Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Материалы. Конструкции. Технологии
Моделирование кинетики и динамики массопереноса кусочно-линейной аппроксимацией кривой равновесия при жидкостной коррозии первого вида цементного бетона. Часть 1. Физико-математическая постановка задач
Опубликована: 2017-09-27
  • С. В. Федосов Ивановский государственный политехнический университет (г. Иваново)
  • Н. Л. Федосова Ивановский государственный политехнический университет (г. Иваново)
  • В. Е. Румянцева Ивановский государственный политехнический университет (г. Иваново)
  • В. С. Коновалова Ивановский государственный политехнический университет (г. Иваново)
  • М. Е. Шестеркин Ивановский государственный политехнический университет (г. Иваново)

Аннотация

Гидроксид кальция является основным компонентом, определяющим массоперенос в системе «бетонная конструкция, ограждающая конструкция – жидкая среда». Процесс коррозии цементного камня обусловлен диффузией «свободного гидроксида кальция» из объема цементного камня к его поверхности, которая граничит с агрессивной средой, и переходом вещества через границу раздела фаз «твердое тело – жидкость» и его растворением в жидкой среде. Уменьшение содержания гидроксида кальция в результате «вымывания» его из бетона жидкостью вызывает изменение фазового и термодинамического равновесия в системе, приводит к разложению основных составляющих цементного клинкера и необратимой потере прочностных свойств бетона. Равновесие в системе «жидкость – твердое», которое наступает при равенстве скоростей переноса вещества в прямом (адсорбция) и обратном (десорбция) направлениях, описывает «закон Генри». Метод кусочно-линейной аппроксимации позволяет разбить нелинейную характеристику отрезками прямых, что позволяет довольно точно аппроксимировать любую заданную нелинейную характеристику и определять параметры массопереноса при коррозии цементных бетонов.


Целью данной работы является моделирование диффузии «свободного гидроксида кальция» в замкнутой гетерогенной системе «твердое тело – жидкая нейтральная среда», а также установление и обобщение закономерностей процессов массопереноса при коррозионной деструкции. В статье раскрыта сущность метода кусочно-линейной аппроксимации. Приведена физико-математическая модель процесса диффузии «свободного гидроксида кальция» в твердой фазе бетона с учетом влияния свойств портландцемента и воздействия жидкой нейтральной среды, в замкнутой системе «резервуар – жидкость», на уровне феноменологических уравнений, базирующаяся на записи краевой задачи нестационарной массопроводности. Показана возможность применения данного метода для решения уравнений массопереноса коррозионных процессов бетона.


Результаты исследования приводят к выводам о том, что разработанная на базе математической модели инженерная методика расчета позволяет рассчитывать динамику полей концентраций «свободного гидроксида кальция» по толщине бетонной конструкции в зависимости от свойств портландцемента, а также кинетику массопереноса в твердой и жидкой фазах, что дает возможность в конечном итоге определять продолжительность процесса коррозии I вида с учетом марки портландцемента. Разработана методика расчета, базирующаяся на кусочно-линейной аппроксимации линий равновесия, за пределами зоны действия закона Генри.

Биографии авторов

С. В. Федосов, Ивановский государственный политехнический университет (г. Иваново)

Академик РААСН, доктор технических наук, профессор, президент и заведующий кафедрой техносферной безопасности Ивановского государственного политехнического университета. Область научных интересов – научные основы разработки процессов, технологии и оборудования для термической обработки строительных материалов. Автор более 400 научных и методических трудов, в том числе 16 монографий и более 10 учебных пособий.

Н. Л. Федосова, Ивановский государственный политехнический университет (г. Иваново)

Кандидат химических наук, профессор, профессор кафедры химии, экологии и микробиологии Ивановского государственного политехнического университета. Автор более 120 публикаций по вопросам строительной экологии, физики и химии строительных материалов.

В. Е. Румянцева, Ивановский государственный политехнический университет (г. Иваново)

Советник РААСН, доктор технических наук, доцент, профессор и заведующая кафедрой химии, экологии и микробиологии, директор Института социально-гуманитарных и естественных наук Ивановского государственного политехнического университета. Область научных интересов – коррозия строительных материалов и конструкций, коррозионный массоперенос, прогнозирование долговечности строительных материалов, физика и химия строительных материалов. Автор более 250 публикаций.

В. С. Коновалова, Ивановский государственный политехнический университет (г. Иваново)

Магистр химической технологии, инженер кафедры химии, экологии и микробиологии Ивановского государственного политехнического университета. Сфера научных изысканий – коррозия строительных материалов и конструкций, коррозионный массоперенос, прогнозирование долговечности строительных материалов, физика и химия строительных материалов. Опубликовано более 50 работ.

М. Е. Шестеркин, Ивановский государственный политехнический университет (г. Иваново)

Кандидат технических наук, ассистент кафедры технологии строительного производства Ивановского государственного политехнического университета. Занимается исследованиями в области коррозии строительных материалов и конструкций, коррозионного массопереноса, прогнозирования долговечности строительных материалов, физики и химии строительных материалов. Автор 30 публикаций.