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

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

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

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

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

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

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