автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Научные основы закономерностей массопереноса в процессах жидкостной коррозии строительных материалов

На правах рукописи

РУМЯНЦЕВА ВАРВАРА ЕВГЕНЬЕВНА

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ МАССОПЕРЕНОСА В ПРОЦЕССАХ ЖИДКОСТНОЙ КОРРОЗИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

4852703

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (строительство)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

8 СЕН 2011

Иваново — 2011

4852703

Работа выполнена в ГОУВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный консультант: Заслуженный деятель науки РФ, Лауреат

премии Правительства РФ в области науки и техники, академик РААСН, доктор технических наук, профессор Федосов Сергей Викторович ГОУВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет»

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Лауреат премии правительства РФ в области науки и техники, академик МИА, доктор технических наук, профессор Степанова Валентина Федоровна ОАО «НИЦ «Строительство», г. Москва

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Рудобашта Станислав Павлович ФГОУВПО «Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина»

Заслуженный деятель науки РФ, Лауреат премий Правительства РФ в области науки и техники, доктор технических наук, профессор Блиннчев Валерьян Николаевич ГОУВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет»

ГОУВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»

Защита состоится 28 октября 2011 г. в 10 часов на заседании объединенного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций ДМ 212 060 01 при ГОУВПО «Ивановский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 153037, г.Иваново, ул. 8-го Марта, д. 20, ауд. Г-204 fwww.igasu.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановского государственного архитектурно-строительного г. Иваново, ул. 8 Марта, д.20).

Автореферат разослан 22 августа 2011 г. Ученый секретарь _

диссертационного совета, ЗвЛ*^

к.т.н., доцент

университета (153037,

Н.В. Заянчуковская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.

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. Накопленный опыт эксплуатации строительных конструкций показывает, что бетон и железобетон по данному показателю сравним с природными каменными материалами. 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.

К настоящему времени в строительном материаловедении накоплен большой объем научных данных о коррозионных процессах, протекающих в 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. 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 количественного действия всех тех факторов, которые могут вызвать разрушение системы. Решение этих сложных задач возможно с позиции теории массопереноса. Процессы массопереноса являются одним из важнейших разделов современной науки и имеют большое практическое значение в строительном материаловедении. 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 коррозионном 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.

С учетом поставленной цели решались следующие задачи:

Обоснование общности методологического подхода к моделированию массопереноса при жидкостной коррозии строительных материалов.

Изучение основных физико-химических процессов в пограничном слое «жидкость - твердое тело» на начальных этапах коррозионного массопереноса.

Определение основных параметров (коэффициентов массопроводности, массоотдачи), изучение кинетики и динамики исследуемых процессов.

Моделирование диффузии целевого компонента - «свободного гидроксида кальция» в гетерогенных системах «жидкая среда - твердая фа-

за». Проверка адекватности полученных математических моделей реальным физико-химическим процессам.

Разработка на основании полученных экспериментальных данных научно обоснованных рекомендаций по повышению коррозионной стойкости строительных материалов к воздействию жидких сред и применение их на практике: при проведении обследований строительных объектов; при проведении экспертизы промышленной безопасности технических устройств и материалов, используемых при их изготовлении, объектов предприятий опасных производств и других промышленных объектов; для оптимизации сроков межремонтного обслуживания инженерных сооружений.

Научная новизна:

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

- исследованы основные физико-химические 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 рассчитывать 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 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

бетона I и II видов;

- теоретически и экспериментально показана адекватность разработанных математических моделей реальному физическому процессу, что дает возможность определения времени достижения концентрации переносимого компонента в твердой фазе, соответствующей завершению процессов 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 твердой фазы (арматурной стали, алюминиевого сплава), позволяющий разработать (на уровне изобретении РФ) практические рекомендации по повышению коррозионной стоикости

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 жидкои фазах, что дает возможность в конечном итоге определить продолжительность жидкостной коррозии I (II) видов цементных бетонов.

Представленные методика и экспериментальная установка 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 сооружений (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 фосфатирования 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);

- 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 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. Экономическая эффективность от внедрения составляет 6 - 9% от суммы вложенных средств (акт внедрения результатов научно-исследовательской работы в ЗАО «Радугаэнерго» от 12.09.2010, Владимирская обл., г. Радужный);

-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 28.05.199б, г. Москва). Экономический эффект от внедрения составляет 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: «Промыш-

ленное и гражданское строительство», «Водоснабжение и водоотведение», «Теплогазоснабжение и вентиляция», «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» направления подготовки дипломированных специалистов «Строительство», при изучении дисциплин: «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 закономерностями.

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 C.B. 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 II видов;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований массо-обменного механизма подвода 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; №1, 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), №6 (32) 2010, Кг1 (34)2011; №2 (35) 2011); Известия вузов. Химия и химическая технология (т.38, №3, 1995; т.39, №1-2, 1995; т.39, №3, 1996; т.41, №2, 1998, т.54, Ш, 2011). В журналах: «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 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, 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^ таблиц, 15 приложений. Список литературы включает 555 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, общая характеристика работы, а так же научные положения, которые автор выносит на защиту, аргументирована практическая значимость диссертационного исследования, приведено краткое содержание его глав.

В первой главе проанализированы работы отечественных и зарубежных авторов, касающиеся современных представлений о механизме коррозии строительных материалов (бетона, железобетона, металлов) и поставлены задачи исследования. В 1950 - 1960-х годах в стране под руководством профессора В. М. Москвина сложилась научная школа специалистов в области коррозии и антикоррозионной защиты. В эти и последующие годы работами О.П. Мчедлова-Петросяна, Ю.М. Баженова, H.A. Мещанского, В.И. Бабушкина, Ф.М. Иванова, С.Н. Алексеева, Б.В. Гусева, А.Ф. Полака, А В Волженского, В.Б. Ратинова, Г .С. Рояка, В.Ф. Степановой, Н.К. Розента-ля, П.Г. Комохова, А.Е. Шейкина, A.B. Ферронской и других ученых созданы общие теоретические представления о механизме коррозионных процессов, протекающих в строительных материалах. Условное деление коррозии на три вида, впервые научно обоснованное В.М. Москвиным, позволяет детально изучать механизмы протекающих процессов (явления массопереноса, химической и физико-химической природы), но это вовсе не означает, что коррозия бетона от начального момента до полного разрушения протекает по цепочке: I - II - III виды. Возможно начало коррозионных процессов со второго, с третьего вида. Очень важно для разработки практических рекомендаций не только изучить химические и физические явления, но и провести моделирование процесса, рассчитать его кинетику и динамику. Современный подход, который использовал автор в диссертационном исследовании, основывается на детальном рассмотрении физико-химических

процессов и явлений массопереноса, развивающихся в материале под воздействием жидкой нейтральной (агрессивной) среды. Результаты такого рассмотрения коррозионной деструкции можно распространить на широкий круг условий эксплуатации бетона и железобетона.

К настоящему времени установлены и исследованы принципиальные схемы химических реакций взаимодействия гидроксида кальция с компонентами агрессивных сред; разработаны математические описания коррозионных процессов в сульфатных, хлоридных и кислых жидких средах; создана система нормативных документов по борьбе с коррозией в строительстве. Этот большой теоретический и практический материал о процессах коррозии, накопленный годами, создает предпосылки для обобщений, представления результатов в форме математических моделей различных стадий этих процессов. Они позволяют с требуемой точностью прогнозировать долговечность строительных конструкций, разработать меры по защите бетонных и железобетонных конструкций от разрушающего действия агрессивной среды, как на стадии проектирования и изготовления изделий, так и на разных этапах эксплуатации. 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. В первой главе, так же проведен обзор работ, посвященных физико-химическим основам процессов гидратации и твердения цементов.

Изучение коррозионного массопереноса строительных материалов было бы не полным, без обращения к коррозионным процессам, протекающим на границе раздела «жидкость - металл». В нашей стране особенно активное исследование процессов коррозии металла и изыскание методов защиты началось в 20 - е годы прошлого столетия. Большой вклад в изучение коррозионных процессов на металлической поверхности внесли видные российские ученые В.А. Кистяковский, Г.В. Акимов, Н.Д. Томашов, H.A. Изгарышев, А.Н. Фрумкин, И.Л. Розенфельд, Б.Н. Кабанов, В.М. Москвин, С.Н. Алексеев, В.И. Бабушкин, В.Ф. Степанова и многие их последователи. Коррозия арматурной стали в бетоне электрохимическая по своему характеру и зависит как от свойств самой арматурной стали, так и от свойств и структуры бетона, а так же от характера окружающей среды, в которой работает конструкция. Коррозия стальной арматуры может протекать одновременно с коррозией бетона и независимо от нее. Сталь не будет подвержена коррозии, если электролит при контакте с ее поверхностью имеет достаточно высокое значение рН>12, чтобы пассивировать поверхность стали. Наиболее типичным разрушением, которое может происходить при коррозии арматуры в бетоне, является постепенное уменьшение ее рабочего сечения за счет перехода наружных слоев металла в продукты коррозии. Вследствие того, что железо в процессе электрохимической коррозии растворяется только на анодах

коррозионных пар, должно было бы наблюдаться неравномерное уменьшение сечения. Практически характер коррозионного поражения может быть разным: от почти равномерного уменьшения сечения по всей поверхности до резко выраженного язвенного поражения. Для предотвращения коррозионной деструкции существует много методов защиты стали, таких как легирование и нанесение защитных покрытий.

По масштабам использования в промышленности алюминий и его сплавы занимают второе место после железа и существенно опережают его по темпам роста производства. По оценкам экспертов, к 2012 году объём задействованного в возведении зданий и иных инженерных сооружений алюминия (таких, как мосты или спортивные массовые объекты) удвоится в сравнении с показателями 2006 года. Особенности коррозионного поведения алюминия и его сплавов связаны со сложным явлением пассивации. Пассивная пленка образуется при соприкосновении поверхности металла с кислородом воздуха. С точки зрения термодинамики и в соответствии с данными диаграммы Пурбе алюминий коррозионно-стабилен в нейтральных, неустойчив в щелочных и кислых средах, где и наблюдается наиболее высокая скорость коррозии. Параллельно с расширением областей применения алюминия и его сплавов развиваются методы его обработки, позволяющие проводить антикоррозионную защиту поверхности металла и придавать изделиям и конструкциям необходимые эксплуатационные свойства.

Все вышеизложенное явилось предпосылками при создании рабочей гипотезы диссертационной работы, которая заключается в следующем: необходимо разработать единый научно обоснованный методологический подход и единую математическую модель для оценки коррозионного воздействия на границе раздела фаз «жидкость - цементный бетон», «жидкость -металл» в начальный период деструкции.

Однако, физика и механика коррозионных процессов на более поздних временных стадиях изучена школой профессоров В. М. Москвина и С.Н. Алексеева, математически описана в работах члена-корреспондента РАН Б.В. Гусева и профессора А.Ф. Полака, в то же время массоперенос в бетонных и железобетонных конструкциях при разложении высокоосновных соединений является темой будущих специальных исследований.

Во второй главе автор, базируясь на полученных экспериментальных данных и анализе литературных источников, обосновывает общность методологического подхода к моделированию процессов жидкостной коррозии строительных материалов (металлов и цементных бетонов). Известно, что при коррозионной деградации основные фазовые, химические и электрохимические превращения происходят на границе раздела фаз «жидкость - твердое тело». Под границей в данном случае подразумевается зона некой узкой толщины. Состав, строение и размеры этой зоны оказывают влияние на ход протекающих процессов в объеме всего материала, особенно в начальный период процесса. Немаловажным фактором является состояние жидкой среды: неподвижна она или находится в состоянии движения. В случае жидкостной коррозии строительных

материалов наибольшее значение играет свободно-конвективное течение жидкости. С позиций теории массопереноса диффузия агрессивного компонента к границе раздела фаз и диффузия продуктов реакции в объем жидкой фазы описываются дифференциальным уравнением параболического типа в частных производных:

(1)

Я

дС,{х,т) д%(х,т)

дт ' дх1 •

Полагается, что все изменение концентрации компонентов происходит в достаточно узкой зоне пограничного слоя (рис.1), размер которой определяется от границы раздела фаз до значения концентрации в жидкости:

С(дгр,т)=0,99-Со. (2) Для обоих случаев диффузии (агрессивного компонента или продукта реакции) граничным условием по жидкой фазе будет: ЭС,(дг,г)

дх

= 0

Для продукта реакции: СД0,г) = С„. Начальное условие:

СДдг,4 о =С0(.

(3)

(4)

'И

Рис. 1. К иллюстрации зоны пограничного слоя <-Ддг'г)1 о = . (5)

Решение краевой задачи массопроводности в форме уравнения (1) с начальным (5) и граничными условиями (3) - (4), по аналогии с подобной задачей теплопроводности запишется:

С(*,г)

■ = "/

(6)

Расчеты по формуле (6), проведенные нами впервые, показывают, что формирование пограничного слоя 5т< 0,5 мм происходит за время 15+20 с. Это время ничтожно по сравнению с длительностью массообменных коррозионных процессов в бетоне и железобетоне, а также металлах. В.Г. Левич в фундаментальной монографии «Физико-химическая гидродинамика» на основании достаточно строгих математических выкладок получил выражение для определения плотности диффузионного потока массы вещества из объема жидкой фазы к границе раздела фаз:

(7)

При этом в соответствии с рис. 2 степенная зависимость плотности потока массы '] от координаты х характерна только для участка натекания, протяженность которого определяется по уравнению:

п

Рис. 2. Образование турбулентного пограничного слоя на пластинке по В.Г. Левичу: и0 - скорость основного потока; дгр - толщина пограничного слоя; <5,-толщина ламинарного слоя; <5„, - толщина турбулентного слоя; и, - распределение средней скорости при турбулентном течении; Ох - распределение средней скорости при ламинарном течении

Безусловно, следует учитывать

Приближенная численная оценка приводит к:

xT=[0,7-(0,3-0,5)-10-']Jx

9,81-5-10"

х10!-

»(24-И85)-10"',л<. (9)

4-(10"6)2

Очевидно, что размер пограничного слоя оказывает существенное влияние на величину участка формирования этого слоя, это обстоятельство и при изучении

коррозионных процессов в бетонах, так как действующие лабораторные методики предполагают применение малоразмерных образцов. Исходя из полученных экспериментальных данных таблицы 1 определены значения эмпирического коэффициента а для металлов, которые близки к 1. у Таблица 1

Результаты исследований коррозионного массопереноса в системе «0,1н НрБОд- арматурная сталь»

Марка стали

Ст 50

Ст 45

Содержа ние

углерода, %

0,50

0,45

№ образца

1

5"-103,

2

1,509

1,788

1,668

1,648

1,720

1,650

m„\Q. кг

25,04

27,21

28,38

18,38

19,79

17,91

ту 103

кг

25,03

27,19

28,36

18,36

19,77

17,90

jJO6. кг/(м2с)

1,408

1,553

1,773

1,255

1,118

1,148

U-Hf.

кг/(яг-с)

1,578

1,173

0,728

0,809

Далее проанализированы особенности диффузионно-кинетического массопереноса в цементных бетонах, который выступает в качестве основополагающего фактора особенно на начальном этапе жидкостнои коррозии I и II видов. Известно, что основным компонентом, отвечающим за процессы коррозии I и II вида, является гидроксид кальция. Содержание его в свободном виде в бетоне до определенной концентрации обеспечивает сохранение требуемых свойств конструкции. И лишь достижение определенной «пороговой» концентрации Са2+ в поровой жидкости бетона приводит к началу необратимого разложения высокоосновных соединении. При погружении железобетонного изделия в жидкую среду начинается процесс диффузии «свободного гидроксида кальция» (по терминологии академика РААСН C.B. Федосова) из толщи конструкции в жидкую фазу. Полагается, что в начальный период времени происходит компенсация количества «свободного гидроксида кальция», уходящего в жидкую фазу за счет выделения его из твердой, при этом общая концентрация «целевого»

компонента в толще бетона изменяется, а в поровом пространстве остается равной значению насыщения, которое составляет 1,29 кг/м3. При снижении этой концентрации до значения 1,1 кг/м' начинается разложение высокоосновных соединений, приводящее к необратимым разрушениям защитного слоя бетона.

С физико-химической точки зрения коррозия первого вида включает в себя следующие процессы: физическое взаимодействие жидкой неагрессивной среды с растворенным в порах бетона «свободным гидроксидом кальция»; диффузию «свободного гидроксида кальция» через пористую структуру бетона к поверхности раздела фаз «жидкость - бетон» до момента достижения концентрации начала разложения высокоосновных соединений; массоперенос «свободного гидроксида кальция» в жидкую среду.

Коррозия второго вида заметно усложняется, и может быть выделено шесть последовательно взаимосвязанных стадий коррозионной деструкции: химическое взаимодействие агрессивного вещества с растворенным в порах бетона «свободным гидроксидом кальция» на поверхности бетона; диффузию «свободного гидроксида кальция» через пористую структуру бетона к поверхности реагирования до момента достижения концентрации начала разложения высокоосновных соединений; продвижение зоны фронта реакции «свободного гидроксида кальция» внутрь бетона с появлением продукта реакции; проникновение агрессивного компонента из раствора в пористую структуру бетона, через слой продукта реакции; химические реакции разложения высокоосновных соединений цементного камня с образованием растворимых или аморфных продуктов; диффузию растворимых продуктов реакции к поверхности раздела «жидкость - бетон» и массоперенос в жидкую среду.

В случаях с коррозией железобетона процессы деструкции усугубляются реакциями деградации арматуры.

Нами получены данные по определению характеристик массопереноса в процессе магнезиальной коррозии цементного камня. Установлено, что для экспериментального образца с размером грани 0,03 м значение плотности потока массы j составило 1,2-10'7, кг/(м2 с). При сравнении результатов эксперимента по исследованию скорости коррозии арматурных сталей с данными, полученными в результате исследования жидкостной коррозии бетонов, можно сделать вывод о том, что, несмотря на различие в природе материалов - бетона и арматурной стали; несмотря на различие в скоростях протекания коррозионной деструкции (скорости электрохимических процессов окисления арматурной стали значительно выше, скоростей коррозии в бетонах) рассчитанные экспериментальные плотности диффузионных потоков массы вещества идентичны как для металлов, так и для бетонов. Эта тенденция дает возможность применения единого подхода к моделированию процессов массопереноса при коррозионной деструкции, протекающей как на границе раздела фаз: жидкая среда - цементный бетон; так и на границе раздела фаз: жидкая среда - металл.

Третья глава посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям массопереноса процессов жидкостной коррозии бетона первого вида. Проведена разработка математической модели процесса в замкнутой системе «жидкость-резервуар» (рис. 3) и ее анализ.

С{х,тЛ

Рис. 3. Схема резервуара для хранения жидкости

На практике очень важным случаем является коррозия I вида в условиях ограниченного объема жидкой фазы. Отличительной чертой такого процесса является то, что переход переносимого компонента «свободного гидрок-сида кальция» из твердой фазы в жидкую происходит при так называемых условиях ограниченного объема жидкой фазы, и концентрация вещества в послед-

ней меняется во времени. Математически эта задача в безразмерных координатах может быть представлена следующим образом:

дРо_, ~ дх2

Начальное условие:

г(х,о)=о. (П)

Граничные условия:

аг(о,д>.)_0 (12)

дх

«,„ дх .....

Окончательное решение краевой задачи для области больших значении Фурье, имеет вид:

2Гг Гп (И)

Значение концентрации переносимого компонента среднее по толщине конструкции в момент времени г, определяется интегрированием:

г* ) == Нг " еХР{~М„2), (15)

как и выражение для расчета кинетики изменения концентрации переносимого компонента в объеме жидкости:

гиъ)=^ (<4 - ]"']} ■ °б>

Некоторые результаты расчетов по выражениям (15), (16) представлены на рис. 4. Приведенные выражения позволяют определять значение концентра-

в ций переносимого компонента («свободного гидроксида кальция») по толщине конструкции в любой момент времени и, кроме того, дают возможность расчета содержаний этого вещества в жидкой фазе и среднее по толщине и объему конструкции, т.е. расчета кинетики 0 О-3 ' процесса по твердой и жидкой фазам.

Рис. 4. Кинетика изменения средней безразмерной Аналогично, ДЛЯ Области маЛЫХ ЗНа-конценграции в бетоне (1,2.3) и жидкости (4,5,6) при «

, " V , ,, ' , ' чении числа Фурье при больших зна-

следующих значениях 1,6- а1т|=0,1, го,,, 0,1; ' * 1

2,5- 5л*=0,5 = 0,5; 3,4 - В1т=1, = 1 чениях аргументов решение краевой задачи (10)-(13), полученное методом обратного преобразования Лапласа имеет вид выражения:

ZJO) Vfi,;,-4A'

^É(-l)' ехр[- а, (1 - х) + af Fom ]х er/c -Lj= - a,

(17)

у

выражение для расчета кинетики изменения концентрации переносимого компонента в объеме жидкости можно представить следующим образом:

= 1-

■jB¡l-4KmBi,

• I"» I

+ a, fexp(a?FoJ x erfc(-a¡y[fb^)dFo„ l. (18)

0,02 0,03 Го.

Рис. 5. Кинетика изменения средней безразмерной концентрации в бетоне для области малых значений чисел Фурье при следующих значениях В1т\ 1 - I; 2 -3; 3 -5; 4 -6; 5 - 7

Некоторые результаты расчетов по выражению (18) представлены на рис. 5. Z"(Fq") ' ! : 5 Анализ изменения средней

концентрации в бетоне показывает, что при Bi„ <3 средняя концентрация изменяется линейно.

Так же во второй главе приведены сведения об исходных материалах, основные методики изучения коррозионной стойкости бетона и результаты физико-химических исследований жидкой и твердой фаз, позволяющие судить об изменениях, произошедших в изучаемом материале вследствие воздействия реакционной среды. Физико-химический анализ материалов проводили, используя стандартные методики. Термический анализ цементного камня проводили на дериватографе Q-1500D системы «Paylic-Paylic-Erdey». Фурье преобразованные ИК-спектры снимали в матрице бромида калия на FT-IR спектрометре Avatar в центре коллективного пользования ИХР РАН-ИГХТУ. Коррозионная стойкость исследовалась в соответствии с разработанной методикой, подробно описанной в тексте диссертационной работы. Суждение о кинетике и степени развития процессов коррозии проводилось на основании результатов химических анализов жидкой и твердой фаз, а также других исследований,

позволяющих судить об изменениях, происшедших в цементном камне и жидкости в результате их взаимодействия. Для исследования процессов коррозии строительных материалов разработана установка, защищенная патентом на полезную модель № 71164 РФ от 27.02.2008. Результаты дифференциально-термического анализа пластин, составляющих образцы-кубы, приведены в таблице 2, при чем во всех пробах зафиксировано

Таблица 2

Содержание «свободного гидроксида кальция» в образцах

Образец Содержание Са(ОН)>, %

контр. 14 сут. 28 суг. 42 сут. 56 суг. 70 сут.

внешняя 1,57 1,35 1,34 1,24 1Д0

переходная 2,01 1,91 1,67 1,37 1,35 1,31

внутренняя пластина 2,00 1,71 1,52 1,42 1,38

10 15 20 25 30 35 -40 45 50 55 60 65 70

V

Рис. 6. Изменение концентрации

СМ,»10"

кг СаО/кг бег.

катионов Са

уМСПРШСЛПБ V * "«I---------"

при температуре 430-480°С, что подтверждается результатами ИК - спектрометрии. Кроме того, методом объемного титрования проводился контроль содержания катионов кальция в воде, результаты которого представлены на

рисунке 6. _

. 40!—--г-г—1——т—т—_1—1_ I гт! Анализ результатов про-

веденных комплексных физико-химических исследований

подтверждает принятые ранее модельные представления о характере массопереноса в рассматриваемой системе

«жидкость - твердая фаза» в условиях ограниченного объема жидкости. На основании полученных экспериментальных данных нами проведены расчеты по разработанной математической модели процесса массопереноса в процессах коррозии цементного бетона I вида. На рисунке 7 приведены профили концентраций «свободного гидроксида кальция»

о "Ой-002 003 *,М по толщине цементного бетона.

Рис. 7. Профили концентраций «свободного Численный анализ профилей кон-гидроксида кальция» по толщине бетона при г. центраций и результатов физико-1-14 сут; 2-28 сут; 3-42 сут; 4 - 56 суг; химических исследований позво-5 - 70 суг . п

лил рассчитать характеристики коррозионного массопереноса: к - 4,5-10 .2,_ч. о _ о 1.Ш-! = 0,284-103 (кг жидкости / кг бетона). С помощью

(м2/с); Р = 2,2-10 (м/с); т

полученных значений коэффициентов массопереноса проведены оценочные расчеты по решениям (17), (18). Результаты показали, что продолжительность начального периода коррозии первого вида для исследуемых образцов, т.е. времени выхода «свободного гидроксида кальция» и достижения значения его критической концентрации равной 1,1 кг/м (в пересчете на СаО), соответствующей началу разложения высокоосновных составляющих цементного бетона, составляет 5,1 года.

Четвертая глава посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям массопереноса процессов жидкостной коррозии цементного бетона второго вида, причем автор рассматривает два случая воздействия агрессивных водных растворов на цементный бетон: 2% М^СЬ и 0,001% НС1: Са(ОН)2 + \igCh —>СаС12 + Mg(OH)г, (19)

Са(ОН)2 + 2НС1 —*СаС12 + 2Н20. (20)

Акведуки, водоводы, резервуары, все указанные конструкции, выполняемые, как правило, из железобетона с физической точки зрения, представляют собой систему «жидкость - твердая фаза», которую с точки зрения разработки математических моделей массопереноса можно представить в виде системы «внешняя среда - неограниченная пластина» (рис.8). В безразмерных координатах краевая задача массопроводности имеет вид:

г.. г п, —

/ . <'-"' 11 - \

I

су-ш^

.г

а/ч>_

а?

Рот >0, 0<х<1. Начальные условия:

Граничные условия:

8в(х,Рот)

+ Ро' (7),

Рис. 8. Профили концентраций компонентов в бетоне. Т) и т: (тг > т0 -произвольные моменты времени; С1 (х,т) - концентрация «свободного гидроксида кальция» в бетоне, Сг(х,т) - концентрация агрессивного компонента в бетоне

в(х,Гот) = ~—(бЛ>„ +ЗТ! -1) + £со5(таТ)ехр (-л-V /-о.) + 6 Л я*] п

I I

+| в, (<?) + 2£>5 (ятк ) | в0 (4) С05 (лп*) ехр (-¿¿Го. ) +

0 »-1 О

( 372 + 2 ^ ' 1 1 1

V ® ) о о 2 0

]

• соэ(;г«Г)|Ро (£) сое(тгп£)• ехр{-тс^пТо^).

(21) (22)

(23)

(24)

дх

Решение системы уравнений (21)-(24), полученное методом интегральных преобразований Лапласа, имеет вид: (-О"

дх

дв(х,Гот)

= кг •

2 ~ 1

к ш и

(25)

В четвертой главе диссертационного исследования так же приведены окончательные решения системы уравнений (21) - (24) для областей больших и малых значений числа Фурье.

На определенной стадии развития коррозии наступает момент, когда концентрация переносимого компонента на границе с агрессивной средой становится равной нулю. При этом, задача массопереноса из диффузионно-кинетической, контролируемой внешней, внутренней диффузиями и химической кинетикой, переходит в задачу массопереноса, контролируемого только внутренней диффузией и химической кинетикой.

Для этого случая краевая задача массопроводности в безразмерных координатах запишется как задача (21) - (24), с отличием в граничном условии второго рода (24):

о. (26)

Общее решение задачи массопроводности, контролируемой внутридиф-фузным сопротивлением и химической кинетикой имеет вид:

0(х. Рот) = 21 в,-2} о. («) + ) Ро \ Г° ({) Ж -

хехр[-^(2я-1)! «>. ро'(г)со»^(2п-1)^

......... .................... .... ____________(27)

яг(2п-1)

В общем случае для потока массы вещества вследствие массоотдачи в жидкой фазе, можно записать:

9.-/»[сМ„,-с,(т)]. (28>

В соответствии с положениями химической кинетики, уравнения (19), (20) является уравнением второго порядка, что установлено нами экспериментальным путем и подтверждается литературными и справочными данными. В итоге после несложных преобразований получаем плотность потока массы агрессивного компонента в жидкой фазе:

""" гкс,

<7, = -р(са

]т+"

р

р

(29)

Здесь же рассмотрены некоторые частные случаи расчета динамики массопереноса: при равномерном начальном распределении концентраций, а именно: отсутствие источника массы; равномерное распределение источника по координате; распределение источника по степенной зависимости; распределение источника по ступенчатой дельта-функции Дирака; частный случай задачи массопроводности, контролируемой внутридиффузным сопротивлением и химической кинетикой, когда источник массы отсутствует, а начальное распределение концентраций равномерное. Для этих случаев в диссертации приведены решения и некоторые результаты расчетов в форме графических изображений. В тексте четвертой главы автор приводит характеристику изучаемых материалов и применяемые методики, в дополнение к описанным

в третьей главе диссертационного исследования. В частности, порометрические измерения проводили на автоматизированном ртутном поромере (порозиметре) АЩоРоге IV 9520 фирмы МгсготегШсв (США) в рамках хозрасчетного договора, заключенного с Институтом катализа им. Г. К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук (ИК СО РАН) г. Новосибирск №362и/09 от 15.09.2009. Для уточнения возможных продуктов, методом потенциометрического титрования — рК-спектроскопии, были проведены исследования кислотно-основных свойств реакций (19), (20). Далее проанализированы результаты физико-химических исследований жидкой и твердой фаз, позволяющие судить об изменениях, происшедших в цементном камне вследствие воздействия водных сред. В соответствии с методикой проведения исследований, изложенной в третьей главе, пластины, составляющие образцы-кубы, подвергались дифференциально-термическому анализу, результаты которого сведены в таблицу 3.

Таблица 3

Содержание «свободного гидроксида кальция» в порах образцов,

(в пересчете на СаО), %

Содержание Са(ОН)2, %

Образец после воздействия 2% водного раствора MgCl2

контр. 14 сут. 28 сут. 42 сут. 56 сут. 70 сут.

внешняя пластина 1,97 1,24 1,01 0,87 0,81 0,78

переходная пластина 1,77 1,62 1,49 1,26 1,18

внутренняя пластина 1,96 1,91 1,76 1,54 1,37

после воздействия 0,001% водного раствора HCl

внешняя пластина 1,97 1,16 0,85 0,68 0,60 0,56

переходная пластина 1,80 1,53 1,41 1,25 1,12

внутренняя пластина 1,95 1,79 1,64 1,40 1,30

По данным дифференциально-термического анализа во всех пробах зафиксировано уменьшение содержания «свободного гидроксида кальция» по эндоэффекту при температурах 430-480°С. Кроме того, комплексонометри-ческим методом объемного анализа проводился контроль содержания катионов кальция и магния в водном растворе MgClj. В соответствии с этой же методикой проводился контроль содержания катионов кальция в водном растворе HCl. Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 9. В результате обработки экспериментальных данных, полученных методом ртутной порометрии, были определены: распределение пор по размерам, общий объем открытых пор и удельная поверхность образцов. Анализ результатов проведенных комплексных физико-химических исследований подтверждает принятые ранее модельные представления о характере коррозионного массопереноса в рассматриваемой системе «агрессивная жидкая среда - бетон». Так же в четвертой главе автор приводит результаты рас-

четов по разработанной математической модели массопереноса в процессах жидкостной коррозии цементного бетона II вида.

На рисунках 10, 11 приведены профили концентраций «свободного гидроксида кальция» по толщине образцов в солевой и кислотной водных средах. Численный анализ профилей концентраций и результатов химических исследований позволил рассчитать характеристики коррозионного массо-

Рис. 9. Изменение концентрации катионов Са2+ и в жидкой фазе: 1 - Са2+ в растворе НС1; 2 - Саг* в

растворе М§СЬ; 3 - Мё в растворе М§СЬ

С«,™* «гСЛЛгбет.

С (г^йО*1 вСУУп&х.

0 0,01 0,02 0,03 х,ы Рис. 10. Профили концентраций «свободного Са(ОН>2» по толщине образца в 2% водном растворе \1gCl2 при г. 1 -14 сут; 2 - 28 сут; 3-42 сут; 4-56 сут; 5-70 сут переноса по следующим законам для агрессивных водных растворов М§С12 и НС1 соответственно:

(30)

0,01 0,02 0,03 х, м Рис. 11. Профили концентраций «свободного

Са(ОН)г» по толщине образца в 0,001% водном растворе НС1 при т: 1 - 14 сут; 2-28 сут; 3 - 42 сут; 4 - 56 сут; 5 - 70 сут

А-Ю10 =14,44-0,15-г-2,72-Ю-3 -т2+3,1-10~5 -г3, Л-Ю10 =20,77-0,49-Г + 2,577-Ю"3 •г2 + 0,678-10-5т3.

(31)

С помощью полученных значений коэффициентов массопереноса проведены расчеты по решению (30). Результаты показали, что продолжительность начального периода коррозии второго вида для исследуемых образцов, по кинетике убывания «свободного гидроксида кальция», при воздействии 2% раствора водного М§С12 составляет 2,8 года; при воздействии 0,001% водного раствора составляет 2,4 года.

В пятой главе теоретически и экспериментально исследован массооб-менный механизм подвода электролита к поверхности твердой фазы (арматурной стали, алюминиевого сплава), проанализированы результаты изучения коррозионных процессов в системе «жидкость - металл (арматурная сталь, алюминиевые сплавы)». В соответствии планом экспериментальных исследований на уровне патента на изобретение № 2370569 РФ от 24.06.2008 разработан состав раствора для холодного фосфатирования стальной

арматуры; изучено коррозионное поведение стальной арматуры в растворах электролита с помощью поляризационных измерений, исследований сопротивления системы «жидкость - твердое тело», определены адгезия, толщина и защитные свойства фосфатной пленки. В качестве объектов исследования выбраны образцы стали арматурной термомеханической упрочненной, класс прочности А 240 (A-I). Образцы, покрытые фосфатными пленками подверглись коррозионным испытаниям.

Отмечается, что после выдержки на воздухе в течение суток, защитная способность пленки возрастает в результате дальнейшего окисления железа в порах плёнки, что полностью согласуется с данными о доброкачественности пленки, полученными после испытаний в течение 15 суток в камере тропической влаги и солевого тумана, а также выдержкой образцов в 3%-ном растворе NaCI. Аналогичные результаты были получены и в ходе поляризационных измерений в водном растворе NaCI 2 г/л (рис. 12). Так же было измерено сопротивление поляризации в ходе процесса фосфатирования (рис. 13). Большее значение сопротивления в растворе холодного фосфатирования свидетельствует о том, что пленка, сформированная из него, имеет меньшую пористость и более мелкокристаллическую структуру.

1. A'.I ч'

Рис.12. Анодные потенциодинамические кривые электрода из арматурной стали в растворе ИаС12 г/л: 1 - образец без обработки; 2 -образец, обработанный в традиционном растворе; 3 -образец, обработанный в растворе холодного фосфатирования;

Т = 298 К; V = 5 мВ/сек

Рис. 13. Зависимость сопротивления двухэлектродной системы от времени выдержки в растворах: 1 - традиционный раствор; 2 - раствор холодного фосфатирования

Кроме того, из графика (рис.13) следует, что формирование пленки из разработанного раствора происходит за меньший промежуток времени, поскольку максимальное значение сопротивления достигается уже через 10 минут обработки. Дополнительные сведения о процессе холодного фосфатирования были получены в ходе хронопотенциометрических исследований (рис. 14). Пик на графике свидетельствует о том, что первым этапом процесса является активация поверхности, т.е. стравливание естественной оксидной пленки с поверхности стали. Только после этого

начинается процесс холодного фосфатирования, о чем свидетельствует смещение потенциала в область положительных значений. После 10 - 15 минут выдержки в растворе холодного фосфатирования, потенциал стали стабилизируется. Тогда как в стандартном растворе продолжается процесс наращивания пленки. Эти данные согласуются с результатами, полученными при измерениях электрического сопротивления двухэлектродной системы. Далее были изучены антикоррозионные свойства фосфатной пленки на стальной арматуре под защитным слоем бетона, в соответствии с методикой, изложенной в тексте диссертационной работы. На образце без обработки видны крупные очаги коррозии (рис.15), на образце покрытым фосфатной пленкой они незначительны.

600 7М ко

Рис. 14. Зависимость потенциала стального Рис. 15. Образцы после 1 месяца в раство-электрода от времени выдержки в растворах: ре 0,1 М ИаС1: 1 - покрытый пленкой 1 - традиционный раствор; 2 - раствор холод- фосфатов; 2 -без обработки

ного фосфатирования В результате проведенных комплексных физико-химических исследований разработан и внедрен в производство (акт внедрения результатов научно-исследовательской работы в ЗАО «Радугаэнерго» от 12.09.2010, Владимирская обл., г. Радужный) раствор холодного фосфатирования, экономическая эффективность от внедрения составляет 6 - 9% от суммы вложенных средств.

Одним из перспективных методов защиты изделий из алюминиевых сплавов является покрытие металлической поверхности водоразбавляемыми лакокрасочными полимерными материалами способом автоосаждения (самоосаждение, автофорез, хемоосаждение), при котором осаждение пленкообразующих веществ на поверхности изделий осуществляется без применения электрического тока, давления и других факторов. Этот процесс протекает за счет энергии химических реакций и начинается в момент погружения изделия на границе раздела двух фаз: олигомерный водный раствор - металл. На всей смоченной раствором поверхности образуется слой, который после промывки водой и термоотверждения превращается в однородную гидрофобную пленку. Однако метод автоосаждения до настоящего времени не нашел широкого применения. В качестве объектов исследований были выбраны водные растворы карбоксилсодержащего пленкообразователя - лака КЧ-0125. Коррозионные исследования на образцах

из алюминиевого сплава АМг2П проводили: гравиметрическим и потенцио-метрическим методами; изучали характер изменения рН растворов вблизи металлической поверхности. Наличие на поверхности металла олигомерных пленок определяли капельным методом, о плотности автоосажденной пленки на повехности алюминиевого сплава судили по величине омической составляющей при включении поляризующего тока (гальваностатический режим), проводили вискозиметрические исследования, определяли кислотные числа пленкообразователя, олигомерных осадков и сухой остаток плен-кообразователя. Об ионизации металла - основы судили по результатам качественного анализа олигомерных осадков и водных растворов на наличие в них следов трехвалентного алюминия. Качество автоосажденных покрытий оценивали по стандартным методикам: оценивали прочность на удар, эластичность и адгезию. Коррозионные испытания полученных покрытий проводили в камере тропической влаги и солевого тумана, а также выдержкой образцов в 3%-ном растворе №СЛ. В соответствии с планом эксперимента было исследовано коррозионное поведение алюминиевого сплава АМг2П в растворах олигомерных карбоксилсодержащих композиций. Опытные данные показывают, что скорость коррозии алюминиевого сплава АМг2П в карбоксилсодержащей композиции с добавкой ИПС, возрастает с увеличением рН фонового раствора и раствора олигомерной композиции (рис. 16).

7 8 9 10 11 рН

Рис. 16. Зависимость скорости коррозии от рН водных растворов: 1 - фоновый раствор (Н2С204 2Н20 = 0,1 моль/л); 2- 4% раствор лакокрасочной композиции; 3 - 8% раствор лакокрасочной композиции

б 7 8 9 10 11 рН Рис. 17. Зависимость потенциала алюминиевого сплава от рН водных растворов: 1 -теоретическая кривая для системы АЬ -Н2 О по Пурбе; 2 - фоновый раствор: 3 - 4% раствор лакокрасочной композиции; 4 - 8% раствор лакокрасочной композиции

Одновременно с этим потенциал алюминиевого электрода становиться более отрицательным (рис. 17), исходя из этого, можно сделать вывод о том, что увеличение скорости коррозии алюминиевого сплава АМг2П осуществляется за счет облегчения анодного процесса:

2А1 + 9Н20 = А12Оз + 6Н30++ 6ё, (32)

на катодных участках (в порах оксидной пленки) при рН = 6-11 идет процесс восстановления молекул воды:

(К)6Н20 + 6ё = ЗН2 + 60Н\ (33)

За счет некомпенсированных зарядов ионов гидроксония Н30 , и гидроксильных групп ОН", в первые 50 секунд процесса создается высокое закисление приэлектродного пространства в результате анодного процесса коррозии на границе раздела фаз «электрод - электролит». На рис. 18 представлены данные изменения рН приэлектродного пространства от времени нахождения алюминиевого сплава АМг2П в растворе фона и в композициях для автоосаждения. При сравнении омической составляющей в фоновом и автофорезных растворах наблюдается высокое значение АУ в последних, что связано с наличием на поверхности алюминиевого сплава АМг2П автоосажденных пленок (рис.19). р"1

50 100 150 21Я 250 .*>! 15£| 401» 4.4) ЗД> НО 6СЩ с

2.0 I, мА/дм'

Рис.18. Изменение рН приэлектродного пространства от времени: 1 - фоновый раствор; 2 - 4% раствор лакокрасочной композиции; 3 - 8% раствор лакокрасочной композиции

Рис. 19. Зависимость омической составляющей от величины поляризующего тока: 1 -фоновый раствор, 2 - 4% раствор лакокрасочной композиции; 3 — 8% раствор лакокрасочной композиции

На основании результатов экспериментальных данных и сведении о структуре полимерных водных растворов можно описать предполагаемый механизм процесса автоосаждения олигомерных пленок на алюминиевом сплаве АМг2П:

- Первая стадия начинается с миграции отрицательно заряженных мицелл к поверхности алюминиевого сплава, их ориентации полярными группами по отношению к полярным группам оксида металла. Как только расстояние между молекулами становится меньше 0,5 нм, то устанавливается адсорбционное равновесие, и начинают действовать молекулярные силы с последующим образованием фазового полимолекулярного слоя. Об адсорбции карбоксилсодержащих пленкообразующих можно судить по величине электродного потенциала алюминия, смещающегося в отрицательную сторону.

- Вторая стадия характеризуется протеканием химических реакций на анодных и катодных участках поверхности соответственно. Причем коррозионные процессы на алюминиевом сплаве протекают с сильным торможением на катодных участках поверхности, а анодные -сопровождаются генерацией ионов гидроксония. Образование полимолекулярного фазового слоя возможно потому, что согласно теории

возникновения стационарных потенциалов анодные и катодные участки на металлической поверхности чередуются во времени и на обновленных поверхностях образуются все новые адсорбционные слои. - Третья стадия - стадия формирования фазового адсорбционного слоя в виде геля или студня по механизму «кислой» формы в результате взаимодействия адсорбционных частиц олигомера с ионами гидроксония. После образования первичного слоя на обновленной поверхности образуется второй слой и т.д.

Анализ экспериментальных данных, позволяет сделать вывод о том, что на процесс образования качественного автоосажденного олигомерного покрытия основное влияние оказывают следующие факторы: рН автофорезной композиции; время процесса; концентрация пленкообразователя. Границы интервала рН полиэлектролита определялись с одной стороны неустойчивостью лакокрасочной композиции, приводящей к осаждению лака в объеме ванны и получению неравномерных гелеобразных осадков, а с другой - подрастворением образующегося гелеобразного покрытия. Установлено, что область качественных покрытий лежит в интервале рН 6,5-7,0. Большое влияние на качество олигомерных покрытий оказывает время процесса автоосаждения. При продолжительности автофореза более 4 минут имеет место снижение стойкости покрытия к воздействию агрессивных растворов. При увеличении времени процесса в результате выравнивания концентрации ионов Н+ вблизи поверхности изделий и объеме раствора наблюдается обратный процесс подрастворения образовавшегося покрытия. При уменьшении времени процесса менее 2 минут из растворов лака КЧ-0125 низких концентраций покрытия не образуются. Оптимальной концентрацией олигомера КЧ-0125 для защиты от коррозии алюминиевого сплава АМг2П, применяемого в строительной индустрии можно считать 8% (масс.). Технологический процесс получения покрытий состоит из следующих основных операций: подготовка поверхности изделий; автоосаждение лаковой пленки; промывка; термоотверждение пленки при 130°С в течение 30 минут.

Все выше изложенное дает возможность разработать состав универсальной лакокрасочной композиции из нейтральных сред и технологии ее нанесения, отраженных в патенте на изобретение № 2142971 РФ от 09.10.1997 и заявках на изобретения РФ от 19.07.2010 №2010130247, № 2010130248. Результаты научных исследований апробированы и внедрены 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).

Шестая глава диссертационного исследования посвящена разработке на основании полученных экспериментальных данных научно обоснованных рекомендаций по повышению коррозионной стойкости строительных конструкций к воздействию жидких сред. ГОУВПО «ИГАСУ» на основании договора с ООО «ЭГГЕР-Древпродукт» провело обследование резервуара из сборного железобетона, расположенного в г. Шуя Ивановской области. По

результатам обследования резервуара было установлено, что резерв защитной способности бетона по отношению к конструктивной арматуре практически исчерпан. Единственным условием для продления срока службы резервуара является создание эффективного защитного слоя бетона. Для практической оценки срока службы защитного слоя были выполнены расчеты по разработанной математической модели коррозии первого вида, согласно которых концентрация «свободного гидроксида кальция» на поверхности защитного слоя достигнет значения, соответствующего началу разложения высокоосновных составляющих бетона, при массообменном критерии Fom равном: 0,0495; 0,0192; 0,0808; 0,0709 и 0,0042 соответственно. Рассчитанным значениям массообменного критерия Фурье соответствуют временные значения: Fom = 0,0495 - 12 лет; Fo„, = 0,0192 - 7,7 лет; Fo„, = 0,0808 - 4,5 года; Fom = 0,0709 - 5 лет; Fom = 0,0042 - 3,5 года. Анализ результатов расчета позволяет сделать следующие выводы. Долговечность защитного слоя толщиной 50...100 мм (не более 7,7 лет) недостаточна для обеспечения межремонтного срока службы резервуара, равного 10 годам согласно требованиям эксплуатационной организации. С другой стороны, срок защитного действия в 12 лет обеспечивается при толщине покрытия 30 мм. На основании выполненных исследований разработаны практические рекомендации (акт о внедрении результатов научно-исследовательской работы в ООО «ЭГГЕР-Древпродукт» от 01.09.2008, Ивановская обл., г. Шуя). Согласно СНиП 2.03.11-85 «Защита строительных конструкций от коррозии» и пособию к СНиП 2.03.11-85 «Пособие по проектированию защиты от коррозии бетонных и железобетонных строительных конструкций» для такого типа резервуаров капитальный ремонт следует производить не реже чем раз в 10 лет. Выполнение предложенных нами мероприятий согласно проведенным исследованиям увеличивает этот срок до 12 лет. Экономическая эффективность от внедрения результатов исследований заключается в продлении ресурса пожарного резервуара. Учитывая, что затраты на проведение ремонтно-восстановительных работ составляют 12 % от стоимости строительства нового резервуара, то расчет дает экономию в 5 % (53 803 руб. в ценах 2008) от проведения плановых ремонтных мероприятий (акт о внедрении результатов научно-исследовательской работы в ООО «ЭГГЕР-Древпродукт» от 01.09.2008, Ивановская обл., г. Шуя).

На основе разработанной математической модели коррозионного массо-переноса предложена инженерная методика расчета, и разработана компьютерная программа для определения времени завершения начального этапа коррозии цементного бетона I (II) видов, которая применяется при проведении обследований строительных конструкций сооружений г. Москвы. Практические рекомендации заключаются в повышении коррозионной стойкости железобетонных наливных сооружений и включают в себя исследования массопереноса при жидкостной коррозии цементных бетонов. 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).

Разработанные в диссертации подходы к моделированию коррозионных процессов используются 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 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).

В заключении приведены основные выводы по диссертации:

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» на начальных этапах коррозионного массопереноса.

2. Обоснована общность методологического 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 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 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 М§С12 может составлять порядка 2,8 лет, а при воздействии 0,001% водного раствора НС1 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 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.

9. 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 «СТРОИПРОЕКТЗАЩИТА» 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);

- 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).

Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному консультанту академику РААСН, доктору технических наук, профессору C.B. Федосову, члену-корреспонденту РААСН, доктору технических наук, профессору P.M. Алояну, кандидату химических наук, профессору H.JI. Федосовой.

Принятые обозначения:

6гр - толщина пограничного слоя, м; í = а; п - агрессивный компонент или продукт реакции соответственно; А - коэффициент диффузии компонента i в сплошной среде; c¡ - концентрация переносимого компонента в объеме жидкой фазы, кг/м3; С0 - концентрация компонента в ядре потока кг/м ; 5 -толщина стенки конструкции, м; т - время процесса, с; j - плотность диффузионного потока массы вещества, кг/(м2-с); Ргл - диффузионное число Пран-дтля; v - кинематическая вязкость, м2/с; g- ускорение силы тяжести, м/с2; х -характерный размер, м; а - эмпирический коэффициент; Я - высота вертикальной поверхности, м; S - площадь поверхности образца, м2; т0, mi - начальная и конечная массы образцов соответственно, кг; р - коэффициент массоотдачи в жидкой среде, м/с; к - коэффициент массопроводности, м /с; т - константа равновесия (Генри), определяющая условия равновесия компонента между жидкой и твердой фазами; рБ, р* - плотности бетона и жидкости соответственно, кг/м3; С(х,х) - концентрация «свободного гидро-ксида кальция» в бетоне в момент времени т в произвольной точке с координатой х, в пересчете на СаО - кг СаО/кг бетона; С0(х) - концентрация «свободного гидроксида кальция» в бетоне в начальный момент времени в произвольной точке с координатой х, кг СаО/кг бетона; Ср(т) - концентрация компонента в твердой фазе, равновесная содержанию компонента в жидкой среде, кг СаО/кг бетона; Сж(т) - концентрация переносимого компонента в жидкой фазе, кг/м3; вБ,вж- массы бетонного резервуара и жидкости в резервуаре соответственно, кг; х = х!8 - относительная координата; Fo = к ■ t¡8* ~ массообменный критерий Фурье; В'„ = Р ■ Sjk - массообменный критерий Био; Km = m ■ GjGx - коэффициент, учитывающий характеристики

фаз; Z(x, Fom ) = С° ~ ^ - безразмерная концентрация переносимого

компонента по толщине бетона в произвольный момент времени;

2 (ррт )=Со~т'С"^)~ безразмерная концентрация переносимого

Со

компонента в жидкости; q/x) - источник массы вещества в результате химических или фазовых превращений, кг/(м3-с); q„ - плотность потока массы вещества из бетона в жидкую среду на границе раздела фаз, кг/(м -с); СА0, Сап - концентрации агрессивного компонента в объеме жидкой фазы и

вблизи поверхности раздела фаз, кг/м3; аГ = — - модифицированный критерий Кирпичева; Pouy) = íá¿l£. - модифицированный критерий

Померанцева; á(x,Fom) = - безразмерная концентрация

переносимого компонента по толщине бетона в произвольный момент времени; R - сопротивление, Ом; Е - потенциал, В; i -плотность тока, А/см , А/дм2; AV - омическая составляющая, В.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

публикации, включенные в перечень, определенный ВАК РФ:

1. Моделирование массопереноса в процессах жидкостной коррозии бетона 1 вида / C.B. Федосов, В.Е. Румянцева, H.JL Федосова, В.Л. Смельцов // Строит, материалы. 2005. № 7. С. 60-62.

2. Моделирование массопереноса в процессах коррозии бетонов первого вида (малые значения числа Фурье) / C.B. Федосов, В.Е. Румянцева, В.А. Хрунов, Л.Н. Аксаковская // Строит, материалы. 2007. № 5. С. 70-71.

3. Федосов, C.B. Математическое моделирование массопереноса в процессах коррозии бетона второго вида / C.B. Федосов, В.Е. Румянцева, Н.С. Касьяненко И Строит, материалы. 2008. № 7. С. 35-39.

4. Прогнозирование долговечности строительных конструкций с позиций расчетного и экспериментального исследования процессов коррозии бетона / C.B. Федосов, В.Е. Румянцева, В.А. Хрунов, Н.С. Касьяненко,

B.Л. Смельцов // Вестн. ВолгГАСУ. Сер. Строительство и архитектура. Разд. Строит, материалы и изделия. 2009. Вып. 14 (33). С. 117-122.

5. Румянцева, В.Е. Математическое моделирование массопереноса, лимитированного внутренней диффузией в процессах коррозии бетона первого и второго видов / В.Е. Румянцева // Строит, материалы. 2009. № 2.

C. 22-25.

6. Федосов, C.B. Защита от коррозии арматурной стали методом холодного фосфатирования / C.B. Федосов, В.Е. Румянцева // Вестн. МГСУ: науч.-техн. журн. 2009. № 4. С. 188-191.

7. Румянцева, В.Е. Некоторые теоретические и прикладные аспекты противокоррозионной защиты арматурной стали / В.Е. Румянцева, C.B. Федосов // Строит, материалы. 2010. № 5. с. 57-60.

8. Федосов, C.B. Физико-химические основы жидкостной коррозии второго вида цементных бетонов / C.B. Федосов, В.Е. Румянцева, Н.С. Касьяненко // Строительство и реконструкция. 2010. № 4 (30). С. 74-77.

9. Румянцева, В.Е. Экспериментальные исследования процессов массопереноса при жидкостной коррозии цементных бетонов / В.Е. Румянцева, Н.Л. Федосова, В.Л. Смельцов, В.А. Хрунов, А.Я. Костерин // Приволж. науч. журн. 2010. № 1. С. 39-45.

10. Федосов, C.B. О некоторых проблемах долговечности железобетонных конструкций при жидкостной коррозии / C.B. Федосов, В.Е. Румянцева // Вестн. гражданских инженеров. 2010. № 4 (25). С. 130-135.

11. Федосов, C.B. Теория и практика антикоррозионной защиты строительных конструкций из алюминиевых сплавов методом автоосаждения. Часть I / C.B. Федосов, В.Е. Румянцева // Строительство и реконструкция. 2010. № 6 (32) С. 94-100.

12. Федосов, C.B. Теория и практика антикоррозионной защиты строительных конструкций из алюминиевых сплавов методом

автоосаждения. Часть II / C.B. Федосов, В.Е. Румянцева // Строительство и реконструкция. 2011. № 1 (33). С. 76-80.

13. Федосов, C.B. Массоперенос в процессах жидкостной коррозии второго вида цементных бетонов контролируемый диффузионно-кинетическим сопротивлением / C.B. Федосов, В.Е. Румянцева, Н.С. Касьяненко // Строит, материалы. 2011. № 1. С. 50-53.

14. Нестационарный массоперенос в процессах коррозии второго вида цементных бетонов (малые значения числа Фурье) / C.B. Федосов, В.Е. Румянцева, Н.С. Касьяненко, Ю.В. Манохина // Вестн. гражданских инженеров. 2011. № 1 (26). С. 104-107.

15. Федосов, C.B. Модель динамики пограничного слоя в процессах коррозионного массопереноса / C.B. Федосов, В.Е. Румянцева // Строит, материалы. 2011. № 5. С. 4-7.

16. Антикоррозионная защита металлов в строительстве: проблемы и пути их решения / C.B. Федосов, В.Е. Румянцева, H.JI. Федосова, К.Е. Румянцева // Строительство и реконструкция. 2011. № 2 (34). С. 95-102.

17. Моделирование пограничного слоя в процессах массопереноса при жидкостной коррозии железобетонных конструкций / C.B. Федосов, В.Е. Румянцева, К.Е. Румянцева, В.А. Хрунов // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2011. Т.54. № 6. С. 96-100.

18. Румянцева, В.Е. Коррозионное поведение алюминия в водоразбавляемых карбоксилсодержащих полибутадиенах / В.Е. Румянцева,

B.К. Горшков, Г.Л. Кокурина // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 1995. Т.38. №3. С. 104-108.

19. Румянцева, В.Е. Автоосаждение лака КЧ-0125 на алюминиевых поверхностях с различными органическими модификаторами / В.Е. Румянцева, В.К. Горшков // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 1995. Т. 39. № 1-2.

C. 90-92.

20. Румянцева, В.Е. Технология автоосаждения карбоксилсодержащего полибутадиенового лака (КЧ-0125) на алюминий и его сплавы / В.Е. Румянцева, В.К. Горшков // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 1996. Т.39. №3. С. 98-100.

21. Румянцева, В.Е. Технология автоосаждения коррозионно-стойких покрытий из раствора лака КЧ-0125 на поверхность алюминиевых сплавов / В.Е. Румянцева, В.К. Горшков, ВЛ. Рогов // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 1998. Т.41. №2. С. 90-93.

22. Защитная лаковая композиция для алюминиевых сплавов и способ нанесения лаковой композиции на сложнопрофилированные устройства из алюминиевых сплавов: пат. 2142971 Рос. Федерация. № 97117382/04; заявл. 09.10.1997; опубл. 20.12.1999, Бюл. № 35.

23. Раствор для холодного фосфатирования стальной арматуры: пат. 2370569 Рос. Федерация. № 2008130731/02; заявл. 24.07.2008; опубл. 20.10.2009, Бюл. №29.

основные статьи и тезисы докладов в журналах, сборниках трудов и материалов научных конференций:

24. Массоперенос между неограниченной пластиной и ограниченным объемом жидкости / C.B. Федосов, В.Е. Румянцева, H.JI. Федосова,

B.А. Хрунов // Бетон и железобетон в третьем тысячелетии: материалы IV Междунар. науч.-практ. конф. Т. 2. Ростов н/Д: РГСУ, 2006. С. 511-515.

25. Моделирование процессов коррозии бетона первого вида /

C.B. Федосов, В.Е. Румянцева, H.JI. Федосова, В.А. Хрунов // Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности, экологии: докл. V Всерос. науч.-техн. конф. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. С. 152-155.

26. Федосов, C.B. О некоторых аспектах проблемы коррозии бетона и железобетона / C.B. Федосов, В.Е. Румянцева, В.А. Хрунов // Современные инновационные технологии и оборудование: сб. докл. Всерос. науч.-техн. конф. Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. С. 111-113.

27. Коррозия бетона — проблемы, пути решения (теория, эксперимент) /

B.Е. Румянцева, C.B. Федосов, В.А. Хрунов, В.Л. Смельцов // Теоретические основы создания, оптимизации и управления энерго- и ресурсосберегающими процессами и оборудованием: сб. тр. Междунар. науч. конф. Т. 1. Иваново: ИГХТУ, 2007. С. 343-350.

28. Федосов, C.B. Об особенностях расчета процессов коррозии бетона /

C.B. Федосов, В.Е. Румянцева, В.А. Хрунов // Состояние и перспективы развития энерготехнологии (XIV Бенардосовские чтения): материалы Междунар. науч.-техн. конф. Т. 1. Иваново: ИГЭУ, 2007. С. 108.

29. К вопросу о коррозии бетона / C.B. Федосов, В.Е. Румянцева,

B.А. Хрунов, В.Л. Смельцов // Итоги строительной науки: материалы V Междунар. науч.-техн. конф. Владимир: ВлГУ, 2007. С. 145-152.

30. Особенности коррозии бетонов по механизму первого вида /

C.B. Федосов, В.Е. Румянцева, В.А. Хрунов, В.Л. Смельцов // Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре: сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. Липецк: ЛГТУ, 2007. С. 133-138.

31. Некоторые проблемы математического моделирования процессов коррозии бетона / C.B. Федосов, В.Е. Румянцева, В.А. Хрунов, Н.С. Касьяненко, В.Л. Смельцов // Вестн. центр, регион, отд-ния РААСН. Вып. 7. Воронеж; Липецк: ЛГТУ, 2008. С. 171-177.

32. Проблемы коррозии бетона / Н.Л. Федосова, В.Е. Румянцева, В.А. Хрунов, В.Л. Смельцов // Вестн. Ярослав, регион, отд-ния РАЕН. 2008. Т. 2. № 1.С. 34-36.

33. Румянцева, В.Е. Проблемы коррозии бетона и железобетона с позиции математического моделирования / В.Е. Румянцева, C.B. Федосов, В.А. Хрунов // Информационная среда вуза: сб. материалов XV Междунар. науч.-техн. конф. Иваново: ИГ АСУ, 2008. С. 302-307.

34. Румянцева, В.Е. Исследование процесса холодного фосфатирования арматурной стали / В.Е. Румянцева, A.B. Балмасов, В.Е. Семенов //

Современные методы в теоретической и прикладной электрохимии: материалы I Междунар. науч. конф. Иваново; Плес: ИГХТУ, 2008. С. 128.

35. Румянцева, В.Е. Практические аспекты исследований процессов жидкостной коррозии первого вида (частный случай - резервуар для пожаротушения) / В.Е. Румянцева, A.B. Игнатьев // Актуальные вопросы противопожарного водоснабжения: сб. материалов межвуз. науч. семинара. Иваново: ИИГПС, 2009. С. 42-45.

36. О некоторых проблемах математического моделирования массообменных процессов жидкостной коррозии бетонов второго вида / В.Е. Румянцева, C.B. Федосов, Н.Л. Федосова, Н.С. Касьяненко // Информационная среда вуза: сб. материалов XVI Междунар. науч.-техн. конф. Иваново: ИГАСУ, 2009. С. 432-436.

37. Коррозия цементных бетонов. Виды и методы исследования / В.Е. Румянцева, Н.Л. Федосова, A.B. Игнатьев, М.Е. Шестеркин // Современные технологии в машиностроении: сб. ст. XIII Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Приволжский дом знаний, 2009. С. 29-31.

38. Федосов, C.B. О некоторых проблемах математического моделирования жидкостной коррозии бетона второго вида / C.B. Федосов, В.Е. Румянцева, Н.С. Касьяненко // Вестн. отд-ния строит, наук. Вып. 13. М.; Орел, 2009. С. 93-101.

39. Прогнозирование долговечности конструкций типа «резервуар» с позиций расчетного и экспериментального исследования процессов коррозии бетона первого вида / C.B. Федосов, В.Е. Румянцева, В.А. Хрунов, Н.С. Касьяненко, В.Л. Смельцов // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов: материалы V Междунар. конф. Волгоград: ВолгГАСУ, 2009. С. 92-99.

40. Этапы математического моделирования процессов массопереноса при коррозии I и II видов / C.B. Федосов, Н.Л. Федосова, В.Е. Румянцева, Н.С. Касьяненко //1 Акад. чт. «Актуальные проблемы бетона и железобетона. Материалы и конструкции. Расчет и проектирование»: материалы науч,-практ. конф. Ростов н/Д: РГСУ, 2010. С. 69-71.

41. Румянцева, В.Е. Антикоррозионная защита строительных конструкций из алюминиевых сплавов методом автоосаждения / В.Е. Румянцева, М.В. Лосева, Н.Л. Федосова // Физико-химические основы строительного материаловедения: сб. материалов Междунар. науч. конф., по-свящ. 85-летию В.И. Бабушкина. Харьков: ХГТУАиС, 2010. С. 264-268.

42. Румянцева, В.Е. Новые подходы к антикоррозионной защите строительных конструкций из алюминиевых сплавов / В.Е. Румянцева, М.В. Лосева, Н.Л. Федосова // Информационная среда вуза: сб. материалов XVII Междунар. науч.-техн. конф. Иваново: ИГАСУ, 2010. С. 165-169.

43. Массоперенос в системе «бетон - агрессивная жидкая фаза», осложненный химической реакцией на границе раздела / C.B. Федосов, В.Е. Румянцева, Н.С. Касьяненко, В.А. Хрунов // Вестн. отд-ния строит, наук. Вып. 15. М.; Орел; Курск, 2011. С. 216-219.

44. Федосов, C.B. Модель динамики пограничного слоя в процессах

массопереноса при коррозии строительных материалов и конструкций / C.B. Федосов, В.Е. Румянцева, К.Е. Румянцева // Фундаментальные аспекты коррозионного материаловедения и защиты металлов от коррозии: сб. тез. докл. Междунар. науч. конф., посвящ. 100-летию Г.В. Акимова М.: ИФХЭ РАН им. А.Н. Фрумкина, 2011. С. 137.

патенты на полезную модель РФ:

45. Прибор для исследования процессов коррозии строительных материалов: пат. 71164 Рос. Федерация. № 2007140044/22; заявл. 29.10.07; опубл. 27.02.08, Бюл. № 6.

46. Стенка гидротехнического сооружения: пат. 84864 Рос. Федерация. №2009111119/22; заявл. 26.03.09; опубл. 20.07.09, Бюл. № 20.

основные учебные пособия:

47. Сборник задач и упражнений по химии: учеб. пособие / H.J1. Федосова, В.Е. Румянцева, М.В. Лосева, Г.Л. Кокурина, Т.В. Чеснокова; под ред. Н.Л. Федосовой. M.: АСВ, 2003. 230 с. (Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов РФ по образованию в области строительства в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению 653500 «Строительство».)

48. Федосова, Н.Л. Химические основы полимеров и вяжущих веществ: сб. задач и упражнений / Н.Л. Федосова, В.Е. Румянцева. М.: АСВ, 2005. 175 с. (Допущено Минобрнауки РФ в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» направления подготовки дипломированных специалистов «Строительство».)

49. Федосова, Н.Л. Основы органической химии в строительстве: учеб. пособие / Н.Л. Федосова, В.Е. Румянцева, М.В. Лосева. Иваново: ИГ АСУ, 2008. 342 с. (Допущено Минобрнауки РФ в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Производство строительных материапов, изделий и конструкций» направления подготовки «Строительство».)

50. Антикоррозионная защита металлов в строительстве: учеб. пособие / Н.Л. Федосова, В.Е. Румянцева, К.Е. Румянцева, A.B. Балмасов, М.Д. Чекунова. Иваново: ИГАСУ, 2010. 188 с. (Рекомендовано Московским государственным строительным университетом (МГСУ) в качестве учебного пособия для студентов высшего профессионального образования, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов 270100 «Строительство» по специальностям 270102 «Промышленное и гражданское строительство», 270112 «Водоснабжение и водоотведение», 270109 «Теплогазоснабжение и вентиляция», 190205 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» и ква-лификагцш бакапавр техники по направлению 270100.62 «Строительство». Регистрационный N° рецензии 533 от 02.11.2009г. МГУ П.)

Научно-информационное издание

Румянцева Варвара Евгеньевна НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ МАССОПЕРЕНОСА В ПРОЦЕССАХ ЖИДКОСТНОЙ КОРРОЗИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (строительство)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано в печать 18.08.2011. Формат 60 х 84 1/16. Печать плоская. Усл. печ. л. 2,32. Тираж 100 экз. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина» И 153003, г. Иваново, ул. Рабфаковская, 34. Отпечатано в УИУНЛ ИГЭУ.

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.

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

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).

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