Коррозионное повреждение и прогноз ресурса бетонной конструкции коксового цеха сульфата аммония металлургической промышленности

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 2826 (2023) Цитировать эту статью

535 Доступов

Подробности о метриках

Металлургические заводы в процессе производства выделяют большое количество CO2 и SO2, а высокие концентрации кислых газов приводят к серьезным коррозионным повреждениям бетонных конструкций. В данной работе исследованы экологические характеристики и степень коррозионного поражения бетона в 7-летнем цехе коксования сульфата аммония, проведен нейтрализационный прогноз ресурса бетонной конструкции. Кроме того, продукты коррозии были проанализированы с помощью моделирования нейтрализации бетона. Средняя температура и относительная влажность в цехе составила 34,7 °С и 43,4 %, что в 1,40 раза выше и в 1,70 раза меньше, чем в общей атмосферной среде соответственно. Как концентрации CO2, так и SO2 существенно различались в разных участках цеха и были намного выше, чем в общей атмосферной среде. Коррозия внешнего вида и потеря прочности бетона на сжатие были более серьезными на участках с высокой концентрацией SO2, таких как участок вулканизационного слоя и участок кристаллизационного резервуара. Глубина нейтрализации бетона в секции кристаллизационного резервуара была наибольшей и составила в среднем 19,86 мм. Продукты коррозии гипса и СаСО3 были явно видны в поверхностном слое бетона, тогда как на глубине 5 мм можно было наблюдать только СаСО3. Была создана модель прогнозирования глубины нейтрализации бетона, а остаточный срок службы нейтрализации на складе, участке синтеза (в помещении), участке синтеза (на открытом воздухе), участке слоя вулканизации и отделении кристаллизационного резервуара составил 69,21 а, 52,01 а, 88,56 а, 29,62 а и 7,84 а соответственно.

CO2 и SO2 диффундируют в бетон и вступают в реакцию с продуктами гидратации цемента. CO2 превращает Ca(OH)2, гидрат силиката кальция (C–S–H) и алюминат кальция в CaCO31,2,3,4. SO2 реагирует со всеми кальциевыми соединениями продуктов гидратации, включая CaCO3, и превращает их в серосодержащие соединения5,6,7. В список серосодержащих соединений в основном входят сульфит кальция (CaSO3·1/2H2O), сульфаты кальция (CaSO4, CaSO4·1/2H2O и CaSO4·2H2O) и сульфоалюминаты кальция (3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O и 3CaO·Al2O3·3CaSO4). ·31–32H2O)7.

Как карбонизация, так и сульфирование бетона могут снизить pH порового раствора 6,7,8,9, а сульфоалюминатам кальция становится трудно существовать стабильно из-за снижения pH порового раствора 10. Сообщалось, что исчезновение эттрингита (3CaO·Al2O3·3CaSO4·31–32H2O) и гидрата моносульфоалюмината (3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O) при 20 °C происходило при pH ≤ 10,7 и pH ≤ 11,6 соответственно11. Диапазоны pH эттрингита, который мог стабильно существовать при 25 °C, 50 °C и 85 °C, составляли 10,43–12,52, 10,52–12,41 и 10,87–12,25 соответственно12. О разложении эттрингита вследствие карбонизации бетона сообщили авторы13,14,15, а продуктами реакции были CaCO3, гипс и гель глинозема.

pH порового раствора бетона обычно находится в диапазоне 12,5–13,816,17,18, при этом тонкая защитная пленка оксидов железа вокруг арматуры стабильна. Снижение pH порового раствора из-за карбонизации и сульфурации приводит к дестабилизации пассивной пленки на арматуре. Как только pH падает примерно до 9, арматура начинает корродировать из-за разрушения пассивной пленки19. Поэтому необходимо разработать технологии и стратегии по устойчивости бетона к CO2 и SO2. Для достижения этой цели необходимо провести экспериментальное исследование и полевые исследования по нейтрализации бетона при совместном воздействии CO2 и SO2.

Существует несколько экспериментальных исследований по нейтрализации бетона при совместном воздействии CO2 и SO2, и они подвергаются воздействию искусственной атмосферы с высокими концентрациями коррозионных сред20,21. Скорость диффузии CO2 в бетоне была выше, чем SO2 при совместном действии CO2 и SO2. Основная причина заключалась в том, что концентрация CO2 была намного выше, чем концентрация SO2 в промышленной среде7,20. При этом скорость диффузии CO2 при той же объемной концентрации была выше, чем у SO2. Leah21 наблюдал процесс газовой диффузии в бетоне в условиях CO2 и SO2 с одинаковой объемной концентрацией. Установлено, что бетон связывался с CO2 на начальной стадии реакции, а продукт карбонизации CaCO3 образовывался непрерывно. Впоследствии SO2 превратил CaCO3 в гипс. Поэтому CO2 сначала реагировал с продуктами гидратации, а суть сульфурации бетона заключалась в реакции между SO2 и продуктом карбонизации.