Daño por corrosión y predicción de la vida útil de la estructura de hormigón en el taller de sulfato de amonio coquizable de la industria siderúrgica

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 2826 (2023) Citar este artículo

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Las plantas siderúrgicas emiten una gran cantidad de CO2 y SO2 en el proceso de producción, y las altas concentraciones de gases ácidos provocan graves daños por corrosión en las estructuras de hormigón. En este trabajo, se investigaron las características ambientales y el grado de daño por corrosión del concreto en un taller de sulfato de amonio coquizable de 7 años de antigüedad, y se llevó a cabo la predicción de la vida de neutralización de la estructura de concreto. Además, se analizaron los productos de corrosión mediante ensayo de simulación de neutralización del hormigón. La temperatura y la humedad relativa promedio en el taller fueron de 34,7 °C y 43,4%, y fueron 1,40 veces superiores y 1,70 veces inferiores a las del ambiente atmosférico general, respectivamente. Tanto las concentraciones de CO2 como de SO2 fueron significativamente diferentes en varias secciones del taller, y fueron mucho más altas que las del entorno atmosférico general. La apariencia de corrosión y la pérdida de resistencia a la compresión del hormigón fueron más graves en las secciones con alta concentración de SO2, como la sección del lecho de vulcanización y la sección del tanque de cristalización. La profundidad de neutralización del hormigón en la sección del tanque de cristalización fue la más grande, con un valor promedio de 19,86 mm. Los productos de corrosión, yeso y CaCO3, eran evidentemente visibles en la capa superficial de hormigón, mientras que solo se podía observar CaCO3 a 5 mm. Se estableció el modelo de predicción de la profundidad de neutralización del concreto y la vida útil de neutralización restante en el almacén, la sección de síntesis (interior), la sección de síntesis (exterior), la sección del lecho de vulcanización y la sección del tanque de cristalización fueron 69,21 a, 52,01 a, 88,56 a, 29.62a y 7.84a, respectivamente.

El CO2 y el SO2 se difunden en el hormigón y reaccionan con los productos de hidratación del cemento. El CO2 convierte el Ca(OH)2, el hidrato de silicato de calcio (C–S–H) y el aluminato de calcio en CaCO31,2,3,4. El SO2 reacciona con todos los compuestos de calcio de los productos de hidratación, incluido el CaCO3, y los convierte en compuestos que contienen azufre5,6,7. La lista de compuestos sulfurados incluye principalmente sulfito de calcio (CaSO3·1/2H2O), sulfatos de calcio (CaSO4, CaSO4·1/2H2O y CaSO4·2H2O) y sulfoaluminatos de calcio (3CaO·Al2O3·CaSO4 12H2O y 3CaO·Al2O3·3CaSO4 ·31–32H2O)7.

Tanto la carbonatación como la sulfuración del concreto pueden reducir el pH6,7,8,9 de la solución de los poros, y es difícil que los sulfoaluminatos de calcio existan de manera estable debido a la disminución del pH10 de la solución de los poros. Se informó que la desaparición de la etringita (3CaO·Al2O3·3CaSO4·31–32H2O) y el hidrato de monosulfoaluminato (3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O) a 20 °C fueron a pH ≤ 10.7 y pH ≤ 11.6, respectivamente11. Los rangos de pH de la etringita que podrían existir de manera estable a 25 °C, 50 °C y 85 °C fueron 10,43–12,52, 10,52–12,41 y 10,87–12,25, respectivamente12. La descomposición de la etringita por carbonatación del concreto fue reportada por autores13,14,15, y los productos de reacción fueron CaCO3, yeso y gel de alúmina.

El pH de la solución de poro del concreto generalmente está en el rango de 12.5–13.816,17,18, donde la delgada película protectora de óxidos de hierro alrededor de la barra de refuerzo es estable. La disminución del pH de la solución de poro debido a la carbonatación y la sulfuración conduce a la desestabilización de la película pasiva en la barra de refuerzo. Una vez que el pH cae a alrededor de 9, la barra de refuerzo comienza a corroerse debido a la ruptura de la película pasiva19. Por lo tanto, es necesario desarrollar tecnologías y estrategias para la resistencia del hormigón al CO2 y al SO2. Para lograr este objetivo, se debe realizar el estudio experimental y la investigación de campo sobre la neutralización del hormigón bajo la acción combinada de CO2 y SO2.

Hay algunos estudios experimentales sobre la neutralización del hormigón bajo la acción combinada de CO2 y SO2, y se exponen a una atmósfera artificial con altas concentraciones de medios de corrosión20,21. La velocidad de difusión del CO2 en el hormigón fue mayor que la del SO2 bajo la acción combinada de CO2 y SO2. El principal motivo fue que la concentración de CO2 era mucho mayor que la de SO2 en el entorno industrial7,20. Mientras tanto, la tasa de difusión de CO2 con la misma concentración de volumen fue más rápida que la de SO2. Leah21 observó el proceso de difusión de gas en el hormigón en condiciones de CO2 y SO2 con la misma concentración de volumen. Se encontró que el concreto se combinaba con CO2 en la etapa inicial de la reacción y el producto de carbonatación CaCO3 se generaba continuamente. Posteriormente, el SO2 convirtió el CaCO3 en yeso. Por lo tanto, el CO2 reaccionó con los productos de hidratación al principio, y la esencia de la sulfuración del concreto fue la reacción entre el SO2 y el producto de carbonatación.

Hay poca investigación de campo sobre la neutralización del hormigón bajo la acción combinada de CO2 y SO2. Pavlik7 evaluó la degradación del hormigón por los gases de combustión de la combustión del carbón en la chimenea de una central eléctrica. Se observó que el concreto se dividió en zona blanda desintegrada, zona sulfatada, zona carbonatada y zona no neutralizada. Se analizaron el pH, los productos de corrosión y la microestructura en varias zonas, respectivamente. Ren22 descubrió que la cubierta de hormigón del tubo de la estufa subterráneo en una planta de sinterización estaba parcialmente agrietada o incluso desprendida, y las barras de acero estaban gravemente corroídas.

En conclusión, los resultados de la investigación sobre la neutralización del hormigón bajo la acción combinada de CO2 y SO2 se centran principalmente en el mecanismo de neutralización, y se debe llevar a cabo el deterioro del rendimiento y la predicción de la vida útil del hormigón. Se deben monitorear las características ambientales del entorno industrial local y se debe proponer el método de prueba de simulación de neutralización de concreto de acuerdo con estas características ambientales. Además, también se debe lograr el grado de daño por corrosión, el mecanismo de corrosión y la predicción de la vida útil del concreto bajo la acción de CO2 y SO2.

En este artículo, se investigaron las características ambientales y el daño por corrosión de las estructuras de concreto en un taller de sulfato de amonio coquizable de 7 años de antigüedad de Wuhan Iron and Steel Corporation (WISCO). Se midieron las características ambientales tales como temperatura, humedad relativa, concentración de CO2 y concentración de SO2. Además, se analizó la apariencia, la profundidad de neutralización y la resistencia a la compresión del concreto en varias secciones del taller. Se propuso el método de prueba de simulación de neutralización del concreto de acuerdo con las características ambientales, y los productos de corrosión se analizaron mediante difracción de rayos X (XRD) y análisis termogravimétrico (TG). Se estableció el modelo de predicción de la profundidad de neutralización del concreto en el taller de sulfato de amonio y se pronosticó la vida útil restante de la neutralización en varias secciones.

La industria siderúrgica emite una gran cantidad de CO2 y SO2 en el proceso de coquización. Tomando como ejemplo un taller de sulfato de amonio coquizable de WISCO de 7 años de antigüedad, se investigaron las características ambientales y el daño por corrosión del concreto de agosto a octubre de 2013. WISCO estaba ubicado en el distrito de Qingshan, ciudad de Wuhan. El taller de sulfato de amonio se construyó en 2006 y el estilo estructural era una estructura de estructura de hormigón de tres capas.

El plano de la estructura se muestra en la Fig. 1. Como se muestra en la figura, el largo y el ancho del taller eran de 39,1 m y 30 m, respectivamente. El diseño del proceso del taller fue el siguiente: los ejes A–D del primer piso eran la sección sintética de sulfato de amonio, y la sección de síntesis dentro de los ejes 7–10 estaba en un ambiente al aire libre. Los ejes D-G del primer piso eran el almacén. El segundo piso del taller era la sección del lecho de vulcanización y el tercer piso era la sección del tanque de cristalización. El número de serie de la columna de hormigón es MN-R. M y N son los números de los ejes (M = A, B,…, G; N = 1, 2,…, 10), y R son los números del piso (R = 1, 2, 3).

El plano de estructura del taller de sulfato de amonio.

El hormigón consistió en cemento Portland ordinario PO 42.5, con arena natural de río como agregado fino y piedra caliza triturada como agregado grueso. El agente de bombeo se usó con una tasa de reducción de agua del 18%. La proporción de mezcla de hormigón se enumera en la Tabla 1. El espesor de la cubierta de hormigón era de 30 mm. El grado de resistencia del concreto fue C30, y el valor característico de la resistencia a la compresión del concreto fue de 30 MPa.

La temperatura y la humedad relativa en el taller de sulfato de amonio se probaron utilizando un registrador de temperatura y humedad, y los datos se recolectaron cada hora. El diseño de los puntos de medición se basó en el estándar chino GB/T 18204.13-200023 y GB/T 18204.14-200024. Había cinco puntos de medición en cada sección, y estaban dispuestos en dos diagonales con forma de flor de ciruelo. La altura de los puntos de medición era de 0,8 a 1,6 m desde el suelo, y la distancia entre los puntos de medición y la fuente de calor o la pared no era inferior a 0,5 m. Los valores promedio de todos los puntos de medición fueron la temperatura promedio y la humedad relativa promedio en el taller de sulfato de amonio, respectivamente.

Las concentraciones de CO2 y SO2 en varias secciones del taller de sulfato de amonio fueron monitoreadas usando un detector portátil de dióxido de carbono y un detector portátil de dióxido de azufre, respectivamente. La disposición de los puntos de medición fue la misma que para el monitoreo de temperatura y humedad relativa, y los valores promedio de todos los puntos de medición en varias secciones fueron la concentración promedio de CO2 y la concentración promedio de SO2, respectivamente.

El método de ensayo de profundidad de neutralización del hormigón se adoptó de acuerdo con la norma china JCJ/T 23-201125. Las columnas de hormigón se seleccionaron al azar para probar la profundidad de neutralización y cada columna tenía de 3 a 7 zonas de prueba. Tome un agujero con un diámetro de 15 mm en cada zona de prueba, y la profundidad del agujero debe ser mayor que su profundidad de neutralización. La profundidad de neutralización se midió con una solución de alcohol de fenolftaleína al 1% (la solución de alcohol contiene un 20% de agua destilada). Utilice un medidor de profundidad de carbonatación para la medición. Cada hoyo se midió tres veces, y el promedio de tres mediciones se consideró como la profundidad de neutralización de la zona de prueba. El promedio de todas las zonas de prueba para cada columna fue la profundidad de neutralización de la columna de concreto.

La resistencia a la compresión del hormigón se ensayó por el método de rebote según JCJ/T 23-201125. La selección de la columna de hormigón fue la misma que la de la columna para probar la profundidad de neutralización. Se seleccionaron diez zonas de prueba para cada columna, y se dispusieron en dos superficies medibles simétricas de la columna. Los puntos de medición en cada zona de prueba no fueron menos de 16. Los puntos de medición deben distribuirse uniformemente y la distancia entre dos puntos de medición adyacentes no debe ser inferior a 20 mm. La distancia entre los puntos de medición y las barras de acero expuestas o las partes empotradas no era inferior a 30 mm. Los puntos de medición no deben aparecer en piedras y poros, y cada punto de medición solo rebota una vez. Ignorando tres valores máximos y tres valores mínimos, el valor medio de los puntos de medición restantes fue el valor de rebote promedio de la zona de prueba. El valor de rebote promedio de diez zonas de prueba fue la resistencia de la columna de concreto. El valor equivalente de la resistencia a la compresión del hormigón se convirtió de acuerdo con el valor de rebote de la resistencia a la compresión y la profundidad de neutralización.

Con el fin de analizar el mecanismo de corrosión del hormigón en el taller de sulfato de amonio, se estudiaron los productos de corrosión del hormigón bajo la acción combinada de CO2 y SO2 mediante un ensayo de simulación de neutralización del hormigón. Las materias primas y la proporción de mezcla del concreto en la prueba de simulación fueron las mismas que en el taller de sulfato de amonio. El método de prueba de simulación de neutralización del concreto se propuso de acuerdo con el método de prueba de carbonatación del concreto en el estándar chino GB/T 50082-200926.

Los parámetros ambientales en la prueba de simulación se establecieron de acuerdo con el entorno real del taller de sulfato de amonio. Los ajustes de temperatura y humedad relativa en la prueba de simulación fueron los mismos que la temperatura y la humedad relativa reales en el taller. Por lo tanto, la temperatura y la humedad relativa en la prueba de simulación fueron de 35 °C y 45 %, respectivamente. La concentración de CO2 en la prueba de simulación fue del 20 % según GB/T 50082-200926. La concentración de CO2 fue 649 veces mayor que la de SO2 en el taller de sulfato de amonio. Por lo tanto, la concentración de SO2 en la prueba de simulación fue de 0,03%. Según el método de prueba de carbonatación del hormigón en GB/T 50082-200926, 4 días de prueba de simulación equivalen a 7 años del entorno real. Por lo tanto, el período de prueba fue de 4 días.

El procedimiento de prueba incluyó los siguientes pasos:

Los especímenes cúbicos se secaron a 60 °C durante 48 h antes de la prueba.

Cada probeta se cubrió (excepto sus dos caras opuestas) con resina epoxi para asegurar que la difusión de CO2 y SO2 en el hormigón fuera unidimensional.

Los especímenes se colocaron en la cámara de prueba de carbonatación del concreto y la distancia entre los especímenes adyacentes fue de al menos 50 mm.

Los parámetros ambientales en la cámara de ensayo de carbonatación del hormigón se establecieron de la siguiente manera: temperatura = 35 °C, humedad relativa = 45 % y concentración de CO2 = 20 %.

Los especímenes se sacaron después de 4 días.

Los especímenes carbonatados se colocaron en la cámara de ensayo de sulfuración de hormigón.

Los parámetros ambientales en la cámara de ensayo de sulfuración del hormigón se establecieron de la siguiente manera: temperatura = 35 °C, humedad relativa = 45% y concentración de SO2 = 0,03%.

El período de prueba de la prueba de sulfuración fue de 4 días.

El pulverizador se utilizó para extraer polvo de hormigón. La muestra se pulverizó en diferentes capas (1 mm/capa). El polvo se pasó por un tamiz de 0,16 mm. El polvo se secó a 50 °C durante 24 h antes de la prueba. El polvo preparado se utilizó en la prueba XRD y TG. El análisis XRD se utilizó para examinar la composición de fase del hormigón. La difracción utilizó una fuente de Cu-Kα y el ángulo de difracción fue de 5° a 45° con un paso de 0,02°.

Se utilizó el método TG para medir la composición del hormigón. La prueba se llevó a cabo en un rango de temperatura de 30 a 900 °C, y la velocidad de calentamiento fue de 10 °C/min. La atmósfera experimental fue nitrógeno.

Tanto las temperaturas en el taller de sulfato de amonio como el ambiente atmosférico general se muestran en la Fig. 2. Como se muestra en la figura, las temperaturas en el taller en agosto, septiembre y octubre fueron de 38,5 °C, 34,2 °C y 31,4 °C. respectivamente. Durante el mismo período, las temperaturas atmosféricas en Wuhan fueron de 31,1 °C, 23,8 °C y 19,4 °C, respectivamente. La temperatura en el taller aumentó con el aumento del ambiente atmosférico general. La temperatura media en el taller fue de 34,7 °C, y fue 1,40 veces superior a la del ambiente atmosférico general.

Temperaturas en el taller de sulfato de amonio y ambiente atmosférico general.

Tanto la humedad relativa en el taller de sulfato de amonio como el ambiente atmosférico general se muestran en la Fig. 3. Como se muestra en la figura, la humedad relativa en el taller en agosto, septiembre y octubre fue 44.7%, 44.2% y 41.3%, respectivamente. Durante el mismo período, la humedad relativa del ambiente atmosférico general en Wuhan fue del 74 %, 75 % y 72 %, respectivamente. Tanto la humedad relativa en el taller como el ambiente atmosférico general apenas cambiaron. La humedad relativa promedio en el taller fue de 43,4% y la humedad relativa del ambiente atmosférico general fue 1,70 veces mayor que la del taller.

Humedad relativa en el taller de sulfato de amonio y ambiente atmosférico general.

Las concentraciones de CO2 en el taller de sulfato de amonio se muestran en la Fig. 4. Como se muestra en la figura, la concentración promedio de CO2 en el taller fue de 986,2 mg/m3. Además, las concentraciones de CO2 en varias secciones fueron significativamente diferentes, y las concentraciones de CO2 en el almacén, la sección de síntesis (interior), la sección de síntesis (exterior), la sección del lecho de vulcanización y la sección del tanque de cristalización fueron 927 mg/m3, 886 mg/m3 , 805 mg/m3, 1207 mg/m3 y 1106 mg/m3, respectivamente. Según la información relevante de la Oficina de Protección Ambiental de Wuhan (WHEPB), la concentración promedio de CO2 del ambiente atmosférico en el distrito de Qingshan fue de 740,5 mg/m3. Por lo tanto, la concentración de CO2 en el taller de sulfato de amonio fue mayor y el valor máximo fue 1,49 veces mayor que el del entorno atmosférico general.

Concentración de CO2 en el taller de sulfato de amonio.

Las concentraciones de SO2 en el taller de sulfato de amonio se muestran en la Fig. 5. Como se muestra en la figura, la concentración promedio de SO2 en el taller fue de 2,11 mg/m3. Hubo diferencias significativas en las concentraciones de SO2 en varias secciones, y las concentraciones de SO2 en el almacén, la sección de síntesis (interior), la sección de síntesis (exterior), la sección del lecho de vulcanización y la sección del tanque de cristalización fueron 1,29 mg/m3, 1,64 mg/m3, 1,03 mg/m3, 2,30 mg/m3 y 4,29 mg/m3, respectivamente. Según la información pertinente de la WHEPB, la concentración media de SO2 del entorno atmosférico en el distrito de Qingshan fue de 0,056 mg/m3. Por lo tanto, la concentración de SO2 en el taller de sulfato de amonio fue mayor y el valor máximo fue 76,6 veces mayor que el del ambiente atmosférico general. Además, la concentración de SO2 fue mucho menor que la concentración de CO2 en el taller de sulfato de amonio.

Concentración de SO2 en el taller de sulfato de amonio.

La apariencia del concreto en el taller de sulfato de amonio se muestra en la Fig. 6. Como se muestra en la figura, solo hubo algunos daños en la superficie del concreto causados ​​por la colisión mecánica en el almacén (Fig. 6a). Hubo una expansión, desconchado y pulverización evidentes en la superficie de la columna de hormigón en la sección de síntesis (al aire libre), y se precipitó una gran cantidad de cristales blancos (Fig. 6b). El concreto de la cornisa de la plataforma en la sección del lecho de vulcanización estaba completamente corroído y desprendido, y las barras de acero estaban expuestas y parcialmente oxidadas (Fig. 6c). Aunque el piso en la sección del tanque de cristalización estaba revestido, el revestimiento estaba parcialmente dañado y el concreto dañado estaba severamente corroído (Fig. 6d).

Aspecto de la estructura de hormigón en el taller de sulfato de amonio. (a) La columna en el almacén; (b) la columna en la sección de síntesis (exterior); (c) la cornisa de la plataforma en la sección del lecho de vulcanización; (d) el piso en la sección del tanque de cristalización.

El CO2 reaccionó con los productos de hidratación del hormigón para formar CaCO3, lo que hizo que la estructura porosa fuera más densa que la del hormigón sin gas. Por lo tanto, la carbonatación no pudo cambiar la apariencia del concreto. Sin embargo, el SO2 convirtió el CaCO3 en yeso, lo que aumentó rápidamente el volumen de la fase sólida del hormigón. Una gran cantidad de yeso produjo una tensión interna excesiva en el hormigón, lo que provocó la expansión y el agrietamiento de la superficie del hormigón6. Por lo tanto, el grado de cambio de apariencia del hormigón aumentó a medida que aumentaba la concentración de SO2.

La concentración de SO2 en la sección de síntesis al aire libre no era alta, pero el ambiente exterior se vio afectado por el agua de lluvia. El agua desempeñó un papel clave en la reacción de corrosión. El agua proporcionó un medio para el transporte de iones y fue una condición necesaria para la reacción entre SO2 y CaCO3. Además, los sulfatos de calcio de los productos de reacción eran las sustancias que contenían agua cristalina. Los sulfatos de calcio que contenían más agua cristalina aumentaron el volumen de la fase sólida del concreto y era más probable que el concreto se agrietara. Investigaciones relevantes mostraron que el SO2 podría causar daños graves por corrosión del hormigón cuando había agua líquida en la superficie del hormigón21. Por lo tanto, el cambio de apariencia en la sección de síntesis al aire libre fue relativamente grande.

La profundidad de neutralización del concreto en el taller de sulfato de amonio se enumera en la Tabla 2, y el histograma de distribución de frecuencia de la profundidad de neutralización del concreto se muestra en la Fig. 7. Como se muestra en la tabla y la figura, el promedio, la desviación estándar y el coeficiente de variación de profundidad de neutralización del hormigón en el taller fueron 11,17 mm, 5,23 mm y 0,47, respectivamente. La Figura 7 mostró que el valor de p fue 0,09 a un nivel significativo α = 0,05 utilizando Shapiro-Wilk. Por lo tanto, la profundidad de neutralización del concreto en el taller de sulfato de amonio siguió la distribución normal.

Histograma de distribución de frecuencias de la profundidad de neutralización del concreto en el taller de sulfato de amonio.

Los histogramas de distribución de frecuencias de la profundidad de neutralización del concreto en varias secciones del taller se muestran en la Fig. 8. Como se muestra en la Tabla 2 y la Fig. 8, las profundidades de neutralización del concreto en el almacén, sección de síntesis (interior), sección de síntesis (exterior ), la sección del lecho de vulcanización y la sección del tanque de cristalización fueron significativamente diferentes, y los valores promedio fueron 9,33 mm, 9,76 mm, 8,67 mm, 12,68 mm y 19,86 mm, respectivamente. Esto se debió a que la profundidad de neutralización estaba relacionada con las concentraciones de gases ácidos. Las concentraciones de CO2 en la sección del lecho de vulcanización y la sección del tanque de cristalización fueron relativamente altas, y las profundidades de neutralización fueron mayores que las de la sección de almacenamiento y síntesis. Además, la concentración de SO2 en la sección del tanque de cristalización fue más alta que en la sección del lecho de vulcanización y el daño al concreto fue más serio. El CO2 se difundió desde las microfisuras hacia el concreto y la tasa de neutralización aumentó. Por lo tanto, la profundidad de neutralización del hormigón en la sección del tanque de cristalización fue 1,57 veces mayor que en la sección del lecho de vulcanización.

Histogramas de distribución de frecuencias de la profundidad de neutralización del concreto en varias secciones del taller de sulfato de amonio. (un almacén; (b) sección de síntesis (interior); (c) sección de síntesis (al aire libre); (d) sección del lecho de vulcanización; (e) sección del tanque de cristalización.

Como se muestra en la Fig. 8, los valores de p en el almacén, la sección de síntesis (interior), la sección de síntesis (exterior), la sección del lecho de vulcanización y la sección del tanque de cristalización fueron 0,93, 0,52, 0,94, 0,82 y 0,79 a un nivel significativo α = 0,05 utilizando Shapiro-Wilk. Por lo tanto, la profundidad de neutralización del hormigón en varias secciones siguió la distribución normal.

La resistencia a la compresión del concreto en el taller de sulfato de amonio se muestra en la Tabla 3, y el histograma de distribución de frecuencia de la resistencia a la compresión del concreto se muestra en la Fig. 9. Como se muestra en la tabla y la figura, el promedio y la desviación estándar de la resistencia a la compresión fueron 24.30 MPa y 3,74 MPa, respectivamente, y el coeficiente de variación fue de 0,15. La Figura 9 mostró que el valor de p fue 0,32 a un nivel significativo α = 0,05 utilizando Shapiro-Wilk. Por lo tanto, la resistencia a la compresión del concreto en el taller de sulfato de amonio siguió la distribución normal.

Histograma de distribución de frecuencias de la resistencia a compresión del concreto en el taller de sulfato de amonio.

Como se muestra en la Tabla 3, la resistencia a la compresión del concreto en varias secciones del taller disminuyó. Estudios relevantes mostraron que la carbonatación del concreto aumentó la resistencia a la compresión27,28, mientras que la sulfuración del concreto disminuyó la resistencia29. Por lo tanto, la resistencia a la compresión del concreto en la sección del tanque de cristalización y la sección del lecho de vulcanización fue baja debido a la alta concentración de SO2. Aunque la concentración de SO2 en la sección de síntesis (exterior) fue la más baja, la fuerza disminuyó mucho debido a la influencia del agua de lluvia, con un valor promedio de 23,60 MPa.

Los patrones XRD del concreto con diferentes profundidades se muestran en la Fig. 10. Como se muestra en la figura, las fases cristalinas fueron yeso (CaSO4·2H2O), calcita (CaCO3), portlandita (Ca(OH)2) y cuarzo (SiO2) . Entre ellos, Ca(OH)2 fue el producto de hidratación, y yeso y CaCO3 fueron los productos de corrosión del concreto bajo la acción de CO2 y SO2. Los picos de difracción de yeso y CaCO3 eran evidentemente visibles en la capa superficial de hormigón, mientras que el pico de difracción de Ca(OH)2 no era evidente. El pico de difracción del yeso no se pudo observar a la profundidad de 5 mm y apareció el pico de Ca(OH)2.

Patrones XRD del hormigón bajo la acción de CO2 y SO2. Q Cuarzo (SiO2), G Yeso (CaSO4 2H2O), C Calcita (CaCO3), H Portlandita (Ca(OH)2).

La concentración de CO2 en el taller era mucho más alta que la de SO2 y, por lo tanto, la tasa de difusión de CO2 en el hormigón era más rápida que la de SO2. El CO2 reaccionó con el producto de hidratación Ca(OH)2 para formar CaCO3, y el SO2 reaccionó con el producto de carbonatación CaCO3 para formar yeso. Solo el CO2 podía difundirse a una profundidad de 5 mm desde la superficie del hormigón, por lo que se observó CaCO3 en el interior del hormigón. Las concentraciones de CO2 y SO2 en la capa superficial eran más altas que las del hormigón interior, por lo que no podía existir Ca(OH)2 en la capa superficial.

Es bien sabido que el yeso reaccionó con la fase de aluminato para formar etringita en el hormigón bajo el ataque de los sulfatos30,31,32, mientras que la etringita no se pudo observar en el hormigón bajo la acción del CO2 y el SO2. Esto se debió a que el CO2 y el SO2 se disolvieron en la solución de los poros y se ionizaron en H+, que reaccionó con los productos de hidratación alcalinos. Debido a la disminución del pH de la solución de los poros, la etringita no pudo existir de manera estable y se descompuso en yeso y un gel que contenía aluminio6,30. Por tanto, el producto sulfatado del hormigón era únicamente yeso.

Los resultados del análisis TG del concreto con diferentes profundidades se muestran en la Fig. 11. Tres picos endotérmicos principales fueron evidentes en las curvas TG y DTG, y correspondieron a yeso, Ca(OH)2 y CaCO3, respectivamente. Entre ellos, CaCO3 y yeso fueron los productos de corrosión del hormigón bajo la acción de CO2 y SO2. La altura del pico endotérmico de CaCO3 en la capa superficial de hormigón fue mayor que a la profundidad de 5 mm. Esto podría deberse a que la concentración máxima de CO2 se encontraba en la capa superficial de hormigón. Por lo tanto, aunque algo de CaCO3 en la capa superficial de hormigón reaccionó con SO2 para formar yeso, el contenido de CaCO3 aún era mayor que el de 5 mm.

Curvas de análisis térmico del hormigón bajo la acción de CO2 y SO2.

Numerosos investigadores han comprobado que la profundidad de carbonatación del hormigón es proporcional a la raíz cuadrada del tiempo de exposición1,33,34,35,36. La profundidad de carbonatación del hormigón se ve afectada por la temperatura, la humedad relativa, la concentración de CO2 y la resistencia a la compresión del hormigón en este experimento. De acuerdo con la literatura36, la profundidad de carbonatación del concreto en el taller de sulfato de amonio se puede expresar como:

donde XC es la profundidad de carbonatación del hormigón, mm; kmc es el parámetro del modo de cálculo, kmc = 0,996; ke, kCO2 y kf son los coeficientes de influencia de la carbonatación de temperatura y humedad, concentración de CO2 y resistencia a la compresión, respectivamente; t es el tiempo de exposición a la carbonatación, d.

Los coeficientes de influencia de la carbonatación de la temperatura y la humedad, la concentración de CO2 y la resistencia a la compresión se pueden calcular en las Ecs. (2)–(4), respectivamente36.

donde T es la temperatura, °C; HR es la humedad relativa, %; CC es la concentración de CO2, %; y fcuk es la resistencia a la compresión del hormigón, MPa.

Sustituyendo las ecuaciones. (2)–(4) en la ecuación. (1), la profundidad de carbonatación del hormigón en el taller de sulfato de amonio se da en la ecuación. (5).

Sustituyendo la temperatura, la humedad relativa, la concentración de CO2, la resistencia a la compresión del concreto y el tiempo de exposición en la ecuación. (5), se calcula la profundidad de carbonatación del hormigón en el taller de sulfato de amonio.

La concentración de SO2 en el taller de sulfato de amonio es mucho menor que la de CO2. Sin embargo, la tasa de neutralización del hormigón se acelera debido a la expansión y agrietamiento del hormigón bajo el ataque del SO2. Por lo tanto, la profundidad de neutralización del concreto en el taller de sulfato de amonio se puede expresar como:

donde X es la profundidad de neutralización del hormigón, mm; KS es el coeficiente de influencia de neutralización de SO2; CS es la concentración de SO2, %.

Sustituyendo las profundidades de carbonatación, las profundidades de neutralización y la concentración de SO2 en la ecuación. (6), se calcula KS y el histograma de distribución de frecuencia de KS se muestra en la Fig. 12. La figura mostró que el promedio, la desviación estándar y el coeficiente de variación de KS fueron 4,10, 1,31 y 0,32, respectivamente. Utilizando el método de Shapiro-Wilk, el valor p de KS fue 0,65 a un nivel significativo α = 0,05. Por lo tanto, KS en el taller de sulfato de amonio siguió la distribución normal.

Histograma de distribución de frecuencias de Ks.

En conclusión, la profundidad de neutralización del concreto en el taller de sulfato de amonio se expresa como:

La alta alcalinidad dentro del concreto forma una película de pasivación para la barra de refuerzo para protegerla de la corrosión. El CO2 y el SO2 se disuelven en la solución de los poros y se ionizan en H+, que reacciona con el OH- ionizado del Ca(OH)2, y se produce una reacción de neutralización en el hormigón. Una vez que la cubierta de hormigón se neutraliza por completo, la película de pasivación de la barra de refuerzo se destruye y, por lo tanto, la barra de refuerzo comienza a corroerse. El final de la vida útil de neutralización del hormigón es el tiempo inicial de corrosión de las barras de acero. Por lo tanto, la función de estado límite de la vida útil de neutralización del hormigón se muestra en la Ec. (8).

donde, c es el espesor de la cubierta de hormigón, mm; x0 es el resto de neutralización, mm; X(t) es la profundidad de neutralización del hormigón, mm; y t es el tiempo de exposición, a.

De acuerdo con la literatura36, el remanente de neutralización del hormigón se muestra en la Ec. (9).

Se calculan los restos de neutralización del concreto en el taller de sulfato de amonio y el histograma de distribución de frecuencias de x0 se muestra en la Fig. 13. La figura mostró que el promedio, la desviación estándar y el coeficiente de variación de x0 fueron 1.35 mm, 0.23 mm y 0.17 , respectivamente. Utilizando el método de Shapiro-Wilk, el valor p de x0 fue 0,54 a un nivel significativo α = 0,05. Por lo tanto, los restos de neutralización del hormigón en el taller de sulfato de amonio siguieron la distribución normal.

Histograma de distribución de frecuencias de x0.

Sustituyendo los resultados del cálculo de las Ecs. (7) y (9) en la ecuación. (8), la vida útil de neutralización del hormigón en el almacén, la sección de síntesis (interior), la sección de síntesis (exterior), la sección del lecho de vulcanización y la sección del tanque de cristalización del taller de sulfato de amonio fueron 76,21 a, 59,01 a, 95,56 a, 36,62 a , y 14.84 a, respectivamente. Por lo tanto, la vida útil de neutralización restante en el almacén, la sección de síntesis (interior), la sección de síntesis (exterior), la sección del lecho de vulcanización y la sección del tanque de cristalización fueron 69,21 a, 52,01 a, 88,56 a, 29,62 a y 7,84 a, respectivamente.

En este estudio se analizaron las características ambientales y el grado de corrosión del concreto en un taller de sulfato de amonio coquizable de 7 años de antigüedad y se realizó la predicción de vida de neutralización de la estructura de concreto. Además, se estudiaron los productos de corrosión del hormigón bajo la acción de CO2 y SO2. Las conclusiones principales son las siguientes:

La temperatura en el taller aumentó con el aumento del ambiente atmosférico general. La temperatura media en el taller fue de 34,7 °C, y fue 1,40 veces superior a la del ambiente atmosférico general. Tanto la humedad relativa en el taller como el ambiente atmosférico general apenas cambiaron. La humedad relativa promedio en el taller fue de 43,4% y la humedad relativa del ambiente atmosférico general fue 1,70 veces mayor que la del taller.

La concentración media de CO2 y SO2 en el taller fue de 986,2 mg/m3 y 2,11 mg/m3, y fueron 1,31 veces y 37,68 veces superiores a las del entorno atmosférico general, respectivamente. Además, las concentraciones de CO2 y SO2 en varias secciones del taller fueron significativamente diferentes.

La apariencia del concreto en varias secciones del taller fue significativamente diferente. Solo hubo algunos daños en la superficie de hormigón causados ​​por la colisión mecánica en el almacén, y se precipitó una gran cantidad de cristales blancos sobre la superficie de hormigón en la sección de síntesis (exterior). El concreto de la cornisa de la plataforma estaba completamente corroído y desprendido en la sección del lecho de vulcanización. El revestimiento del piso en la sección del tanque de cristalización estaba parcialmente dañado y la parte dañada estaba severamente corroída.

La profundidad de neutralización del concreto en varias secciones del taller fue significativamente diferente y siguió la distribución normal. La profundidad de neutralización del hormigón aumentó con el aumento de las concentraciones de CO2 y SO2, y la profundidad de neutralización en la sección del tanque de cristalización fue la mayor, con un valor promedio de 19,86 mm.

La resistencia a la compresión del hormigón en varias secciones del taller disminuyó. La resistencia a la compresión del concreto en la sección del tanque de cristalización y la sección del lecho de vulcanización fue baja debido a la alta concentración de SO2. La fuerza bajó mucho en la sección de síntesis (exterior) debido a la influencia del agua de lluvia.

El yeso y el CaCO3 fueron los productos de corrosión del hormigón bajo la acción del CO2 y SO2. El yeso y el CaCO3 eran obviamente visibles en la capa superficial de hormigón, mientras que solo se podía observar CaCO3 a una profundidad de 5 mm. El contenido de CaCO3 en la capa superficial de hormigón fue mayor que a la profundidad de 5 mm.

Se estableció el modelo de predicción de la profundidad de neutralización del hormigón, y la vida útil de neutralización restante del hormigón en el almacén, la sección de síntesis (interior), la sección de síntesis (exterior), la sección del lecho de vulcanización y la sección del tanque de cristalización fueron 69,21 a, 52,01 a , 88.56a, 29.62a y 7.84a, respectivamente.

Los conjuntos de datos utilizados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Descargar referencias

Esta investigación fue apoyada financieramente por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Subvención No. 52078413), el Programa para el Equipo de Investigación Innovadora de la Universidad del Ministerio de Educación de China (Subvención No. IRT17R84), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Subvención No. 52178163), el Proyecto Clave del Programa de Investigación Científica del Departamento de Educación Provincial de Shaanxi (Subvención No. 20JY037).

Escuela de Ingeniería Civil, Universidad de Arquitectura y Tecnología de Xi'an, Xi'an, China

Yao Lv, Ditao Niu, Xiguang Liu y Yue-chen Li

Laboratorio estatal clave de construcción ecológica en el oeste de China, Universidad de Arquitectura y Tecnología de Xi'an, Xi'an, China

Ditao Niu y Xiguang Liu

Escuela de Ingeniería Civil y Arquitectura, Universidad de Jinan, Jinan, China

Mingqiang Lin

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DN, XL e YL diseñaron el estudio; ML y YCL operaron el experimento; YL escribió el manuscrito. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Yao Lv o Ditao Niu.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Lv, Y., Niu, D., Liu, X. et al. Daño por corrosión y predicción de la vida útil de la estructura de hormigón en el taller de coquización de sulfato de amonio de la industria siderúrgica. Informe científico 13, 2826 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30015-1

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Recibido: 27 Abril 2022

Aceptado: 14 febrero 2023

Publicado: 17 febrero 2023

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

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