Structural Mechanics of Engineering Constructions and BuildingsStructural Mechanics of Engineering Constructions and BuildingsСтроительная механика инженерных конструкций и сооружений1815-52352587-8700Peoples’ Friendship University of Russia named after Patrice Lumumba (RUDN University)3683910.22363/1815-5235-2023-19-4-392-409WNUWLCConstruction materials and productsСтроительные материалы и изделияResearch ArticlePhysical features of the problems of liquid corrosion of reinforced concrete from the standpoint of the theory of heat and mass transferФизические особенности проблем жидкостной коррозии железобетона с позиций теории тепломассопереносаhttps://orcid.org/0000-0001-6117-7529FedosovSergey V.ФедосовСергей Викторович

Academician of the RAASN, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Technologies and Organization of Construction

академик РААСН, доктор технических наук, профессор кафедры технологий и организации строительства

fedosov-academic53@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3694-5906KrasilnikovIgor V.КрасильниковИгорь Викторович

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Construction and Engineering Systems

кандидат технических наук, доцент кафедры строительства и инженерных систем

korasb@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7226-4580RumyantsevaVarvara E.РумянцеваВарвара Евгеньевна

Corresponding Member of the RAASN, Doctor of Technical Sciences, Professor, Director of the Institute of Information Technologies, Natural Sciences and Humanities

член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор, директор института информационных технологий, естественных и гуманитарных наук

varrym@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-4342-4255KrasilnikovaIrina A.КрасильниковаИрина Александровна

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Chemistry

кандидат технических наук, доцент кафедры химии

irinanebukina@rambler.ruMoscow State University of Civil Engineering (National Research University)Национальный исследовательский Московский государственный строительный университетScientific Research Institute of Construction Physics RAASNНаучно-исследовательский институт строительной физики РААСНIvanovo State Polytechnic UniversityИвановский государственный политехнический университетIvanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural DisastersИвановский государственный политехнический университетИвановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС РоссииVladimir State UniversityВладимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых15112023194VOL 19, NO4 (2023)ТОМ 19, №4 (2023)39240926112023Copyright ©; 2023, Fedosov S.V., Krasilnikov I.V., Rumyantseva V.E., Krasilnikova I.A.Copyright ©; 2023, Федосов С.В., Красильников И.В., Румянцева В.Е., Красильникова И.А.2023Fedosov S.V., Krasilnikov I.V., Rumyantseva V.E., Krasilnikova I.A.Федосов С.В., Красильников И.В., Румянцева В.Е., Красильникова И.А.https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0https://journals.rudn.ru/structural-mechanics/article/view/36839

The results of the study of non-isothermal mass-exchange processes occurring during liquid corrosion of iron-concrete are presented. The degree of development of this direction of research is shown: the classification of liquid corrosion of concrete is given, the effect of “free calcium hydroxide” on the stability of cement stone minerals is described, the relative change in the strength of concrete depending on the dimensionless concentration of calcium hydroxide is shown. For concrete and reinforced concrete structures subjected to liquid corrosion, the boundary value problem of non-isothermal mass transfer in the “cement concrete - liquid” system is formulated on the basis of a nonlinear differential equation of mass conductivity of a parabolic type with an arbitrary form of the initial concentration distribution function and combined boundary conditions of the first, second and third kind. A combined approach to solving the problem of non-isothermal unsteady mass transfer is proposed, based on the division of the life cycle of a building structure into “micro-processes”, followed by the separation of the thickness of the structure within the considered small time interval into concentration zones. Analytical solutions to the problem of unsteady mass transfer in the processes of liquid corrosion of concrete for each selected concentration zone have been obtained, allowing to calculate the concentrations of the target component in the solid phase, thereby predicting the dynamics and kinetics of destructive processes of cement concretes. Extensive numerical experiments have been carried out showing the effect of process parameters on the dynamics and kinetics of liquid corrosion of reinforced concrete.

Представлены результаты исследования неизотермических массообменных процессов, протекающих при жидкостной коррозии железобетона. Показана степень разработанности данного направления исследования: приведена классификация жидкостной коррозии бетонов, описано влияние «свободного гидроксида кальция» на устойчивость минералов цементного камня, показано относительное изменение прочности бетона в зависимости от безразмерной концентрации гидроксида кальция. Для бетонных и железобетонных конструкций, подверженных жидкостной коррозии, сформулирована краевая задача неизотермического массопереноса в системе «цементный бетон - жидкость» на основе нелинейного дифференциального уравнения массопроводности параболического типа с произвольным видом функции начального распределения концентраций и комбинированными граничными условиями первого, второго и третьего рода. Предложен комбинированный подход решения задачи неизотермического нестационарного массопереноса, основанный на разделении жизненного цикла строительной конструкции на «микропроцессы», с последующим выделением по толщине конструкции в рамках рассматриваемого небольшого временного интервала на концентрационные зоны. Получены аналитические решения задачи нестационарного массопереноса в процессах жидкостной коррозии бетона для каждой выделенной концентрационной зоны, позволяющие рассчитывать концентрации целевого компонента в твердой фазе и тем самым прогнозировать динамику и кинетику деструктивных процессов цементных бетонов. Проведены обширные численные эксперименты, показывающие влияние параметров процесса на динамику и кинетику жидкостной коррозии железобетона.

liquid corrosiondurabilityreinforced concreteunsteady mass transfermethod of “micro-processes”dimensionless variablesжидкостная коррозиядолговечностьжелезобетоннестационарный массопереносметод микропроцессовбезразмерные переменныеErofeev V.T., Moiseev V.V., Makridin N.I., Maksimova I.N. Strength and deformability of cement stone, mortar and concrete during loading. Journal of Physics: Conference Series. “International Conference on Engineering Systems 2020”. 2020:012032. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1687/1/012032Erofeev V.T., Moiseev V.V., Makridin N.I., Maksimova I.N. Strength and deformability of cement stone, mortar and concrete during loading // Journal of Physics: Conference Series. “International Conference on Engineering Systems 2020”. 2020. Article 012032. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1687/1/012032Tang B.H., Maekawa K., Tan K.-H. Analytical model of corrosion-induced cracks in concrete considering timevarying deformations of layers, mechanical properties of rust. Construction and Building Materials. 2021;316:125883. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.125883Tang B.H., Maekawa K., Tan K.-H. Analytical model of corrosion-induced cracks in concrete considering timevarying deformations of layers, mechanical properties of rust // Construction and Building Materials. 2021. Vol. 316. Article 125883. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.125883Guzmán-Torres J.A., Domínguez-Mota F.J., Alonso-Guzmán E.M. A multi-layer approach to classify the risk of corrosion in concrete specimens that contain different additives. Case Studies in Construction Materials. 2021;15:00719. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2021.e00719Guzmán-Torres J.A., Domínguez-Mota F.J., Alonso-Guzmán E.M. A multi-layer approach to classify the risk of corrosion in concrete specimens that contain different additives // Case Studies in Construction Materials. 2021. Vol. 15. Article 00719. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2021.e00719Wei A., Tan M.Y., Koay Y.-C., Hu X., Al-Ameri R. Effect of carbon fiber waste on steel corrosion of reinforced concrete structures exposed to the marine environment. Journal of Cleaner Production. 2021;316;128356. https://doi.org/ 10.1016/j.jclepro.2021.128356Wei A., Tan M.Y., Koay Y.-C., Hu X., Al-Ameri R. Effect of carbon fiber waste on steel corrosion of reinforced concrete structures exposed to the marine environment // Journal of Cleaner Production. 2021. Vol. 316. Article 128356. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.128356Wang Z., Maekawa K., Takeda H., Gong F. Numerical simulation and experiment on the coupled effects of macrocell corrosion and multi-ion equilibrium with pseudo structural concrete. Cement and Concrete Composites. 2021;123: 104181. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2021.104181Wang Z., Maekawa K., Takeda H., Gong F. Numerical simulation and experiment on the coupled effects of macrocell corrosion and multi-ion equilibrium with pseudo structural concrete // Cement and Concrete Composites. 2021 Vol. 123. Article 104181. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2021.104181Fedosov S.V., Roumyantseva V.E., Krasilnikov I.V., Konovalova V.S. Physical and mathematical modelling of the mass transfer process in heterogeneous systems under corrosion destruction of reinforced concrete structures. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 1–8 July 2018. Novosibirsk: Institute of Physics Publ.; 2018;456:012039. https://doi.org/10.1088/1757-899X/456/1/012039Fedosov S.V., Roumyantseva V.E., Krasilnikov I.V., Konovalova V.S. Physical and mathematical modelling of the mass transfer process in heterogeneous systems under corrosion destruction of reinforced concrete structures // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Materials Science and Engineering. 1-8 July 2018. Novosibirsk: Institute of Physics Publ., 2018. Vol. 456. Article 012039. https://doi.org/10.1088/1757-899X/456/1/012039Dai L., Long D., Wang L. Meso-scale modeling of concrete cracking induced by 3D corrosion expansion of helical strands. Computers & Structures. 2021;254:106615. https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2021.106615Dai L., Long D., Wang L. Meso-scale modeling of concrete cracking induced by 3D corrosion expansion of helical strands // Computers & Structures. 2021. Vol. 254. Article 106615. https://doi.org/10.1016/j.compstruc.2021.106615.Gusev В.V., Fayvusovich A.S. Calculated Dependencies for Predicting the Technical Condition of Reinforced Concrete Structures. Industrial and Civil Engineering. 2021;6:4–12. (In Russ.). https://doi.org/10.33622/0869-7019.2021. 06.04-12Гусев Б.В., Файвусович А.С. Расчетные зависимости для прогнозирования технического состояния железобетонных конструкций // Промышленное и гражданское строительство. 2021. № 6. С. 4-12. https://doi.org/ 10.33622/0869-7019.2021.06.04-12.Chi N.V., Linh C.N., Kien D.V., Quan L.H., Quang N.Q., Zyablov A.N. Study on structural steel АН-36 corrosion in the marine environment of Vietnam. ChemChemTech. 2021;64(10):139–144. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20216410.6496Нгуен В.Чи., Као Н.Л., Донг В.К., Ле Х.К., Нонг К.К., Зяблов А.Н. Исследование коррозии конструкционной стали АН-36 в морской среде Вьетнама // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2021. Т. 64. № 10. С. 139-144. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20216410.6496Dey A., Miyani G., Sil, A. Application of artificial neural network (ANN) for estimating reliable service life of reinforced concrete (RC) structure bookkeeping factors responsible for deterioration mechanism. Soft Computing. 2019;24(3):2109–2123. https://doi.org/10.1007/s00500-019-04042-yDey A., Miyani G., Sil A. Application of artificial neural network (ANN) for estimating reliable service life of reinforced concrete (RC) structure bookkeeping factors responsible for deterioration mechanism // Soft Computing. 2019. Vol. 24 (3). P. 2109-2123. https://doi.org/10.1007/s00500-019-04042-yCao Y., Gehlen C., Angst U., Wang L., Wang Z., Yao Y. Critical chloride content in reinforced concrete — an updated review considering Chinese experience. Cement and Concrete Research. 2019;117:58–68. https://doi.org/10.1016/ j.cemconres.2018.11.020Cao Y., Gehlen C., Angst U., Wang L., Wang Z., Yao Y. Critical chloride content in reinforced concrete - an updated review considering Chinese experience // Cement and Concrete Research. 2019. Vol. 117. P. 58-68. https://doi.org/ 10.1016/j.cemconres.2018.11.020Moskvin V.M., Ivanov F.M., Alekseev S.N., Guzeev E.A. Corrosion of concrete and reinforced concrete, methods of their protection. Мoscow: Strojizdat Publ.; 1980. (In Russ.)Москвин В.М., Иванов Ф.М., Алексеев С.Н., Гузеев Е.А. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты / под общ. ред. В.М. Москвина. М.: Стройиздат, 1980. 536 с.Yang Z., Li Q., Liu M., Xue N., Yu L., Xu Li., Wu K. Efflorescence inhibition and microstructure evolution of Portland cement-based artificial stone induced by mineral additives. Case Studies in Construction Materials. 2022;17: e01509. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2022.e01509Yang Z., Li Q., Liu M., Xue N., Yu L., Xu Li., Wu K. Efflorescence inhibition and microstructure evolution of Portland cement-based artificial stone induced by mineral additives // Case Studies in Construction Materials. 2022. Vol. 17. Article e01509. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2022.e01509Zhang Y., Xu M., Song J., Wang Ch., Wang X., Hamad B.A. Study on the corrosion change law and prediction model of cement stone in oil wells with CO2 corrosion in ultra-high-temperature acid gas wells. Construction and Building Materials. 2022;323:125879. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.125879Zhang Y., Xu M., Song J., Wang Ch., Wang X., Hamad B.A. Study on the corrosion change law and prediction model of cement stone in oil wells with CO2 corrosion in ultra-high-temperature acid gas wells // Construction and Building Materials. 2022. Vol. 323. Article 25879. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.125879Fedosov S.V., Rumjanceva V.E., Kas’janenko N.S., Krasil’nikov I.V. Theoretical and experimental studies of corrosion processes of the first type of cement concretes in the presence of an internal mass source. Construction Materials. 2013;6:44–47. (In Russ.)Федосов С.В., Румянцева В.Е., Касьяненко Н.С., Красильников И.В. Теоретические и экспериментальные исследования процессов коррозии первого вида цементных бетонов при наличии внутреннего источника массы // Строительные материалы. 2013. № 6. С. 44-47.Fedosov S.V., Rumyantseva V.E., Krasilnikov I.V., Loginova S.A. Investigation of the influence of mass transfer processes on the reliability and durability of reinforced concrete structures operated in liquid aggressive media. Construction Materials. 2017;12:52–57. (In Russ.) https://doi.org/10.31659/0585-430X-2017-755-12-52-57Федосов С.В., Румянцева В.Е., Красильников И.В., Логинова С.А. Исследование влияния процессов массопереноса на надежность и долговечность железобетонных конструкций, эксплуатируемых в жидких агрессивных средах // Строительные материалы. 2017. № 12. С. 52-57. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2017-755-12-52-57Smirnova N.N., Krasil’nikov I.V. An effect of the nature of immobilized components on the adsorption and mass transfer properties of ultrafiltration membranes based on sulfonate-containing сopolyamide. Russian Journal of Applied Chemistry. 2019;92(11):1570–1580. https://doi.org/10.1134/S1070427219110144Smirnova N.N., Krasil’nikov I.V. An effect of the nature of immobilized components on the adsorption and mass transfer properties of ultrafiltration membranes based on sulfonate-containing сopolyamide // Russian Journal of Applied Chemistry. 2019. Vol. 92. Is. 11. P. 1570-1580. https://doi.org/10.1134/S1070427219110144Lykov A.V. Transport phenomena in capillary-porous bodies. Мoscow: Gostehizdat Publ.; 1954. (In Russ.)Лыков А.В. Явления переноса в капиллярно-пористых телах. М.: Гостехиздат, 1954. 296 с.Lykov A.V., Mikhailov Yu.A. Theory of heat and mass transfer. Мoscow-Leningrad: Gosenergoizdat Publ.; 1963. (In Russ.)Лыков А.В., Михайлов Ю.А. Теория тепло- и массопереноса. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1963. 536 с.Dudin S.M., Zemenkov Y.D., Shabarov A.B. Modeling the Phase Composition of Gas Condensate in Pipelines. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016;154(1):012010. https://doi.org/10.1088/1757-899X/154/ 1/012010Dudin S.M., Zemenkov Y.D., Shabarov A.B. Modeling the Phase Composition of Gas Condensate in Pipelines // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 154 (1). Article 012010. https://doi.org/10.1088/ 1757-899X/154/1/012010Erofeev V.T., Al Dulaimi S.D.S., Dergunova A.V. Improving the Durability and Environmental Friendliness of Buildings and Structures in the Textile Industry by Using Materials Modified With a Microbiological Additive // Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Seriya Teknologiya Tekstil'noi Promyshlennosti. 2021;3(393):141–146. (In Russ.) https://doi.org/10.47367/0021-3497_2021_3_141Ерофеев В.Т., Аль Дулайми С.Д.С., Дергунова А.В. Повышение долговечности и экологичности зданий и сооружений текстильной промышленности путем применения материалов, модифицированных микробиологической добавкой // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2021. № 3 (393). С. 141-146. https://doi.org/10.47367/0021-3497_2021_3_141Fedosov S.V., Rumyantseva V.E., Krasilnikov I.V., Krasilnikova I.A. Mathematical modeling of unsteady mass transfer in the “cement concrete — liquid medium” system, limited by internal diffusion and external mass transfer. Construction Materials. 2022;1-2:134–140. (In Russ.) https://doi.org/10.31659/0585-430X-2022-799-1-2-134-140Федосов С.В., Румянцева В.Е., Красильников И.В., Красильникова И.А. Математическое моделирование нестационарного массопереноса в системе «цементный бетон - жидкая среда», лимитируемого внутренней диффузией и внешней массоотдачей // Строительные материалы. 2022. № 1-2. С. 134-140. https://doi.org/ 10.31659/0585-430X2022-799-1-2-134-140Fedosov S.V., Rumyantseva V.E., Krasilnikov I.V., Krasilnikova I.A. Mathematical modeling of mass transfer in the cement concrete-liquid environment system, limited by internal diffusion of the transferred component during liquid corrosion of the first type. Construction Materials. 2021;7:4–9. (In Russ.) https://doi.org/10.31659/0585-430X-2021-793- 7-4-9Федосов С.В., Румянцева В.Е., Красильников И.В., Красильникова И.А. Математическое моделирование массопереноса в системе цементный бетон - жидкая среда, лимитируемого внутренней диффузией переносимого компонента при жидкостной коррозии первого вида // Строительные материалы. 2021. № 7. С. 4-9. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2021-793-7-4-9Fedosov S.V., Rumyantseva V.E., Krasilnikov I.V., Konovalova V.S., Evsyakov A.S. Monitoring of the penetration of chloride ions to the reinforcement surface through a concrete coating during liquid corrosion. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018;463(4):042048. https://doi.org/10.1088/1757-899X/463/4/042048Fedosov S.V., Roumyantseva V.E., Krasilnikov I.V., Konovalova V.S., Evsyakov A.S. Monitoring of the penetration of chloride ions to the reinforcement surface through a concrete coating during liquid corrosion // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. Vladivostok, 2018. Vol. 463. Is. 4. Article 042048. https://doi.org/10.1088/1757899X/463/4/042048Fedosov S.V., Rumyantseva V.E., Krasilnikov I.V., Konovalova V.S., Evsyakov A.S. Mathematical modeling of the colmatation of concrete pores during corrosion. Magazine of Civil Engineering. 2018;7(83):198–207. https://doi.org/10.18720/MCE.83.18Fedosov S.V., Rumyantseva V.E., Krasilnikov I.V., Konovalova V.S., Evsyakov A.S. Mathematical modeling of the colmatation of concrete pores during corrosion // Magazine of Civil Engineering. 2018. № 7 (83). С. 198-207. https:// doi.org/10.18720/MCE.83.18