Массоперенос в процессах коррозии бетонов с изменяющимися параметрами агрессивной среды эксплуатации

Цель исследования: развитие и совершенствование методов моделирования нестационарного массопереноса при физико-химических процессах взаимодействия бетона с жидкими, газовыми и биологически активными агрессивными средами с изменяющимися параметрами и свойствами материала для прогнозирования и оценки надежности и долговечности бетонных и железобетонных конструкций. Систематизированы факторы, определяющие развитие физико-химических явлений нестационарного массопереноса в структуре бетона при его взаимодействии с агрессивной окружающей средой. Представлена методологическая схема математического моделирования нестационарного массопереноса при коррозии бетона, при изменяемых условиях эксплуатации. Разработана методология синтеза и решения нелинейной краевой задачи нестационарного массопереноса в среде с переменными потенциалами и коэффициентами переноса. При помощи которой значительно повышается точность расчетов динамики и кинетики нестационарных массообменных процессов для систем «жидкая агрессивная среда –цементный бетон», «воздушная агрессивная среда – цементный бетон», «жидкая агрессивная среда – нарастающая биопленка – цементный бетон». Получены аналитические решения задачи нестационарного массопереноса агрессивного компонента и свободного гидроксида кальция в процессах газовой и жидкостной коррозии бетона с изменяющимися параметрами агрессивной среды эксплуатации, необходимые для оценки долговечности бетонов. Сформулирована физико-математическая модель нестационарного массопереноса свободного гидроксида кальция в замкнутой системе «емкостное железобетонное сооружение – жидкая агрессивная среда», получены аналитические решены задачи нестационарного массопереноса в условиях ограниченного объема жидкости. Проведены разнообразные численные эксперименты, которые в безразмерных переменных, при различных соотношениях параметров процесса, отраженных в массообменных критериях подобия (Фурье, Био, Кирпичева, Померанцева) для наиболее распространённого интервала их значений показывают динамику и кинетику изменений массосодержаний при коррозии цементных бетонов. На базе длительного лабораторного эксперимента, исследовано влияние температуры на кинетику и динамику массопереноса в замкнутой системе по механизму коррозии первого вида. Установлены фактическое распределение массосодержаний и кинетика накопления катионов кальция в водной среде. На начальных этапах исследуемой системы диффузия свободного гидроксида кальция происходит интенсивнее при температуре +4°C чем при +25°C, но с течением времени, влияние температуры снижается. Разработан метод определения массообменных характеристик цементных бетонов, с учетом перенасыщенности раствора пор гидроксидом кальция, с помощью которого определены значения коэффициента массопроводности и интенсивности объемного выделения (поглощения) свободного гидроксида. На основании полученных графических зависимостей методами математической статистики на отрезке температур +4….+25°C определены аппроксимирующие эмпирические выражения для коэффициентов массопроводности и массоотдачи (модифицированного), интенсивности объемного выделения (поглощения) свободного гидроксида кальция. Экспериментально исследована система «цементный камень – водный раствор соляной кислоты (рН=5)». Для рассматриваемой системы определены характеристики твердой и жидкой фаз. Показаны особенности массопереноса системы «гидрофобизированный цементный камень - водный раствор хлорида магния» при разных концентрациях раствора агрессивной среды. На основе собственных и полученных из литературных источников результатов экспериментальных исследований выполнена верификация методологии расчета численно-аналитическим способом, расчетных схем, уравнений, характеристик процесса. Разработаны и внедрены: алгоритмы расчета, основанные на разработанных математических моделях; рекомендации по совершенствованию и оптимизации существующих методов повышения коррозионной стойкости и долговечности бетонных и железобетонных конструкций на производственных объектах ОАО Череповецкий «Аммофос» и ООО «Балаковские минеральные удобрения»; результаты исследований при проведении обследований, капитальных ремонтов, реконструкциях, а также при проектировании новых зданий и сооружений, в проектно-изыскательских организациях ЗАО «Творческая мастерская «Ивремстрой», ООО «ИСО-Инжиниринг», ООО «Геопроект»; рекомендации для повышения коррозионной стойкости и оптимизации структуры конструкций выпускаемых железобетонных изделий и конструкций АО «Железобетон».