鉄鋼業の硫酸アンモニウムコーキング作業場におけるコンクリート構造物の腐食損傷と寿命予測

Apr 29, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 2826 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

製鉄所では生産過程で多量のCO2やSO2が排出され、高濃度の酸性ガスはコンクリート構造物の重大な腐食損傷を引き起こします。 本稿では，築７年のコーキング硫酸アンモニウム作業場におけるコンクリートの環境特性と腐食損傷度を調査し，コンクリート構造物の中和寿命予測を行った。 さらに,コンクリートの中性化シミュレーション試験を通じて腐食生成物を分析した。 作業場の平均温度は34.7℃、相対湿度は43.4%で、一般の大気環境に比べてそれぞれ1.40倍高く、1.70倍低かった。 CO2 と SO2 の濃度は両方ともワークショップのさまざまなセクションで大きく異なり、一般的な大気環境の濃度よりもはるかに高かった。 コンクリートの外観腐食と圧縮強度低下は、加硫床部や晶析槽部などのSO2濃度が高い箇所でより深刻であった。 コンクリートの中性化深さは晶析槽部が最も大きく、平均値は19.86mmであった。 コンクリートの表層では腐食生成物の石膏と CaCO3 が明らかに見えましたが、5 mm では CaCO3 のみが観察できました。 コンクリート中性化深度の予測モデルを確立し，倉庫，合成部（屋内），合成部（屋外），加硫床部，晶析槽部における中和残存寿命は69.21a，52.01a，88.56a，それぞれ29.62a、7.84a。

CO2 と SO2 はコンクリート中に拡散し、セメント水和生成物と反応します。 CO2 は、Ca(OH)2、ケイ酸カルシウム水和物 (C-S-H)、アルミン酸カルシウムを CaCO31,2,3,4 に変換します。 SO2 は、CaCO3 を含む水和生成物のすべてのカルシウム化合物と反応し、それらを硫黄含有化合物に変換します5、6、7。 硫黄含有化合物のリストには、主に亜硫酸カルシウム (CaSO3・1/2H2O)、硫酸カルシウム (CaSO4、CaSO4・1/2H2O および CaSO4・2H2O)、およびスルホアルミン酸カルシウム (3CaO・Al2O3・CaSO4 12H2O および 3CaO・Al2O3・3CaSO4) が含まれます。・31～32H2O)7．

コンクリートの炭酸化と硫化はいずれも細孔溶液の pH 6、7、8、9 を低下させる可能性があり、スルホアルミン酸カルシウムは細孔溶液の pH 10 の低下により安定に存在することが困難になります。 エトリンガイト (3CaO・Al2O3・3CaSO4・31-32H2O) とモノスルホアルミン酸塩水和物 (3CaO・Al2O3・CaSO4・12H2O) は 20 °C でそれぞれ pH ≤ 10.7 と pH ≤ 11.6 で消失すると報告されています11。 エトリンガイトの 25 °C、50 °C、85 °C で安定に存在できる pH 範囲は、それぞれ 10.43 ～ 12.52、10.52 ～ 12.41、10.87 ～ 12.25 でした12。 コンクリートの中性化によるエトリンガイトの分解は著者らによって報告されており 13、14、15 、その反応生成物は CaCO3、石膏、アルミナゲルでした。

コンクリートの細孔溶液 pH は通常 12.5 ～ 13.816,17,18 の範囲にあり、鉄筋の周囲の酸化鉄の薄い保護膜は安定しています。 炭酸化と硫化による細孔溶液の pH の低下は、鉄筋上の不動態皮膜の不安定化につながります。 pH が約 9 まで低下すると、不動態皮膜の破壊により鉄筋の腐食が始まります19。 したがって、コンクリートの耐CO2性および耐SO2性に関する技術と戦略の開発が必要です。 この目標を達成するためには、CO2 と SO2 の複合作用によるコンクリートの中和に関する実験研究と現地調査を実施する必要がある。

CO2 と SO2 の組み合わせ作用によるコンクリートの中和に関する実験研究がいくつかあり、高濃度の腐食媒体を含む人工雰囲気にさらされています 20,21。 CO2とSO2の複合作用により、コンクリート中のCO2の拡散速度はSO2の拡散速度よりも高かった。 主な理由は、産業環境では CO2 濃度が SO2 よりもはるかに高かったためです7,20。 一方、同じ体積濃度の CO2 の拡散速度は SO2 の拡散速度よりも速かった。 Leah21は、同じ体積濃度のCO2とSO2の条件下でコンクリート中のガス拡散過程を観察しました。 反応の初期段階でコンクリートはCO2と結合し、継続的に炭酸化生成物CaCO3が生成されることがわかった。 続いて、SO2 が CaCO3 を石膏に変換しました。 したがって、最初は CO2 が水和生成物と反応し、コンクリート硫化の本質は SO2 と炭酸化生成物との反応でした。

CO2 と SO2 の複合作用によるコンクリートの中和に関する現地調査はほとんどない。 Pavlik7 は、発電所の煙突内での石炭燃焼からの排ガスによるコンクリートの劣化を評価しました。 コンクリートは軟崩壊帯、硫酸塩帯、炭酸化帯、未中和帯に分かれていることが観察された。 さまざまなゾーンのpH、腐食生成物、微細構造をそれぞれ分析しました。 Ren22 は、焼結工場の地下ストーブパイプのコンクリート カバーが部分的にひび割れ、さらには剥がれ落ち、鉄筋がひどく腐食していることを発見しました。

結論として、CO2 と SO2 の複合作用下でのコンクリートの中和に関する研究結果は主に中和メカニズムに焦点を当てており、コンクリートの性能劣化と寿命予測を行う必要があります。 地域の産業環境の環境特性を監視し、これらの環境特性に従って具体的な中和シミュレーション試験方法を提案する必要があります。 さらに、CO2とSO2の作用下でのコンクリートの腐食損傷の程度、腐食メカニズム、寿命予測も達成する必要があります。

この論文では、武漢鉄鋼公司(WISCO)の築7年のコークス硫酸アンモニウム作業場におけるコンクリート構造物の環境特性と腐食損傷を調査した。 温度、相対湿度、CO2濃度、SO2濃度などの環境特性を調査しました。 さらに、ワークショップのさまざまなセクションでコンクリートの外観、中性化の深さ、圧縮強度が分析されました。 環境特性に応じて具体的な中和シミュレーション試験方法を提案し,X線回折(XRD)と熱重量分析(TG)を用いて腐食生成物を分析した。 硫酸アンモニウムワークショップにおけるコンクリートの中和深さの予測モデルを確立し,さまざまなセクションの中和残存耐用年数を予測した。

鉄鋼業はコークス化の過程で大量のCO2とSO2を排出します。 築7年のWISCOの硫酸アンモニウムコーキング作業場を例に、2013年8月から10月にかけてコンクリートの環境特性と腐食損傷を調査した。WISCOは武漢市青山区にあった。 硫安作業場は2006年に建設され、構造形式はコンクリート3層構造でした。

構造計画を図 1 に示す。図に示すように、作業場の長さは 39.1 m、幅は 30 m である。 作業場の工程レイアウトは次のとおりです。1 階の A ～ D 軸が硫酸アンモニウム合成セクションであり、7 ～ 10 軸内の合成セクションは屋外環境にありました。 1階のD-G軸は倉庫でした。 作業場の2階が加硫ベッド部、3階が晶析槽部でした。 コンクリート柱のシリアル番号はMN-Rです。 M と N は軸番号 (M = A、B、…、G、N = 1、2、…、10)、R はフロア番号 (R = 1、2、3) です。

硫安作業場の構造計画。

コンクリートはPO 42.5普通ポルトランドセメントからなり、細骨材として天然川砂、粗骨材として粉砕石灰石を使用しました。 ポンプ剤は減水率18%で使用しました。 コンクリートの配合割合を表１に示す。コンクリートのかぶり厚さは３０ｍｍとした。 コンクリートの強度等級はＣ３０、コンクリートの圧縮強度の特性値は３０ＭＰａであった。

硫酸アンモニウム作業場の温度と相対湿度は、温度湿度記録計を使用してテストされ、データは時間ごとに収集されました。 測定点のレイアウトは、中国の標準 GB/T 18204.13-200023 および GB/T 18204.14-200024 に基づいています。 測定点は各区画に5箇所あり、梅の花の形をした対角線2箇所に配置されています。 測定点の高さは地面から 0.8 ～ 1.6 m、測定点と熱源または壁との距離は 0.5 m 以上でした。 すべての測定点の平均値は、それぞれ硫安作業場の平均温度と平均相対湿度です。

硫酸アンモニウム作業場のさまざまなセクションの CO2 と SO2 の濃度は、それぞれ携帯型二酸化炭素検出器と携帯型二酸化硫黄検出器を使用して監視されました。 測定点の配置は温度および相対湿度の監視と同じであり、各セクションの全測定点の平均値がそれぞれ平均 CO2 濃度および平均 SO2 濃度でした。

コンクリートの中性化深さ試験方法は中国規格 JCJ/T 23-201125 に従って採用されました。 中性化の深さをテストするためにコンクリート柱がランダムに選択され、各柱には 3 ～ 7 つのテスト ゾーンがありました。 各試験ゾーンに直径 15 mm の穴を開けます。穴の深さは中性化の深さよりも大きくなければなりません。 中和深度は１％フェノールフタレインアルコール溶液（２０％蒸留水を含むアルコール溶液）を用いて測定した。 測定には炭酸深度計を使用します。 各穴を 3 回測定し、3 回の測定値の平均を試験ゾーンの中和深度とみなしました。 各柱のすべての試験ゾーンの平均がコンクリート柱の中性化深さでした。

コンクリートの圧縮強度は、JCJ/T 23-201125 に準拠したリバウンド法により試験されました。 コンクリート柱の選定は中性化深さ試験の柱と同様とした。 各カラムに対して 10 個のテスト ゾーンが選択され、それらはカラムの 2 つの対称な測定可能表面に配置されました。 各試験ゾーンの測定点は 16 個以上でした。測定点は均等に配置され、隣接する 2 つの測定点間の距離は 20 mm 以上である必要があります。 測定点と露出した鉄筋または埋め込み部分との距離は 30 mm 以上でした。 測定点は石や毛穴に現れてはならず、各測定点は 1 回だけバウンドします。 3 つの最大値と 3 つの最小値を無視して、残りの測定点の平均値がテスト ゾーンの平均リバウンド値でした。 10 個の試験ゾーンの平均反発値がコンクリート柱の強度でした。 コンクリートの圧縮強度相当値は、圧縮強度の反発値と中性化深さにより換算した。

硫安作業場におけるコンクリートの腐食機構を解析するために、CO2とSO2の複合作用下でのコンクリートの腐食生成物をコンクリート中和シミュレーション試験によって研究した。 模擬試験におけるコンクリートの原料および配合割合は硫安作業場と同様とした。 コンクリート中性化シミュレーション試験方法は,中国規格GB/T 50082-200926のコンクリート中性化試験方法に従って提案された。

シミュレーションテストの環境パラメータは、硫酸アンモニウムワークショップの実際の環境に応じて設定されました。 シミュレーションテストにおける温度と相対湿度の設定は、作業場での実際の温度と相対湿度と同じでした。 したがって、シミュレーション テストにおける温度と相対湿度は、それぞれ 35 °C と 45% でした。 シミュレーションテストにおける CO2 濃度は、GB/T 50082-200926 に従って 20% でした。 硫安作業場では、CO2 の濃度が SO2 の 649 倍でした。 したがって、シミュレーション試験における SO2 濃度は 0.03% でした。 GB/T 50082-200926 の具体的な炭酸化試験方法によれば、4 日間のシミュレーション試験は実際の環境の 7 年に相当します。 したがって、テスト期間は 4 日間でした。

テスト手順には次の手順が含まれます。

立方体試験片は、試験前に 60 °C で 48 時間乾燥させました。

コンクリート中の CO2 と SO2 の拡散が一次元であることを保証するために、各試験片 (向かい合う 2 つの側面を除く) をエポキシ樹脂で覆いました。

試験片はコンクリートの中性化試験室に設置され、隣接する試験片間の距離は少なくとも 50 mm でした。

コンクリート中性化試験室の環境パラメータは、温度 = 35 °C、相対湿度 = 45%、CO2 濃度 = 20% に設定されました。

４日後に標本を取り出した。

炭酸化試験片をコンクリート硫化試験室に設置しました。

コンクリート硫化試験室の環境パラメータは、温度 = 35 °C、相対湿度 = 45%、SO2 濃度 = 0.03% に設定しました。

硫化試験の試験期間は４日間であった。

粉砕機はコンクリート粉末を抽出するために使用されました。 試験片を異なる層（1 mm/層）で粉末化しました。 粉末を０．１６ｍｍの篩に通した。 試験前に粉末を 50 °C で 24 時間乾燥させました。 調製した粉末をXRDおよびTG試験に使用した。 XRD分析を使用してコンクリートの相組成を調べました。 回折にはCu-Kα線源を使用し、回折角は5°から45°まで0.02°刻みでした。

コンクリートの組成測定にはTG法を用いた。 試験は 30 ～ 900 °C の温度範囲で実行され、加熱速度は 10 °C/min でした。 実験雰囲気は窒素であった。

硫安作業場と一般大気環境の温度を図2に示します。図に示すように、8月、9月、10月の作業場内の温度は38.5℃、34.2℃、31.4℃でした。それぞれ。 同じ期間の武漢の大気温度はそれぞれ31.1℃、23.8℃、19.4℃でした。 一般的な大気環境の上昇に伴い、作業場の温度も上昇しました。 作業場の平均気温は34.7℃で、一般の大気環境の1.40倍でした。

硫酸アンモニウムの作業場および一般的な大気環境の温度。

硫安作業場の相対湿度と一般的な大気環境を図3に示します。図に示すように、8月、9月、10月の作業場の相対湿度は44.7%、44.2%、41.3%でした。それぞれ。 同じ期間、武漢の一般的な大気環境の相対湿度はそれぞれ74%、75%、72%でした。 作業場の相対湿度も一般的な大気環境もほとんど変化しませんでした。 作業場の平均相対湿度は43.4%で、一般的な大気環境の相対湿度は作業場の相対湿度の1.70倍でした。

硫酸アンモニウムの作業場および一般的な大気環境の相対湿度。

硫安作業場内の CO2 濃度を図 4 に示します。図に示すように、作業場内の平均 CO2 濃度は 986.2 mg/m3 でした。 また、各部門の CO2 濃度は大きく異なり、倉庫、合成部門（屋内）、合成部門（屋外）、加硫床部門、晶析槽部門の CO2 濃度は 927 mg/m3、886 mg/m3 でした。 、それぞれ805 mg/m3、1207 mg/m3、および1106 mg/m3。 武漢環境保護局（WHEPB）の関連情報によると、青山区の大気環境の平均CO2濃度は740.5mg/m3でした。 したがって、硫酸アンモニウム作業場の CO2 濃度はより高く、最大値は一般の大気環境よりも 1.49 倍高かった。

硫安作業場のCO2濃度。

硫安作業場内の SO2 濃度を図 5 に示す。図に示すように、作業場内の平均 SO2 濃度は 2.11 mg/m3 であった。 各セクションで SO2 濃度に大きな差があり、倉庫、合成セクション（屋内）、合成セクション（屋外）、加硫ベッドセクション、晶析槽セクションの SO2 濃度は 1.29 mg/m3、1.64 mg/m3、それぞれ1.03 mg/m3、2.30 mg/m3、4.29 mg/m3。 WHEPB の関連情報によると、青山区の大気環境の平均 SO2 濃度は 0.056 mg/m3 でした。 したがって、硫酸アンモニウム作業場の SO2 濃度は高く、最大値は一般の大気環境の 76.6 倍でした。 さらに、SO2 濃度は硫安作業場における CO2 濃度よりもはるかに低かった。

硫安作業場のSO2濃度。

硫安作業場のコンクリートの外観を図 6 に示す。図に示すように、倉庫内での機械的衝突によるコンクリート表面の損傷はわずかであった（図 6a）。 合成部（屋外）のコンクリート柱の表面には明らかな膨張、剥離、粉砕が見られ、多量の白色結晶が析出していた（図６ｂ）。 加硫床部のプラットフォームコーニスコンクリートは完全に腐食・剥離し、鉄筋が露出し一部錆びていた（図6c）。 晶析槽部分の床は塗装されていましたが、塗装が部分的に損傷しており、損傷したコンクリートは著しく腐食していました（図6d）。

硫安作業場のコンクリート構造物の外観。 (a) 倉庫内の柱。 (b) 合成セクションのカラム（屋外）。 (c) 加硫ベッドセクションのプラットフォームコーニス。 (d) 晶析槽部の床。

CO2 がコンクリートの水和生成物と反応して CaCO3 を形成し、非炭酸コンクリートよりも細孔構造が密になりました。 したがって、炭酸化によってコンクリートの外観を変えることはできません。 しかし、SO2 は CaCO3 を石膏に変換し、コンクリートの固相体積を急速に増加させました。 大量の石膏がコンクリートに過剰な内部応力を発生させ、その結果、コンクリート表面に膨張や亀裂が発生しました6。 したがって、SO2 濃度が増加するにつれて、コンクリートの外観変化の度合いも増加した。

屋外合成セクションの SO2 濃度は高くありませんでしたが、屋外環境は雨水の影響を受けました。 水は腐食反応において重要な役割を果たしました。 水はイオン輸送の媒体を提供し、SO2 と CaCO3 間の反応に必要な条件でした。 また、反応生成物である硫酸カルシウムは結晶水を含む物質であった。 硫酸カルシウムが結晶水を多く含むと、コンクリートの固相体積が増加し、コンクリートにひび割れが発生しやすくなります。 関連する研究では、コンクリート表面に液体の水がある場合、SO2 がコンクリートに深刻な腐食損傷を引き起こす可能性があることが示されています21。 したがって、屋外合成セクションでの外観の変化は比較的大きくなりました。

硫安作業場におけるコンクリートの中性化深さを表２に、コンクリートの中性化深さの度数分布ヒストグラムを図７に示します。表および図に示すように、平均、標準偏差、変動係数は次のとおりです。作業場におけるコンクリートの中性化深さは、それぞれ11.17 mm、5.23 mm、0.47でした。 図 7 は、Shapiro-Wilk を使用することにより、有意水準 α = 0.05 で p 値が 0.09 であることを示しました。 したがって、硫安作業場におけるコンクリートの中性化深さは正規分布に従った。

硫安作業場におけるコンクリートの中和深さの度数分布ヒストグラム。

作業場内の各区画におけるコンクリートの中性化深さの度数分布ヒストグラムを図8に示します。 表2および図8に示すように、倉庫、合成セクション（屋内）、合成セクション（屋外）におけるコンクリートの中性化深さは、 ）、加硫床断面、晶析槽断面は大きく異なり、平均値はそれぞれ9.33mm、9.76mm、8.67mm、12.68mm、19.86mmであった。 これは、中和深さが酸性ガスの濃度に関係しているためです。 加硫床セクションおよび晶析槽セクションの CO2 濃度は比較的高く、中和深度は倉庫および合成セクションに比べて深かった。 また、晶析槽部の SO2 濃度は加硫床部に比べて高く、コンクリートの損傷はより深刻であった。 マイククラックからＣＯ２がコンクリート中に拡散し、中和率が上昇した。 したがって、晶析槽部のコンクリートの中性化深さは加硫床部のコンクリート中性化深さの1.57倍となった。

硫酸アンモニウム作業場のさまざまなセクションにおけるコンクリートの中和深さの度数分布ヒストグラム。 (a) 倉庫。 (b) 合成セクション（屋内）。 (c) 合成セクション (屋外)。 (d) 加硫ベッドセクション。 (e) 晶析槽部。

図 8 に示すように、倉庫、合成部（屋内）、合成部（屋外）、加硫床部、晶析槽部の p 値は 0.93、0.52、0.94、0.82、0.79 と有意水準 α = であった。 Shapiro-Wilk を使用すると 0.05。 したがって、各区間のコンクリートの中性化深さは正規分布に従った。

硫安工房におけるコンクリートの圧縮強度を表 3 に、コンクリート圧縮強度の頻度分布ヒストグラムを図 9 に示します。表および図に示すように、圧縮強度の平均および標準偏差は 24.30 でした。それぞれMPa、3.74MPa、変動係数は0.15でした。 図 9 は、Shapiro-Wilk を使用することにより、有意水準 α = 0.05 で p 値が 0.32 であることを示しました。 したがって、硫安作業場におけるコンクリートの圧縮強度は正規分布に従いました。

硫安作業場におけるコンクリート圧縮強度の度数分布ヒストグラム。

表 3 に示すように、作業場のさまざまなセクションでコンクリートの圧縮強度が低下しました。 関連する研究では、コンクリートの炭酸化により圧縮強度が増加するが 27,28、コンクリートの硫化により強度が低下することが示されています 29。 このため、晶析槽部および加硫床部のコンクリートはSO2濃度が高く、圧縮強度が低かった。 合成部（屋外）の SO2 濃度は最も低いものの、雨水の影響により強度が大きく低下し、平均値は 23.60 MPa でした。

深さの異なるコンクリートのXRDパターンを図10に示します。図に示すように、結晶相は石膏（CaSO4・2H2O）、方解石（CaCO3）、ポートランダイト（Ca(OH)2）および石英（SiO2）でした。 。 このうち、Ca(OH)2 は水和生成物であり、石膏と CaCO3 は CO2 と SO2 の作用によるコンクリートの腐食生成物です。 コンクリートの表層では石膏と CaCO3 の回折ピークが明らかに見えましたが、Ca(OH)2 の回折ピークは明白ではありませんでした。 深さ 5 mm では石膏の回折ピークは観察できず、Ca(OH)2 のピークが現れました。

CO2 と SO2 の作用下でのコンクリートの XRD パターン。 Q 石英 (SiO2)、G 石膏 (CaSO4 2H2O)、C 方解石 (CaCO3)、H ポートランダイト (Ca(OH)2)。

作業場内の CO2 濃度は SO2 の濃度よりもはるかに高かったため、コンクリート中の CO2 の拡散速度は SO2 の拡散速度よりも速かった。 CO2 は水和生成物 Ca(OH)2 と反応して CaCO3 を形成し、SO2 は炭酸化生成物 CaCO3 と反応して石膏を形成します。 CO2 のみがコンクリート表面から 5 mm の深さまで拡散できるため、コンクリート内部には CaCO3 が観察されました。 表層の CO2 と SO2 の濃度はコンクリート内部の濃度よりも高く、Ca(OH)2 は表層に存在できません。

硫酸塩の攻撃下では石膏がアルミン酸塩相と反応してコンクリート中でエトリンガイトを形成することはよく知られているが 30,31,32、一方で CO2 と SO2 の作用下ではコンクリート中でエトリンガイトは観察されなかった。 これは、CO2 と SO2 が細孔溶液に溶解して H+ にイオン化し、アルカリ性水和生成物と反応したためです。 細孔溶液 pH の低下により、エトリンガイトは安定に存在できなくなり、石膏とアルミニウム含有ゲルに分解されました 6,30。 したがって、コンクリートの硫酸塩生成物は石膏だけでした。

深さの異なるコンクリートの TG 分析結果を図 11 に示します。TG 曲線と DTG 曲線には 3 つの主要な吸熱ピークが見られ、それぞれ石膏、Ca(OH)2、CaCO3 に対応していました。 このうち、CaCO3 と石膏は、CO2 と SO2 の作用によるコンクリートの腐食生成物です。 コンクリート表層部の CaCO3 吸熱ピークの高さは深さ 5 mm の吸熱ピークの高さよりも高かった。 これは、最大 CO2 濃度がコンクリートの表層にあったためと考えられます。 したがって、コンクリート表層の一部の CaCO3 は SO2 と反応して石膏を形成しますが、それでも CaCO3 の含有量は 5 mm の場合よりも多かったです。

CO2 と SO2 の作用下でのコンクリートの熱分析曲線。

多くの研究者が、コンクリートの中性化深さが曝露時間の平方根に比例することを検証しています1、33、34、35、36。 この実験では、コンクリートの中性化の深さは、温度、相対湿度、CO2 濃度、コンクリートの圧縮強度の影響を受けます。 文献 36 によると、硫酸アンモニウムの作業場におけるコンクリートの中性化の深さは次のように表すことができます。

ここで、XC はコンクリートの中炭酸化深さ (mm) です。 kmc は計算モード パラメータ、kmc = 0.996; ke、kCO2、kf は、それぞれ温度と湿度、CO2 濃度、圧縮強度の炭酸化影響係数です。 t は炭酸化曝露時間、d。

温度と湿度、CO2 濃度、圧縮強度の炭酸化影響係数は、式 (1) で計算できます。 (2) ～ (4) それぞれ36。

ここで、T は温度 °C です。 RH は相対湿度 (%) です。 CC は CO2 濃度 (%) です。 fcuk はコンクリートの圧縮強度 (MPa) です。

等式を代入する (2) – (4) を式に代入します。 (1)、硫酸アンモニウム作業場におけるコンクリートの中性化の深さは、式 (1) で与えられます。 (5)。

温度、相対湿度、CO2 濃度、コンクリート圧縮強度、暴露時間を式 (1) に代入すると、次のようになります。 (5)では、硫安作業場におけるコンクリートの中性化深さを計算します。

硫安作業場のSO2濃度はCO2濃度よりもはるかに低いです。 しかし、SO2 の攻撃を受けるとコンクリートが膨張し、亀裂が生じるため、コンクリートの中性化速度が加速されます。 したがって、硫安作業場におけるコンクリートの中和深さは次のように表すことができます。

ここで、X はコンクリートの中性化深さ (mm) です。 KS は SO2 の中和影響係数です。 CS は SO2 の濃度 (%) です。

炭酸化深さ、中和深さ、SO2 濃度を式 (1) に代入すると、次のようになります。 (6) により KS を計算し、KS の度数分布ヒストグラムを図 12 に示します。図より、KS の平均、標準偏差、変動係数はそれぞれ 4.10、1.31、0.32 でした。 Shapiro-Wilk 法を使用すると、KS の p 値は 0.65 で、有意水準 α = 0.05 でした。 したがって、硫安ワークショップの KS は正規分布に従いました。

Ksの度数分布ヒストグラム。

結論として、硫安作業場におけるコンクリートの中和深さは次のように表されます。

コンクリート内部の高いアルカリ性は、鉄筋を腐食から保護する不動態皮膜を形成します。 CO2 と SO2 は細孔溶液中に溶解して H+ にイオン化し、Ca(OH)2 からイオン化した OH- と反応してコンクリート中で中和反応が起こります。 かぶりコンクリートが完全に中和されると、鉄筋の不動態皮膜が破壊され、鉄筋の腐食が始まります。 コンクリートの中和耐用年数の終わりは、鉄筋の腐食が始まる時期です。 したがって、コンクリートの中性化耐用年数の限界状態関数は式 (3) で示されます。 (8)。

ここで、c はコンクリートかぶりの厚さ、mm です。 x0 は中和残量、mm です。 X(t) はコンクリートの中性化深さ (mm) です。 t は露光時間です。

文献36によれば、コンクリートの中性化残量は式(1)で示される。 (9)。

硫安作業場におけるコンクリートの中和残を計算し、x0 の頻度分布ヒストグラムを図 13 に示します。図より、x0 の平均、標準偏差、変動係数は 1.35 mm、0.23 mm、0.17 であることがわかりました。 、 それぞれ。 Shapiro-Wilk 法を使用すると、x0 の p 値は、有意水準 α = 0.05 で 0.54 でした。 したがって、硫安作業場におけるコンクリートの中和残渣は正規分布に従った。

x0 の度数分布ヒストグラム。

式(1)の計算結果を代入すると、 (7) と (9) を式に代入します。 (8) 硫安作業場の倉庫、合成部（屋内）、合成部（屋外）、加硫床部、晶析槽部のコンクリート中和耐用年数は、76.21a、59.01a、95.56a、36.62aでした。 、および14.84a、それぞれ。 したがって、倉庫、合成部（屋内）、合成部（屋外）、加硫床部、晶析槽部における中和残存寿命は、それぞれ69.21a、52.01a、88.56a、29.62a、7.84aとなった。

本研究では、築7年のコークス硫安作業場におけるコンクリートの環境特性と腐食度合いを解析し、コンクリート構造物の中和寿命予測を実施した。 さらに,CO2とSO2の作用下でのコンクリートの腐食生成物を研究した。 主な結論は次のとおりです。

一般的な大気環境の上昇に伴い、作業場の温度も上昇しました。 作業場の平均気温は34.7℃で、一般の大気環境の1.40倍でした。 作業場の相対湿度も一般的な大気環境もほとんど変化しませんでした。 作業場の平均相対湿度は43.4%で、一般的な大気環境の相対湿度は作業場の相対湿度の1.70倍でした。

作業場内の平均 CO2 濃度と SO2 濃度は 986.2 mg/m3 と 2.11 mg/m3 で、それぞれ一般の大気環境の 1.31 倍と 37.68 倍でした。 さらに、ワークショップのさまざまなセクションの CO2 と SO2 の濃度は両方とも大きく異なりました。

ワークショップのさまざまなセクションのコンクリートの外観は大きく異なりました。 倉庫内の機械的衝突によるコンクリート表面の損傷は軽微であり、合成セクション（屋外）のコンクリート表面に多量の白い結晶が析出した。 加硫床部のホームコーニスコンクリートは完全に腐食し剥離していた。 晶析槽部分の床の塗装が一部損傷しており、損傷部分は著しく腐食していた。

作業場のさまざまなセクションにおけるコンクリートの中性化の深さは大きく異なり、正規分布に従いました。 コンクリートの中性化深さはCO2、SO2濃度の増加とともに増加し、晶析槽部の中性化深さが最も大きく、平均値は19.86mmとなった。

作業場のさまざまなセクションでコンクリートの圧縮強度が低下しました。 晶析槽部および加硫床部のコンクリートはSO2濃度が高いため圧縮強度が低かった。 合成部（屋外）は雨水の影響で強度が大きく低下しました。

石膏と CaCO3 は、CO2 と SO2 の作用によるコンクリートの腐食生成物です。 コンクリートの表層では石膏と CaCO3 が明らかに観察できましたが、深さ 5 mm では CaCO3 のみが観察されました。 コンクリート表層の CaCO3 含有量は深さ 5 mm よりも多かった。

コンクリートの中性化深さの予測モデルを確立し，倉庫，合成部（屋内），合成部（屋外），加硫床部，晶析槽部のコンクリートの中和残存寿命は69.21a，52.01aとなった。 、８８．５６ａ、２９．６２ａ、７．８４ａである。

現在の研究中に使用および分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、中国国家自然科学財団（助成金番号 52078413）、中国教育部大学革新的研究チームプログラム（助成金番号 IRT17R84）、中国国家自然科学財団（助成金）によって財政的に支援されました。陝西省教育局の科学研究プログラムの重点プロジェクト（補助金番号 20JY037）。

中国西安市西安建築工科大学土木工学院

Yao Lv、Ditao Niu、Xiguang Liu、Yue-chen Liu

中国西部のグリーンビルディング国家重点実験室、西安建築技術大学、西安、中国

ディタオ・ニウ & Xiguang Liu

中国済南市、済南大学土木建築学部

リン・ミン強

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DN、XL、YL が研究を設計しました。 ML と YCL が実験を運営しました。 YLが原稿を書きました。 著者全員が原稿をレビューしました。

Yao LvまたはDitao Niuに対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Lv、Y.、Niu、D.、Liu、X. 他。 鉄鋼業の硫酸アンモニウムコーキング作業場におけるコンクリート構造物の腐食損傷と寿命予測。 Sci Rep 13、2826 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-30015-1

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受信日: 2022 年 4 月 27 日

受理日: 2023 年 2 月 14 日

公開日: 2023 年 2 月 17 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30015-1

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