 4 учебных пособия с грифами УМО АСВ и Минобрнауки РФ, получено 2 патента на полезную модель РФ, подано 5 заявок на изобретения РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка. Основной текст работы изложен на 327 страницах, содержит 108 рисунков, 47 таблиц, 15 приложений. Список литературы включает 555 наименований.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Румянцева, Варвара Евгеньевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведенный анализ литературных источников показал, что к настоящему времени в строительном материаловедении накоплен обширный объем научных данных о коррозионных процессах, протекающих в бетонах и железобетонах: установлены и исследованы принципиальные схемы химических реакций; даны математические описания некоторых коррозионных процессов; создана система нормативных документов по борьбе с коррозией бетона и железобетона в строительстве. Однако методы математического моделирования на основе законов массопереноса при исследовании процессов коррозии бетона и железобетона еще не достаточно широко применяются на практике, хотя их преимущества очевидны. Мало изученными остаются физико-химических процессы в пограничном слое «жидкость — твердое тело»

1 • на начальных этапах коррозионного массопереноса.

2. Обоснована общность методологического1 подхода к моделированию процессов жидкостной коррозии строительных материалов, на основании строгих математических выкладок доказана необходимость масштабного пересчета результатов лабораторных испытаний малоразмерных образцов на промышленные объекты. Исследованы основные физико-химические процессы в пограничном слое «жидкость — твердое тело» на начальных этапах коррозионного массопереноса, дающие возможность прогнозировать изменение прочностных характеристик строительного объекта.

3. Разработана математическая модель массопереноса в процессах коррозии цементного бетона I вида на уровне феноменологических уравнений, позволяющая рассчитать концентрацию переносимого компонента («свободного гидроксида кальция») по толщине конструкции в любой момент времени, его содержание в жидкой фазе и среднее по толщине и объему конструкции. На основе математической модели синтезирована инженерная методика расчета, и разработана компьютерная программа для определения времени завершения начального этапа коррозии цементного бетона I вида. Экспериментально и теоретически рассчитано, что для цементных бетонов продолжительность периода коррозии I вида может составлять временной интервал до 5 лет с

386 момента пуска конструкции в эксплуатацию до концентрации насыщения «свободного гидроксида кальция», составляющей 1,1 кг/м3 (в пересчете на СаО) в порах бетона, при которой начинается разложение высокоосновных соединений цементного камня.

4. Разработана математическая модель массопереноса в процессах коррозии цементного бетона второго вида на уровне феноменологических уравнений, учитывающая внутреннюю диффузию и внешнюю массотдачу в жидкую агрессивную среду при химической реакции второго порядка на границе раздела фаз, позволяющая рассчитать концентрацию переносимого компонента («свободного гидроксида кальция») по толщине конструкции в любой момент времени, его содержание в жидкой фазе и среднее по толщине и объему конструкции, а также позволяющая определить время достижения на поверхности бетонной конструкции, критической концентрации «свободного гидроксида кальция», приводящей к началу разложения высокоосновных составляющих цементных бетонов. На основе математической модели синтезирована инженерная методика расчета, и разработана компьютерная программа для определения времени завершения 1 начального этапа коррозии цементного бетона II вида. Экспериментально и теоретически показано, что для цементных бетонов продолжительность начального периода коррозии второго вида при воздействии 2% водного раствора MgCl2 может составлять порядка 2,8 лет, а при воздействии 0,001% водного раствора HCl порядка 2,4 года с момента пуска конструкции в эксплуатацию до достижения концентрации насыщения «свободного гидроксида кальция», составляющей 1,1 кг/м3 (в пересчете на СаО) в порах бетона, при которой начинается разложение t высокоосновных соединений цементного камня.

5. Общность математического описания позволяет распространить разработанные математические модели и предложенные методы расчета на другие виды» бетонов с учетом, определяемых экспериментально зависимостей коэффициентов массопереноса от структуры и состава бетонов, а также от состава и концентрации агрессивных сред.

6. Разработана методика проведения исследований и экспериментальная установка для исследования кинетики и динамики коррозионного массопереноса, защищенная патентом на полезную модель РФ. В ходе теоретических и экспериментальных исследований установлены значения коэффициентов массопроводности и массоотдачи как для процессов коррозионного массопереноса, протекающего по механизму I, так и II видов.

7. Теоретически и экспериментально исследован массообменный механизм подвода электролита к поверхности твердой фазы (арматурной стали, алюминиевого сплава), позволяющий разработать (на уровне изобретений РФ) практические рекомендации по повышению коррозионной стойкости строительных материалов: новый состав раствора холодного фосфатирования для антикоррозионной защиты стальных поверхностей, без предварительной обработки поверхности; универсальную лакокрасочную композицию для нейтральных сред и технологию ее нанесения для защиты алюминиевых поверхностей методом автоосаждения.

8. На основании выполненных исследований разработаны практические рекомендации, некоторые из которых внедрены:

- на ООО «ЭГГЕР-Древпродукт» при реконсервации пожарного резервуара, выполненного из сборного железобетона (акт о внедрении результатов научно-исследовательской работы в ООО «ЭГГЕР-Древпродукт» от 01.09.2008, Ивановская обл., г. Шуя). Экономическая эффективность от внедрения составляет 5% (53 803 руб. в ценах 2008);

- при проведении обследований строительных конструкций сооружений г. Москвы (акт о внедрении результатов научно-исследовательской работы в ООО «СТРОЙПРОЕКТЗАЩИТА» Ассоциации «Защита строительных конструкций, зданий и сооружений» от 01.02.2010);

- при проведении экспертизы промышленной безопасности технических устройств и материалов, используемых при их изготовлении, объектов предприятий опасных производств и других промышленных объектов (акт о внедрении результатов научно-исследовательской работы в ООО «НИУИФ

Инжиниринг» от 02.03.2011, г. Москва);

388

- при проведении подготовки поверхности стальных изделий, в качестве окончательной операции применяется холодное фосфатирование (акт внедрения результатов научно-исследовательской работы в ЗАО «Радугаэнерго» от 12.09.2010, Владимирская обл., г. Радужный), экономическая эффективность от внедрения составляет 6 - 9% от суммы вложенных средств;

- разработанный технологический процесс автофоретического осаждения лаковой пленки для защиты от коррозии сложнопрофилированных алюминиевых изделий в особо жестких условиях эксплуатации апробирован и внедрен в производство (акт внедрения результатов научно-исследовательской работы на предприятии АООТ НИИРадиостроения от 28.05.1996, г. Москва). Экономический эффект от внедрения составил 971 млн. рублей в год (в ценах 1996).

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Румянцева, Варвара Евгеньевна, 2011 год

1. Степанова, В.Ф. Проблема долговечности зданий и сооружений (от конференции до конференции) / В.Ф Степанова // Проблемы долговечности зданий и сооружений в современном строительстве: материалы Междунар. конф. СПб.: Роза мира, 2007. С.12-15.

2. Политехнический словарь / Под общей ред. академика И.И. Артоболевского. М.: Советская энциклопедия, 1977. 607 с.

3. Бабушкин, В.И. Физико-химические процессы коррозии бетона и железобетона/В.И. Бабушкин. М.: Стройиздат, 1968. 187 с.

4. Маринин, А.Н. Оценка напряженно-деформированного состояния железобетонных мостовых конструкций при совместном воздействии хлоридной коррозии и карбонизации / А.Н. Маринин // Известия ОрелГТУ. Серия Строительство. Транспорт. 2007. № 3/15 (537). С. 29-35.

5. Коррозия, методы защиты и повышения долговечности бетона и железобетона '/ Под ред. В.М. Москвина и В.М. Медведева. М.: Стройиздат, 1965. 176 с.

6. Долговечность железобетона в агрессивных средах / С.Н. Алексеев, Ф.М. Иванов, С. Модры и др. М.: Стройиздат, 1990. 320 с.

7. Москвин, В.М. О прогнозировании долговечности железобетонных конструкций, эксплуатируемых в агрессивных средах / В.М. Москвин, С.Н. Алексеев, Е.А. Гузеев // Коррозия бетона и повышение долговечности железобетонных конструкций. Ростов н/Д. 1985. С.69.

8. Степанова, В.Ф. Защита от коррозии строительных конструкций основа обеспечения долговечности зданий и сооружений / В.Ф. Степанова // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2005. №3. С.16-19

9. Фаликман, В.Р. Бетоны нового поколения: резервы обеспечения долговечности / В.Р. Фаликман // Долговечность строительных конструкций. Теория и практика защиты от коррозии: материалы Междунар. конф. М.: НИИЖБ. 2002. С. 12- 20.

10. Математические модели процессов коррозии бетона / Б.В. Гусев, A.C. Файвусович, В.Ф. Степанова, и др. М.: Информационно-издательский центр ТИМР, 1996. 104 с.

11. Гусев, Б.В. Основы^ математической теории процессов коррозии бетона / Б.В. Гусев, A.C. Файвусович. М.: Научный мир, 2006. 40 с.

12. Стрекалов, П.В. Математическое моделирование атмосферной коррозии углеродистой стали во влажных тропиках по результатам трех месячных и годовых испытаний / П.В. Стрекалов, До Тхань Бинь // Защита металлов. 2005. Т.41. №3. С. 302-313.

13. Алоян, P.M. Теоретические основы математического моделирования механических и тепловых процессов в производстве строительных материалов / P.M. Алоян, C.B. Федосов, В.И. Мизонов. Иваново: ИГАСУ, ИГЭУ им. В.И. Ленина, 2011. 256 с.

14. Федосов, C.B. Тепломассобмен / C.B. Федосов, Н.К. Анисимова. Иваново: ИГАСА, 2004. 104 с.

15. Федосов, C.B. Тепломассоперенос в технологических процессах строительной инустрии / C.B. Федосов. Иваново: ИПК ПресСто, 2010. 364 с.

16. Звездов, А.И. Бетон и железобетон основа совершенствования строителства в XXI веке / А.И. Звездов // Строительство: новые технологии, новое оборудование. 2006. №1. С. 18-19.

17. Шестоперов, C.B. Долговечность бетона / C.B. Шестоперов. М.: Автотрансиздат, 1955. 480 с.

18. Большаков, В.И. Строительное материаловедение / В.И. Большаков, Л.И. Дворкин. Дшпропетровськ: РВА «Дншро-VAL», 2004. 677 с.

19. Алексей Романович Шуляченко (17.03.1841 29.05.1903) // Строит, материалы. Наука. 2007. №10. С.2-4.

20. Значко-Яворский, И.Л. Очерки истории вяжущих веществ от древнейших времен до середины XIX века / И.Л. Значко-Яворский. М.-Л.: Издательство АН СССР, 1963. 500 с.

21. Vicat, L.I. Recherches sur les causes chimiques de la destruction des composes hydrauliques par l'eau de mer et sur les mouyens d'apprecier leur resistance a cette action / L.I. Vicat. Grenoble et Paris, 1857. 104 p.

22. Шуляченко, A.P. Действие морской воды на цементы и влияние его на прочность морских сооружений / А.Р. Шуляченко. СПб.: Типография СПб Градоначальника, 1902. 44 с.

23. Чарномский, В.И. Деятельность А.Р. Шуляченко по исследованию состояния бетонных сооружений в заграничных портах / В.И. Чарномский // Записки Императорского русского технического общества. 1904. №1. С.15-19.

24. Чарномский, В'.И. О действии морской воды на сооружения из гидравлических растворов в портах Западной Европы и в Южнорусских портах / В.И. Чарномский, A.A. Байков // Тр. отдела торговых портов. 1907. 118 с.

25. Байков, A.A. О действии морской воды на сооружения из гидравлических растворов / A.A. Байков // Собрание трудов. М.: Изд. АН СССР. 1948. T.V. 210 с.

26. Байков, A.A. Схватывание и твердение цементов / A.A. Байков // Строит, промышленность. 1925. №9. С.617-619.

27. Байков, A.A. О влиянии минеральных вод на портландцемент и о способах его устранения/ A.A. Байков // Строит, промышленность. 1926. №4. С.251-254.

28. Будников, П.П. Роль гидроалюмината в процессе твердения гидравлических цементов / П.П. Будников // Цемент. 1949. №3. С.3-6.

29. Бутт, Ю.М. Исследования коррозии цемента / Ю.М. Бутт // Труды МХТИ. 1940. №7. С.43-45.

30. Бутт, Ю.М. Практикум по технологии вяжущих веществ и изделий из них / Ю.М. Бутт. М.: Госстройиздат, 1953. 259 с.

31. Кинд, В.А. Специальные цементы / В.А. Кинд. M.-JI: Гос. научн.-техн. изд-во, 1932. 95 с.

32. Кинд, В.А. Строительные материалы, их получение, свойства и применение / В.А. Кинд, С.Д. Окороков. M.-JI: Госстройиздат, 1934.116 с.

33. Скрамтаев, Б.Г. Строительные материалы и изделия / Б.Г. Скрамтаев. М.-Л.: ОНТИ, 1935. 69 с.

34. Скрамтаев, Б.Г. Крупнопористый бетон и его применение в строительстве / Б.Г. Скрамтаев. М.: Госстройиздат, 1955. 134 с.

35. Шестоперов, C.B. Цементный бетон в дорожном строительстве / C.B. Шестоперов. М.: Дориздат, 1950. 199 с.

36. Шестоперов, C.B. Повышение сульфатостойкости портландцемента / C.B. Шестоперов, Ф.М. Иванов // Цемент. 1956. №5. С.20-22.

37. Москвин, В.М. Коррозия бетона / В.М. Москвин. М.: Госстройиздат,1952. 342 с.

38. Коррозия бетона и железобетона, методы, их защиты / В.М. Москвин, Ф.М. Иванов, С.Н. Алексеев и др.; Под общ. ред. В.М. Москвина. М.: Стройиздат, 1980. 536 с.

39. Коррозия бетона в агрессивных средах / Под ред. В.М. Москвина. М.: Стройиздат, 1971. 219 с.

40. Повышение стойкости бетона и железобетона при воздействии агрессивных сред / Под ред. В.М. Москвина. М.: Стройиздат, 1975. 240 с.

41. Москвин, В.М. Долговечность бетона и теория коррозии // Гидротехническое строительство. 1985. №8. С. 1-4.

42. Москвин, В.М. Влияние хлористых солей на образование сульфоалюмината кальция. / В'.М. Москвин, Т.В. Рубецкая // Цемент.1953. № 6. G.3-8.

43. Мчедлов-Петросян, О.П. Контроль твердения цементов и бетонов / О.П. Мчедлов-Петросян, Г.А. Салоп, Я.Й. Сидорович. М.: Стройиздат, 1969. 104 с.

44. Мчедлов-Петросян, О.П. Химия неорганических строительных материалов/0:П. Мчедлов-Петросян. М.: Стройиздат, 1988. 303 с.

45. Баженов, Ю.М. Технология бетона / Ю.М. Баженов. M.: АСВ, 2002. 500 с.

46. Баженов, Ю.М. Технология бетонных и железобетонных изделий / Ю.М. Баженов, А.Г. Комар. М.: Высш. шк., 1984. 672 с.

47. Мощанский, H.A. Плотность и стойкость бетонов / H.A. Мещанский. М.: Госстройиздат, 1951. 174 с.

48. Иванов, Ф.М. Коррозионные процессы и стойкость бетона в агрессивных средах: дисс. д-ра техн. наук / Ф.М. Иванов. М.: НИИЖБ, 1968. 420 с.

49. Алексеев, С.Н. Коррозионная стойкость, железобетонных конструкций в агрессивной промышленной среде / С.Н. Алексеев, Н.К. Розенталь. М.: Стройиздат, 1976. 205 с.

50. Полак, А.Ф. Коррозия железобетонных конструкций зданий нефтехимической промышленности / А.Ф. Полак, В.Б. Ратинов, Г.Н. Гельфман. М.: Стройиздат, 1971. 176 с.39252.53,54,55,56,57,58,59