Korrosionsschäden und Lebensdauervorhersage der Betonstruktur in der Ammoniumsulfat-Verkokungswerkstatt der Eisen- und Stahlindustrie

Apr 29, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 2826 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Eisen- und Stahlwerke stoßen im Produktionsprozess große Mengen CO2 und SO2 aus und die hohen Konzentrationen saurer Gase führen zu schweren Korrosionsschäden an Betonkonstruktionen. In dieser Arbeit wurden die Umwelteigenschaften und der Grad der Korrosionsschädigung von Beton in einer 7 Jahre alten Verkokungs-Ammoniumsulfat-Werkstatt untersucht und eine Vorhersage der Neutralisationslebensdauer der Betonstruktur durchgeführt. Darüber hinaus wurden die Korrosionsprodukte durch einen Betonneutralisationssimulationstest analysiert. Die durchschnittliche Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit in der Werkstatt betrugen 34,7 °C bzw. 43,4 % und waren 1,40-mal höher bzw. 1,70-mal niedriger als die der allgemeinen atmosphärischen Umgebung. Sowohl die CO2- als auch die SO2-Konzentration unterschieden sich in verschiedenen Bereichen der Werkstatt erheblich und waren viel höher als die der allgemeinen atmosphärischen Umgebung. In den Abschnitten mit hoher SO2-Konzentration, wie dem Abschnitt des Vulkanisationsbetts und dem Abschnitt des Kristallisationstanks, waren die Korrosion und der Druckfestigkeitsverlust des Betons schwerwiegender. Die Neutralisationstiefe des Betons im Kristallisationsbehälterbereich war mit einem Durchschnittswert von 19,86 mm am größten. Die Korrosionsprodukte Gips und CaCO3 waren offensichtlich in der Oberflächenschicht des Betons sichtbar, während bei 5 mm nur CaCO3 beobachtet werden konnte. Das Vorhersagemodell der Betonneutralisationstiefe wurde erstellt und die verbleibende Neutralisationslebensdauer im Lager, im Syntheseabschnitt (innen), im Syntheseabschnitt (im Freien), im Vulkanisationsbettabschnitt und im Kristallisationstankabschnitt betrug 69,21 a, 52,01 a, 88,56 a. 29,62 a bzw. 7,84 a.

CO2 und SO2 diffundieren in den Beton und reagieren mit den Hydratationsprodukten des Zements. CO2 wandelt Ca(OH)2, Calciumsilikathydrat (C–S–H) und Calciumaluminat in CaCO31,2,3,4 um. SO2 reagiert mit allen Calciumverbindungen von Hydratationsprodukten, einschließlich CaCO3, und wandelt sie in schwefelhaltige Verbindungen um5,6,7. Die Liste der schwefelhaltigen Verbindungen umfasst hauptsächlich Calciumsulfit (CaSO3·1/2H2O), Calciumsulfate (CaSO4, CaSO4·1/2H2O und CaSO4·2H2O) und Calciumsulfoaluminate (3CaO·Al2O3·CaSO4 12H2O und 3CaO·Al2O3·3CaSO4). ·31–32H2O)7.

Sowohl die Karbonisierung als auch die Schwefelung von Beton können den pH-Wert der Porenlösung auf 6, 7, 8, 9 senken, und Calciumsulfoaluminate sind aufgrund der Abnahme des pH-Werts der Porenlösung auf 10 schwer stabil zu existieren. Es wurde berichtet, dass das Verschwinden von Ettringit (3CaO·Al2O3·3CaSO4·31–32H2O) und Monosulfoaluminathydrat (3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O) bei 20 °C bei pH ≤ 10,7 bzw. pH ≤ 11,6 erfolgte11. Die pH-Bereiche von Ettringit, die bei 25 °C, 50 °C und 85 °C stabil existieren könnten, lagen bei 10,43–12,52, 10,52–12,41 bzw. 10,87–12,2512. Die Autoren berichteten über die Zersetzung von Ettringit aufgrund der Karbonisierung von Beton13,14,15 und die Reaktionsprodukte waren CaCO3, Gips und Aluminiumoxidgel.

Der pH-Wert der Porenlösung von Beton liegt normalerweise im Bereich von 12,5–13,816,17,18, wobei der dünne Schutzfilm aus Eisenoxiden um die Bewehrungsstäbe stabil ist. Die Abnahme des pH-Werts der Porenlösung aufgrund von Karbonatisierung und Schwefelung führt zur Destabilisierung des Passivfilms auf dem Bewehrungsstab. Sobald der pH-Wert auf etwa 9 sinkt, beginnt der Bewehrungsstab aufgrund des Abbaus des Passivfilms zu korrodieren19. Daher ist es notwendig, Technologien und Strategien für die CO2- und SO2-Beständigkeit von Beton zu entwickeln. Um dieses Ziel zu erreichen, sollten experimentelle Studien und Felduntersuchungen zur Neutralisierung von Beton unter der kombinierten Wirkung von CO2 und SO2 durchgeführt werden.

Es gibt einige experimentelle Studien zur Neutralisierung von Beton unter der kombinierten Wirkung von CO2 und SO2, und sie werden einer künstlichen Atmosphäre mit hohen Konzentrationen an Korrosionsmedien ausgesetzt20,21. Die Diffusionsgeschwindigkeit von CO2 im Beton war unter der kombinierten Wirkung von CO2 und SO2 höher als die von SO2. Der Hauptgrund war, dass die CO2-Konzentration in der industriellen Umgebung viel höher war als die von SO27,20. Unterdessen war die Diffusionsgeschwindigkeit von CO2 bei gleicher Volumenkonzentration schneller als die von SO2. Leah21 beobachtete den Gasdiffusionsprozess in Beton unter der Bedingung von CO2 und SO2 mit gleicher Volumenkonzentration. Es wurde festgestellt, dass sich Beton im Anfangsstadium der Reaktion mit CO2 verbindet und kontinuierlich das Karbonisierungsprodukt CaCO3 entsteht. Anschließend wandelte SO2 CaCO3 in Gips um. Daher reagierte CO2 zunächst mit Hydratationsprodukten, und das Wesentliche der Betonschwefelung war die Reaktion zwischen SO2 und Carbonatisierungsprodukten.

Es gibt nur wenige Felduntersuchungen zur konkreten Neutralisierung unter der kombinierten Wirkung von CO2 und SO2. Pavlik7 untersuchte die Zersetzung von Beton durch Rauchgas aus der Kohleverbrennung in einem Kraftwerksschacht. Es wurde beobachtet, dass der Beton in eine weiche desintegrierte Zone, eine sulfatierte Zone, eine karbonisierte Zone und eine nicht neutralisierte Zone unterteilt war. Der pH-Wert, die Korrosionsprodukte und die Mikrostruktur in verschiedenen Zonen wurden jeweils analysiert. Ren22 stellte fest, dass die Betonabdeckung eines unterirdischen Ofenrohrs in einer Sinteranlage teilweise Risse aufwies oder sich sogar ablöste und die Stahlstangen stark korrodiert waren.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich die Forschungsergebnisse zur Betonneutralisierung unter der kombinierten Wirkung von CO2 und SO2 hauptsächlich auf den Neutralisierungsmechanismus konzentrieren und die Leistungsverschlechterung und Lebensdauervorhersage von Beton durchgeführt werden sollten. Die Umweltmerkmale der lokalen Industrieumgebung sollten überwacht werden, und die Testmethode für die Betonneutralisationssimulation sollte entsprechend diesen Umweltmerkmalen vorgeschlagen werden. Darüber hinaus sollten auch der Grad der Korrosionsschädigung, der Korrosionsmechanismus und die Lebensdauervorhersage von Beton unter der Einwirkung von CO2 und SO2 ermittelt werden.

In dieser Arbeit wurden die Umwelteigenschaften und Korrosionsschäden der Betonkonstruktionen in einer sieben Jahre alten Kokerei-Ammoniumsulfat-Werkstatt der Wuhan Iron and Steel Corporation (WISCO) untersucht. Die Umwelteigenschaften wie Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit, CO2-Konzentration und SO2-Konzentration wurden erhoben. Darüber hinaus wurden in verschiedenen Bereichen des Workshops das Aussehen, die Neutralisationstiefe und die Druckfestigkeit von Beton analysiert. Die Betonneutralisationssimulationstestmethode wurde entsprechend den Umgebungseigenschaften vorgeschlagen und die Korrosionsprodukte wurden mithilfe von Röntgenbeugung (XRD) und thermogravimetrischer Analyse (TG) analysiert. Es wurde ein Vorhersagemodell für die Neutralisationstiefe des Betons in der Ammoniumsulfat-Werkstatt erstellt und die verbleibende Neutralisationslebensdauer in verschiedenen Abschnitten vorhergesagt.

Die Eisen- und Stahlindustrie stößt bei der Verkokung große Mengen CO2 und SO2 aus. Am Beispiel einer sieben Jahre alten Verkokungs-Ammoniumsulfat-Werkstatt von WISCO wurden von August bis Oktober 2013 die Umwelteigenschaften und Korrosionsschäden von Beton untersucht. WISCO befand sich im Bezirk Qingshan der Stadt Wuhan. Die Ammoniumsulfat-Werkstatt wurde 2006 gebaut und der Baustil war eine dreischichtige Betonrahmenkonstruktion.

Der Strukturplan ist in Abb. 1 dargestellt. Wie in der Abbildung dargestellt, betrugen die Länge und Breite der Werkstatt 39,1 m bzw. 30 m. Das Prozesslayout der Werkstatt war wie folgt: Die A–D-Achsen des ersten Stockwerks waren der Ammoniumsulfat-Syntheseabschnitt und der Syntheseabschnitt innerhalb der 7–10 Achsen befand sich in einer Freiluftumgebung. Die D-G-Achsen des Erdgeschosses waren das Lager. Im zweiten Stock der Werkstatt befand sich der Vulkanisationsbettbereich und im dritten Stock der Kristallisationstankbereich. Die Seriennummer der Betonsäule ist MN-R. M und N sind die Achsenzahlen (M = A, B,…, G; N = 1, 2,…, 10) und R sind die Etagenzahlen (R = 1, 2, 3).

Der Strukturplan der Ammoniumsulfat-Werkstatt.

Der Beton bestand aus gewöhnlichem Portlandzement PO 42,5 mit natürlichem Flusssand als feinem Zuschlagstoff und gebrochenem Kalkstein als grobem Zuschlagstoff. Das Pumpmittel wurde mit einer Wasserreduktionsrate von 18 % verwendet. Der Mischungsanteil des Betons ist in Tabelle 1 aufgeführt. Die Dicke der Betonüberdeckung betrug 30 mm. Die Festigkeitsklasse des Betons war C30 und der charakteristische Wert der Druckfestigkeit des Betons betrug 30 MPa.

Die Temperatur und die relative Luftfeuchtigkeit in der Ammoniumsulfat-Werkstatt wurden mit einem Temperatur- und Feuchtigkeitsrekorder getestet und die Daten stündlich erfasst. Die Anordnung der Messpunkte basierte auf den chinesischen Standards GB/T 18204.13-200023 und GB/T 18204.14-200024. In jedem Abschnitt gab es fünf Messpunkte, die in zwei Diagonalen in der Form einer Pflaumenblüte angeordnet waren. Die Höhe der Messpunkte betrug 0,8–1,6 m über dem Boden und der Abstand zwischen den Messpunkten und der Wärmequelle oder Wand betrug nicht weniger als 0,5 m. Die Durchschnittswerte aller Messpunkte waren die durchschnittliche Temperatur bzw. die durchschnittliche relative Luftfeuchtigkeit in der Ammoniumsulfat-Werkstatt.

Die Konzentrationen von CO2 und SO2 in verschiedenen Bereichen der Ammoniumsulfat-Werkstatt wurden mithilfe eines tragbaren Kohlendioxiddetektors bzw. eines tragbaren Schwefeldioxiddetektors überwacht. Die Anordnung der Messpunkte war die gleiche wie bei der Temperatur- und relativen Luftfeuchtigkeitsüberwachung, und die Durchschnittswerte aller Messpunkte in verschiedenen Abschnitten waren die durchschnittliche CO2-Konzentration bzw. die durchschnittliche SO2-Konzentration.

Die Neutralisationstiefentestmethode für Beton wurde gemäß der chinesischen Norm JCJ/T 23-201125 übernommen. Betonsäulen wurden nach dem Zufallsprinzip ausgewählt, um die Neutralisationstiefe zu testen, und jede Säule verfügte über 3–7 Testzonen. Nehmen Sie in jeder Testzone ein Loch mit einem Durchmesser von 15 mm, und die Tiefe des Lochs sollte größer sein als seine Neutralisierungstiefe. Die Neutralisationstiefe wurde mit einer 1 %igen Phenolphthaleinalkohollösung gemessen (Alkohollösung enthält 20 % destilliertes Wasser). Verwenden Sie zur Messung einen Karbonatisierungstiefenmesser. Jedes Loch wurde dreimal gemessen und der Durchschnitt aus drei Messungen wurde als Neutralisierungstiefe der Testzone angesehen. Der Durchschnitt aller Testzonen für jede Säule war die Neutralisationstiefe der Betonsäule.

Die Druckfestigkeit von Beton wurde mit der Rückprallmethode gemäß JCJ/T 23-201125 getestet. Die Wahl der Betonsäule erfolgte analog zur Säule zur Prüfung der Neutralisationstiefe. Für jede Säule wurden zehn Testzonen ausgewählt und auf zwei symmetrischen messbaren Oberflächen der Säule angeordnet. Die Anzahl der Messpunkte in jeder Prüfzone betrug nicht weniger als 16. Die Messpunkte sollten gleichmäßig verteilt sein und der Abstand zwischen zwei benachbarten Messpunkten sollte nicht weniger als 20 mm betragen. Der Abstand zwischen den Messpunkten und den freiliegenden Stahlstäben oder eingebetteten Teilen betrug nicht weniger als 30 mm. Die Messpunkte sollten nicht auf Steinen und Poren erscheinen und jeder Messpunkt sollte nur einmal abgeprallt sein. Unter Vernachlässigung von drei Maximalwerten und drei Minimalwerten ergab sich als Mittelwert der übrigen Messpunkte der durchschnittliche Rückprallwert der Testzone. Der durchschnittliche Rückprallwert von zehn Testzonen war die Festigkeit der Betonsäule. Der äquivalente Wert der Druckfestigkeit von Beton wurde entsprechend dem Rückprallwert der Druckfestigkeit und der Neutralisationstiefe umgerechnet.

Um den Korrosionsmechanismus von Beton in der Ammoniumsulfat-Werkstatt zu analysieren, wurden die Korrosionsprodukte von Beton unter der kombinierten Wirkung von CO2 und SO2 durch einen Betonneutralisationssimulationstest untersucht. Die Rohstoffe und Mischungsanteile des Betons im Simulationstest waren die gleichen wie in der Ammoniumsulfat-Werkstatt. Die Betonneutralisationssimulationstestmethode wurde gemäß der Betonkarbonatisierungstestmethode in der chinesischen Norm GB/T 50082-200926 vorgeschlagen.

Die Umgebungsparameter im Simulationstest wurden entsprechend der tatsächlichen Umgebung der Ammoniumsulfat-Werkstatt eingestellt. Die Einstellungen der Temperatur und relativen Luftfeuchtigkeit im Simulationstest entsprachen der tatsächlichen Temperatur und relativen Luftfeuchtigkeit in der Werkstatt. Daher betrugen die Temperatur und die relative Luftfeuchtigkeit im Simulationstest 35 °C bzw. 45 %. Die CO2-Konzentration im Simulationstest betrug 20 % gemäß GB/T 50082-200926. In der Ammoniumsulfat-Werkstatt war die Konzentration von CO2 649-mal höher als die von SO2. Daher betrug die SO2-Konzentration im Simulationstest 0,03 %. Gemäß der Betonkarbonatisierungstestmethode in GB/T 50082-200926 entsprechen 4 Tage des Simulationstests 7 Jahren in der tatsächlichen Umgebung. Daher betrug der Testzeitraum 4 Tage.

Das Testverfahren umfasste die folgenden Schritte:

Die Würfelproben wurden vor dem Test 48 Stunden lang bei 60 °C getrocknet.

Jede Probe wurde (mit Ausnahme der beiden gegenüberliegenden Seiten) mit Epoxidharz bedeckt, um sicherzustellen, dass die Diffusion von CO2 und SO2 im Beton eindimensional war.

Die Proben wurden in die Betonkarbonatisierungsprüfkammer gelegt und der Abstand zwischen benachbarten Proben betrug mindestens 50 mm.

Die Umgebungsparameter in der Betonkarbonisierungstestkammer wurden wie folgt eingestellt: Temperatur = 35 °C, relative Luftfeuchtigkeit = 45 % und CO2-Konzentration = 20 %.

Die Proben wurden nach 4 Tagen entnommen.

Die karbonisierten Proben wurden in die Beton-Schwefelungstestkammer gelegt.

Die Umgebungsparameter in der Betonschwefelungstestkammer wurden wie folgt eingestellt: Temperatur = 35 °C, relative Luftfeuchtigkeit = 45 % und SO2-Konzentration = 0,03 %.

Die Testdauer des Sulfurierungstests betrug 4 Tage.

Der Pulverisierer wurde zum Extrahieren von Betonpulver verwendet. Die Probe wurde in verschiedenen Schichten (1 mm/Schicht) pulverisiert. Das Pulver wurde durch ein 0,16 mm Sieb gegeben. Das Pulver wurde vor dem Test 24 Stunden lang bei 50 °C getrocknet. Das vorbereitete Pulver wurde im XRD- und TG-Test verwendet. Mittels XRD-Analyse wurde die Phasenzusammensetzung von Beton untersucht. Für die Beugung wurde eine Cu-Kα-Quelle verwendet und der Beugungswinkel betrug 5° bis 45° in Schritten von 0,02°.

Zur Messung der Betonzusammensetzung wurde die TG-Methode verwendet. Der Test wurde in einem Temperaturbereich von 30 bis 900 °C durchgeführt, die Heizrate betrug 10 °C/min. Die Versuchsatmosphäre war Stickstoff.

Sowohl die Temperaturen in der Ammoniumsulfat-Werkstatt als auch die allgemeine atmosphärische Umgebung sind in Abb. 2 dargestellt. Wie in der Abbildung gezeigt, betrugen die Temperaturen in der Werkstatt im August, September und Oktober 38,5 °C, 34,2 °C und 31,4 °C. jeweils. Im gleichen Zeitraum betrugen die Lufttemperaturen in Wuhan 31,1 °C, 23,8 °C bzw. 19,4 °C. Die Temperatur in der Werkstatt stieg mit der Zunahme der allgemeinen atmosphärischen Umgebung. Die durchschnittliche Temperatur in der Werkstatt betrug 34,7 °C und war 1,40-mal höher als die allgemeine atmosphärische Umgebung.

Temperaturen in der Ammoniumsulfat-Werkstatt und allgemeine atmosphärische Umgebung.

Sowohl die relative Luftfeuchtigkeit in der Ammoniumsulfat-Werkstatt als auch die allgemeine atmosphärische Umgebung sind in Abb. 3 dargestellt. Wie in der Abbildung gezeigt, betrug die relative Luftfeuchtigkeit in der Werkstatt im August, September und Oktober 44,7 %, 44,2 % und 41,3 %. jeweils. Im gleichen Zeitraum betrug die relative Luftfeuchtigkeit der allgemeinen atmosphärischen Umgebung in Wuhan 74 %, 75 % bzw. 72 %. Sowohl die relative Luftfeuchtigkeit in der Werkstatt als auch die allgemeine atmosphärische Umgebung veränderten sich kaum. Die durchschnittliche relative Luftfeuchtigkeit in der Werkstatt betrug 43,4 %, und die relative Luftfeuchtigkeit der allgemeinen atmosphärischen Umgebung war 1,70-mal höher als die in der Werkstatt.

Relative Luftfeuchtigkeit in der Ammoniumsulfat-Werkstatt und allgemeine atmosphärische Umgebung.

Die CO2-Konzentrationen in der Ammoniumsulfat-Werkstatt sind in Abb. 4 dargestellt. Wie aus der Abbildung hervorgeht, betrug die durchschnittliche CO2-Konzentration in der Werkstatt 986,2 mg/m3. Darüber hinaus waren die CO2-Konzentrationen in den verschiedenen Abschnitten deutlich unterschiedlich und die CO2-Konzentrationen im Lager, im Syntheseabschnitt (innen), im Syntheseabschnitt (im Freien), im Vulkanisationsbettabschnitt und im Kristallisationstankabschnitt betrugen 927 mg/m3 bzw. 886 mg/m3 , 805 mg/m3, 1207 mg/m3 bzw. 1106 mg/m3. Den einschlägigen Informationen des Wuhan Environmental Protection Bureau (WHEPB) zufolge betrug die durchschnittliche CO2-Konzentration der atmosphärischen Umwelt im Bezirk Qingshan 740,5 mg/m3. Daher war die CO2-Konzentration in der Ammoniumsulfat-Werkstatt höher und der Maximalwert war 1,49-mal höher als der der allgemeinen atmosphärischen Umgebung.

CO2-Konzentration in der Ammoniumsulfat-Werkstatt.

Die SO2-Konzentrationen in der Ammoniumsulfat-Werkstatt sind in Abb. 5 dargestellt. Wie aus der Abbildung hervorgeht, betrug die durchschnittliche SO2-Konzentration in der Werkstatt 2,11 mg/m3. Es gab erhebliche Unterschiede in den SO2-Konzentrationen in verschiedenen Abschnitten, und die SO2-Konzentrationen im Lager, im Syntheseabschnitt (innen), im Syntheseabschnitt (im Freien), im Vulkanisationsbettabschnitt und im Kristallisationstankabschnitt betrugen 1,29 mg/m3, 1,64 mg/m3, 1,03 mg/m3, 2,30 mg/m3 bzw. 4,29 mg/m3. Den relevanten Informationen des WHEPB zufolge betrug die durchschnittliche SO2-Konzentration der atmosphärischen Umgebung im Bezirk Qingshan 0,056 mg/m3. Daher war die SO2-Konzentration in der Ammoniumsulfat-Werkstatt höher und der Maximalwert war 76,6-mal höher als der der allgemeinen atmosphärischen Umgebung. Darüber hinaus war die SO2-Konzentration in der Ammoniumsulfat-Werkstatt deutlich niedriger als die CO2-Konzentration.

SO2-Konzentration in der Ammoniumsulfat-Werkstatt.

Das Aussehen des Betons in der Ammoniumsulfat-Werkstatt ist in Abb. 6 dargestellt. Wie in der Abbildung dargestellt, gab es nur einige Schäden an der Betonoberfläche, die durch mechanische Kollisionen im Lager verursacht wurden (Abb. 6a). Auf der Oberfläche der Betonsäule im Syntheseabschnitt (im Freien) kam es zu offensichtlicher Ausdehnung, Abplatzung und Pulverisierung, und es fiel eine große Menge weißer Kristalle aus (Abb. 6b). Der Plattformgesimsbeton im Bereich des Vulkanisationsbetts war vollständig korrodiert und abgeblättert, und die Stahlstangen waren freigelegt und teilweise verrostet (Abb. 6c). Obwohl der Boden im Kristallisationsbehälterbereich beschichtet war, war die Beschichtung teilweise beschädigt und der beschädigte Beton war stark korrodiert (Abb. 6d).

Aussehen der Betonkonstruktion in der Ammoniumsulfat-Werkstatt. (a) Die Säule im Lager; (b) die Säule im Syntheseabschnitt (im Freien); (c) das Plattformgesims im Vulkanisationsbettabschnitt; (d) der Boden im Kristallisationstankbereich.

CO2 reagierte mit Hydratationsprodukten des Betons zu CaCO3, wodurch die Porenstruktur dichter wurde als bei unkarbonisiertem Beton. Daher konnte die Karbonatisierung das Aussehen des Betons nicht verändern. Allerdings wandelte SO2 CaCO3 in Gips um, wodurch sich das Festphasenvolumen des Betons rasch erhöhte. Eine große Menge Gips erzeugte übermäßige innere Spannungen im Beton, was zu Ausdehnungen und Rissen auf der Betonoberfläche führte6. Daher nahm der Grad der Aussehensveränderung des Betons mit steigender SO2-Konzentration zu.

Die SO2-Konzentration im Synthesebereich im Freien war nicht hoch, aber die Außenumgebung wurde durch Regenwasser beeinträchtigt. Bei der Korrosionsreaktion spielte Wasser eine Schlüsselrolle. Wasser stellte ein Medium für den Ionentransport dar und war eine notwendige Voraussetzung für die Reaktion zwischen SO2 und CaCO3. Darüber hinaus waren die Reaktionsprodukte Calciumsulfate kristallwasserhaltige Substanzen. Calciumsulfate, die mehr Kristallwasser enthalten, erhöhten das Festphasenvolumen von Beton und führten zu einer höheren Wahrscheinlichkeit von Rissen im Beton. Relevante Untersuchungen haben gezeigt, dass SO2 schwere Korrosionsschäden an Beton verursachen kann, wenn sich flüssiges Wasser auf der Betonoberfläche befindet21. Daher war die Änderung des Aussehens im Bereich der Outdoor-Synthese relativ groß.

Die Neutralisationstiefe von Beton in der Ammoniumsulfat-Werkstatt ist in Tabelle 2 aufgeführt, und das Häufigkeitsverteilungshistogramm der Betonneutralisationstiefe ist in Abb. 7 dargestellt. Wie in der Tabelle und Abbildung gezeigt, sind der Durchschnitt, die Standardabweichung und der Variationskoeffizient Die Betonneutralisierungstiefe in der Werkstatt betrug 11,17 mm, 5,23 mm bzw. 0,47 mm. Abbildung 7 zeigte, dass der p-Wert bei einem signifikanten Niveau von α = 0,05 unter Verwendung von Shapiro-Wilk 0,09 betrug. Daher folgte die Neutralisationstiefe des Betons in der Ammoniumsulfat-Werkstatt der Normalverteilung.

Häufigkeitsverteilungshistogramm der Betonneutralisationstiefe in der Ammoniumsulfatwerkstatt.

Die Häufigkeitsverteilungshistogramme der Betonneutralisationstiefe in verschiedenen Bereichen der Werkstatt sind in Abb. 8 dargestellt. Wie in Tabelle 2 und Abb. 8 dargestellt, sind die Neutralisationstiefen von Beton im Lager, im Synthesebereich (innen) und im Synthesebereich (außen) dargestellt ), Vulkanisationsbettabschnitt und Kristallisationstankabschnitt unterschieden sich deutlich und die Durchschnittswerte betrugen 9,33 mm, 9,76 mm, 8,67 mm, 12,68 mm bzw. 19,86 mm. Dies lag daran, dass die Neutralisationstiefe mit der Konzentration der sauren Gase zusammenhing. Die CO2-Konzentrationen im Vulkanisationsbettbereich und im Kristallisationstankbereich waren relativ hoch und die Neutralisationstiefen waren größer als im Lager- und Synthesebereich. Darüber hinaus war die SO2-Konzentration im Kristallisationstankbereich höher als im Vulkanisationsbettbereich und die Beschädigung des Betons war schwerwiegender. CO2 diffundierte aus Mikrorissen in den Beton und die Neutralisationsrate erhöhte sich. Daher war die Neutralisationstiefe des Betons im Kristallisationstankabschnitt 1,57-mal größer als im Vulkanisationsbettabschnitt.

Häufigkeitsverteilungshistogramme der Betonneutralisationstiefe in verschiedenen Abschnitten der Ammoniumsulfatwerkstatt. (Ein Lagerhaus; (b) Synthesebereich (innen); (c) Syntheseabschnitt (im Freien); (d) Vulkanisationsbettabschnitt; (e) Kristallisationstankabschnitt.

Wie in Abb. 8 gezeigt, betrugen die p-Werte im Lager, im Synthesebereich (innen), im Synthesebereich (außen), im Vulkanisationsbettbereich und im Kristallisationstankbereich 0,93, 0,52, 0,94, 0,82 und 0,79 auf einem signifikanten Niveau α = 0,05 unter Verwendung von Shapiro-Wilk. Daher folgte die Neutralisationstiefe des Betons in verschiedenen Abschnitten der Normalverteilung.

Die Druckfestigkeit von Beton in der Ammoniumsulfat-Werkstatt ist in Tabelle 3 dargestellt, und das Häufigkeitsverteilungshistogramm der Betondruckfestigkeit ist in Abb. 9 dargestellt. Wie in der Tabelle und der Abbildung gezeigt, betrugen der Durchschnitt und die Standardabweichung der Druckfestigkeit 24,30 MPa bzw. 3,74 MPa und der Variationskoeffizient betrug 0,15. Abbildung 9 zeigte, dass der p-Wert bei einem signifikanten Niveau von α = 0,05 unter Verwendung von Shapiro-Wilk 0,32 betrug. Daher folgte die Druckfestigkeit von Beton in der Ammoniumsulfat-Werkstatt der Normalverteilung.

Häufigkeitsverteilungshistogramm der Betondruckfestigkeit in der Ammoniumsulfat-Werkstatt.

Wie in Tabelle 3 dargestellt, nahm die Druckfestigkeit des Betons in verschiedenen Bereichen der Werkstatt ab. Relevante Studien zeigten, dass die Karbonisierung von Beton die Druckfestigkeit erhöhte27,28, während die Schwefelung des Betons die Festigkeit verringerte29. Daher war die Druckfestigkeit des Betons im Kristallisationstankbereich und im Vulkanisationsbettbereich aufgrund der hohen SO2-Konzentration gering. Obwohl die SO2-Konzentration im Syntheseabschnitt (im Freien) am niedrigsten war, sank die Festigkeit durch den Einfluss von Regenwasser stark und lag im Mittel bei 23,60 MPa.

Die XRD-Muster von Beton mit unterschiedlichen Tiefen sind in Abb. 10 dargestellt. Wie in der Abbildung gezeigt, waren die kristallinen Phasen Gips (CaSO4·2H2O), Calcit (CaCO3), Portlandit (Ca(OH)2) und Quarz (SiO2). . Unter ihnen war Ca(OH)2 das Hydratationsprodukt und Gips und CaCO3 waren die Korrosionsprodukte von Beton unter der Einwirkung von CO2 und SO2. Die Beugungspeaks von Gips und CaCO3 waren offensichtlich in der Oberflächenschicht des Betons sichtbar, während der Ca(OH)2-Beugungspeak nicht offensichtlich war. Der Gipsbeugungspeak konnte in einer Tiefe von 5 mm nicht beobachtet werden und der Ca(OH)2-Peak erschien.

XRD-Muster von Beton unter Einwirkung von CO2 und SO2. Q Quarz (SiO2), G Gips (CaSO4·2H2O), C Calcit (CaCO3), H Portlandit (Ca(OH)2).

Die CO2-Konzentration in der Werkstatt war viel höher als die von SO2 und daher war die Diffusionsrate von CO2 im Beton schneller als die von SO2. CO2 reagierte mit dem Hydratisierungsprodukt Ca(OH)2 zu CaCO3 und SO2 reagierte mit dem Carbonisierungsprodukt CaCO3 zu Gips. Nur CO2 konnte bis zu einer Tiefe von 5 mm aus der Betonoberfläche diffundieren, sodass CaCO3 im Innenbeton beobachtet wurde. Die Konzentrationen von CO2 und SO2 in der Oberflächenschicht waren höher als im Innenbeton, sodass Ca(OH)2 in der Oberflächenschicht nicht vorhanden sein konnte.

Es dürfte allgemein bekannt sein, dass Gips unter Sulfatangriff mit der Aluminatphase reagierte und im Beton Ettringit bildete30,31,32, während Ettringit im Beton unter der Einwirkung von CO2 und SO2 nicht beobachtet werden konnte. Dies lag daran, dass CO2 und SO2 in der Porenlösung gelöst und zu H+ ionisiert wurden, das mit alkalischen Hydratationsprodukten reagierte. Aufgrund der Abnahme des pH-Werts der Porenlösung konnte Ettringit nicht stabil existieren und zerfiel in Gips und ein aluminiumhaltiges Gel6,30. Daher war das sulfatierte Betonprodukt nur Gips.

Die TG-Analyseergebnisse von Beton mit unterschiedlichen Tiefen sind in Abb. 11 dargestellt. In den TG- und DTG-Kurven waren drei endotherme Hauptpeaks erkennbar, die jeweils Gips, Ca(OH)2 und CaCO3 entsprachen. Darunter waren CaCO3 und Gips die Korrosionsprodukte von Beton unter Einwirkung von CO2 und SO2. Die Höhe des endothermen CaCO3-Peaks in der Oberflächenschicht des Betons war höher als in einer Tiefe von 5 mm. Dies könnte auf die maximale CO2-Konzentration in der Oberflächenschicht des Betons zurückzuführen sein. Obwohl also etwas CaCO3 in der Oberflächenschicht des Betons mit SO2 unter Bildung von Gips reagierte, war der CaCO3-Gehalt immer noch größer als der bei 5 mm.

Thermoanalysekurven von Beton unter Einwirkung von CO2 und SO2.

Eine große Anzahl von Forschern hat bestätigt, dass die Karbonatisierungstiefe von Beton proportional zur Quadratwurzel der Einwirkzeit ist1,33,34,35,36. Die Karbonatisierungstiefe von Beton wird in diesem Experiment durch Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit, CO2-Konzentration und Druckfestigkeit des Betons beeinflusst. Laut Literatur36 kann die Karbonatisierungstiefe von Beton in der Ammoniumsulfat-Werkstatt wie folgt ausgedrückt werden:

wobei XC die Karbonatisierungstiefe des Betons in mm ist; kmc ist der Berechnungsmodusparameter, kmc = 0,996; ke, kCO2 und kf sind die Karbonatisierungseinflusskoeffizienten von Temperatur und Luftfeuchtigkeit, CO2-Konzentration bzw. Druckfestigkeit; t ist die Karbonisierungseinwirkungszeit, d.

Die Karbonatisierungseinflusskoeffizienten von Temperatur und Luftfeuchtigkeit, CO2-Konzentration und Druckfestigkeit können in den Gleichungen berechnet werden. (2)–(4) bzw.36.

wobei T die Temperatur in °C ist; RH ist die relative Luftfeuchtigkeit, %; CC ist die CO2-Konzentration, %; und fcuk ist die Druckfestigkeit von Beton, MPa.

Ersetzen der Gleichungen. (2)–(4) in Gl. (1), die Karbonatisierungstiefe von Beton in der Ammoniumsulfat-Werkstatt ist in Gl. angegeben. (5).

Ersetzen Sie die Temperatur, die relative Luftfeuchtigkeit, die CO2-Konzentration, die Betondruckfestigkeit und die Einwirkzeit in Gleichung. (5) wird die Karbonatisierungstiefe von Beton in der Ammoniumsulfat-Werkstatt berechnet.

Die SO2-Konzentration in der Ammoniumsulfat-Werkstatt ist viel niedriger als die von CO2. Allerdings wird die Betonneutralisationsrate aufgrund der Ausdehnung und Rissbildung des Betons unter SO2-Angriff beschleunigt. Daher kann die Neutralisationstiefe von Beton in der Ammoniumsulfat-Werkstatt wie folgt ausgedrückt werden:

wobei X die Neutralisationstiefe des Betons in mm ist; KS ist der Neutralisationseinflusskoeffizient von SO2; CS ist die Konzentration von SO2, %.

Einsetzen der Karbonisierungstiefen, Neutralisationstiefen und SO2-Konzentration in Gleichung. (6) KS wird berechnet und das Häufigkeitsverteilungshistogramm von KS ist in Abb. 12 dargestellt. Die Abbildung zeigt, dass der Durchschnitt, die Standardabweichung und der Variationskoeffizient von KS 4,10, 1,31 bzw. 0,32 betrugen. Unter Verwendung der Shapiro-Wilk-Methode betrug der p-Wert von KS 0,65 bei einem signifikanten Niveau von α = 0,05. Daher folgte KS in der Ammoniumsulfat-Werkstatt der Normalverteilung.

Häufigkeitsverteilungshistogramm von Ks.

Zusammenfassend wird die Neutralisationstiefe von Beton in der Ammoniumsulfat-Werkstatt wie folgt ausgedrückt:

Die hohe Alkalität im Beton bildet einen Passivierungsfilm für den Bewehrungsstab, der ihn vor Korrosion schützt. CO2 und SO2 lösen sich in der Porenlösung und ionisieren zu H+, das mit dem aus Ca(OH)2 ionisierten OH- reagiert, und es kommt zu einer Neutralisierungsreaktion im Beton. Sobald die Betondecke vollständig neutralisiert ist, wird der Passivierungsfilm des Bewehrungsstahls zerstört und der Bewehrungsstahl beginnt zu korrodieren. Das Ende der Neutralisationsdauer von Beton ist der erste Zeitpunkt der Korrosion von Stahlstäben. Daher ist die Grenzzustandsfunktion der Neutralisationsgebrauchsdauer von Beton in Gl. dargestellt. (8).

wobei c die Dicke der Betondeckung in mm ist; x0 ist der Neutralisationsrest, mm; X(t) ist die Neutralisationstiefe des Betons, mm; und t ist die Belichtungszeit, a.

Laut Literatur36 wird der Neutralisationsrest von Beton in Gl. (9).

Neutralisationsreste von Beton in der Ammoniumsulfat-Werkstatt werden berechnet und das Häufigkeitsverteilungshistogramm von x0 ist in Abb. 13 dargestellt. Die Abbildung zeigt, dass der Durchschnitt, die Standardabweichung und der Variationskoeffizient von x0 1,35 mm, 0,23 mm und 0,17 betrugen , jeweils. Unter Verwendung der Shapiro-Wilk-Methode betrug der p-Wert von x0 0,54 bei einem signifikanten Niveau von α = 0,05. Daher folgten Neutralisationsreste von Beton in der Ammoniumsulfat-Werkstatt der Normalverteilung.

Häufigkeitsverteilungshistogramm von x0.

Ersetzt man die Berechnungsergebnisse der Gl. (7) und (9) in Gl. (8) Die Lebensdauer der Betonneutralisation im Lager, im Synthesebereich (innen), im Synthesebereich (außen), im Vulkanisationsbettbereich und im Kristallisationstankbereich der Ammoniumsulfatwerkstatt betrug 76,21 a, 59,01 a, 95,56 a, 36,62 a bzw. 14,84 a. Daher betrug die verbleibende Neutralisationslebensdauer im Lager, im Synthesebereich (innen), im Synthesebereich (im Freien), im Vulkanisationsbettbereich und im Kristallisationstankbereich 69,21 a, 52,01 a, 88,56 a, 29,62 a bzw. 7,84 a.

In dieser Studie wurden die Umwelteigenschaften und der Korrosionsgrad von Beton in einer 7 Jahre alten Kokerei-Ammoniumsulfat-Werkstatt analysiert und eine Vorhersage der Neutralisationslebensdauer der Betonstruktur durchgeführt. Außerdem wurden die Korrosionsprodukte von Beton unter Einwirkung von CO2 und SO2 untersucht. Die wichtigsten Schlussfolgerungen lauten wie folgt:

Die Temperatur in der Werkstatt stieg mit der Zunahme der allgemeinen atmosphärischen Umgebung. Die durchschnittliche Temperatur in der Werkstatt betrug 34,7 °C und war 1,40-mal höher als die der allgemeinen atmosphärischen Umgebung. Sowohl die relative Luftfeuchtigkeit in der Werkstatt als auch die allgemeine atmosphärische Umgebung veränderten sich kaum. Die durchschnittliche relative Luftfeuchtigkeit in der Werkstatt betrug 43,4 %, und die relative Luftfeuchtigkeit der allgemeinen atmosphärischen Umgebung war 1,70-mal höher als die in der Werkstatt.

Die durchschnittliche CO2-Konzentration und SO2-Konzentration in der Werkstatt betrugen 986,2 mg/m3 bzw. 2,11 mg/m3 und waren 1,31-mal bzw. 37,68-mal höher als die der allgemeinen atmosphärischen Umgebung. Darüber hinaus waren sowohl die CO2- als auch die SO2-Konzentration in verschiedenen Bereichen der Werkstatt deutlich unterschiedlich.

Das Erscheinungsbild des Betons war in verschiedenen Bereichen der Werkstatt deutlich unterschiedlich. Es gab nur einige Schäden an der Betonoberfläche, die durch mechanische Kollisionen im Lager verursacht wurden, und eine große Menge weißer Kristalle wurde auf der Betonoberfläche im Synthesebereich (im Freien) abgeschieden. Der Beton des Bahnsteiggesimses war im Bereich des Vulkanisationsbetts vollständig korrodiert und blätterte ab. Die Beschichtung des Bodens im Kristallisationsbehälterbereich war teilweise beschädigt und der beschädigte Teil war stark korrodiert.

Die Neutralisationstiefe des Betons in verschiedenen Abschnitten der Werkstatt war deutlich unterschiedlich und folgte der Normalverteilung. Die Neutralisationstiefe des Betons nahm mit der Zunahme der CO2- und SO2-Konzentrationen zu, und die Neutralisationstiefe im Kristallisationstankabschnitt war mit einem Durchschnittswert von 19,86 mm am größten.

Die Druckfestigkeit des Betons in verschiedenen Bereichen der Werkstatt nahm ab. Die Druckfestigkeit des Betons im Kristallisationstankbereich und im Vulkanisationsbettbereich war aufgrund der hohen SO2-Konzentration gering. Im Synthesebereich (im Freien) sank die Festigkeit durch den Einfluss des Regenwassers stark ab.

Gips und CaCO3 waren die Korrosionsprodukte von Beton unter der Einwirkung von CO2 und SO2. Gips und CaCO3 waren offensichtlich in der Oberflächenschicht des Betons sichtbar, während in einer Tiefe von 5 mm nur CaCO3 beobachtet werden konnte. Der CaCO3-Gehalt in der Oberflächenschicht des Betons war größer als in einer Tiefe von 5 mm.

Das Vorhersagemodell der Neutralisationstiefe von Beton wurde erstellt und die verbleibende Neutralisationslebensdauer des Betons im Lager, im Synthesebereich (innen), im Synthesebereich (außen), im Vulkanisationsbettbereich und im Kristallisationstankbereich betrug 69,21 a, 52,01 a , 88,56 a, 29,62 a bzw. 7,84 a.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Forschung wurde finanziell unterstützt von der National Natural Science Foundation of China (Grant Nr. 52078413), dem Program for Innovative Research Team in University of Ministry of Education of China (Grant Nr. IRT17R84), der National Natural Science Foundation of China (Grant Nr. 52178163), das Schlüsselprojekt des wissenschaftlichen Forschungsprogramms der Bildungsabteilung der Provinz Shaanxi (Zuschuss Nr. 20JY037).

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Mingqiang Lin

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DN, XL und YL haben die Studie entworfen; ML und YCL führten das Experiment durch; YL hat das Manuskript geschrieben. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Yao Lv oder Ditao Niu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Lv, Y., Niu, D., Liu, X. et al. Korrosionsschäden und Lebensdauervorhersage der Betonstruktur in der Ammoniumsulfat-Verkokungswerkstatt der Eisen- und Stahlindustrie. Sci Rep 13, 2826 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30015-1

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Eingegangen: 27. April 2022

Angenommen: 14. Februar 2023

Veröffentlicht: 17. Februar 2023

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

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