Modelling the influence of mass transfer parameters on the kinetics of corrosion interaction of concrete and biological media

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The impact of microorganisms on the cement stone of concrete accelerates the removal of “free calcium hydroxide” from the pore structure and promotes the decomposition of calcium-containing phases, resulting in a decrease in the strength characteristics of concrete and further destruction. Biodegradation must be taken into account when determining the durability of concrete. Mathematical modelling makes it possible to predict its condition at any stage of the life cycle of a concrete product and to establish its remaining service life.Materials and methods. The effect of mass transfer parameters on changes in calcium hydroxide concentrations in concrete and on the intensity of its leaching into a liquid medium is shown graphically by the results of numerical modelling. The description of mass transfer processes in concrete biocorrosion was carried out using a developed mathematical model, which takes into account the influence of microorganisms and their waste products as an internal source of absorption or release of mass of “free calcium hydroxide” in concrete cement stone. The conditions for reaching the values of calcium hydroxide concentrations in cement stone corresponding to the beginning of decomposition of highly basic components are described by solving the mass transfer problem.Results. Based on the mathematical model describing the kinetics of mass transfer, a mathematical apparatus for predicting the degree of biodegradation of cement concrete was developed. Graphical dependences are presented, which are the result of a simulated numerical experiment, describing the effect of similarity criteria (Fourier, Bio) and a coefficient taking into account phase characteristics on the dynamics and kinetics of the mass transfer process during concrete biodegradation in a wide range of system parameters. The most intense change in the kinetics and dynamics of mass transfer occurs at the initial stages of exposure to the products of microorganisms during liquid corrosion of concrete.Conclusions. The obtained graphical dependences provide an understanding of the conditions for slowing down and intensifying mass transfer processes in the concrete – biofilm – liquid medium system. The engineering methodology of calculation of mass transfer parameters and service life of concrete is applicable at any stage of operation of reinforced concrete products and structures and makes it economically feasible to assign protective equipment and set the terms of their use.

About the authors

S. V. Fedosov

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)

Email: fedosovsv@mgsu.ru
ORCID iD: 0000-0001-6117-7529

B. E. Narmaniya

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)

Email: borisfablee@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-4644-6353

References

  1. Wang C., Roy A., Silberschmidt V.V., Chen Z. Modelling of damage evolution in braided composites: recent developments // Mechanics of Advanced Materials and Modern Processes. 2017. Vol. 3. Issue 1. doi: 10.1186/s40759-017-0030-4
  2. Gawin D., Koniorczyk M., Pesavento F. Modelling of hydro-thermo-chemo-mechanical phenomena in building materials // Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Technical Sciences. 2013. Vol. 61. Issue 1. Pp. 51–63. doi: 10.2478/bpasts-2013-0004
  3. Варламов А.А., Теличенко В.И., Римшин В.И. Модели материалов по теории деградации // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2019. № 4 (382). С. 59–65. EDN TRYMNG.
  4. Kayumov R., Sulejmanov A., Strakhov D. Model of degradation of composite materials of building structure’s load-bearing elements // Lecture Notes in Civil Engineering. 2021. Pp. 239–249. doi: 10.1007/978-3-030-80103-8_26
  5. Zhao L., Qin T., Zhang J., Chen Y. 3D gradual material degradation model for progressive damage analyses of unidirectional composite materials // Mathematical Problems in Engineering. 2015. Vol. 2015. Pp. 1–11. doi: 10.1155/2015/145629
  6. Kaźmierczak H. The dynamic characteristics of mechanical structures destruction // Journal of Vibroengineering. 2016. Vol. 18. Issue 8. Pp. 5230–5238. doi: 10.21595/jve.2016.17717
  7. Jia Y., Liu G., Gao Y., Pei J., Zhao Y., Zhang J. Degradation reliability modeling of stabilized base course materials based on a modulus decrement process // Construction and Building Materials. 2018. Vol. 177. Pp. 303–313. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2018.05.129
  8. Гусев Е.Л., Бакулин В.Н. Обобщенные модели долговечности и их применение для решения задач прогнозирования определяющих характеристик композитов // Механика композитных материалов. 2022. Т. 58. № 3. С. 505–520. doi: 10.22364/mkm.58.3.03. EDN BZFLLD.
  9. Петров В.В., Мищенко Р.В., Пименов Д.А., Горбачева О.А. Математическое моделирование долговечности тонкостенных пространственных конструкций, взаимодействующих с агрессивной средой // Эксперт: теория и практика. 2020. № 6 (9). С. 14–30. doi: 10.24411/2686-7818-2020-10052. EDN ASQBRG.
  10. Васильев А.А., Доломанюк Р.Ю., Дашкевич С.В. Модель прогнозирования долговечности железобетонных пролетных строений мостов // Вестник Белорусского государственного университета транспорта: Наука и транспорт. 2018. № 1 (36). С. 121–123. EDN YWIICL.
  11. Bastidas-Arteaga E. Reliability of reinforced concrete structures subjected to corrosion-fatigue and climate change // International Journal of Concrete Structures and Materials. 2018. Vol. 12. Issue 1. doi: 10.1186/s40069-018-0235-x
  12. German M., Pamin J. Numerical simulation of non-uniformly distributed corrosion in reinforced concrete cross-section // Materials. 2021. Vol. 14. Issue 14. Р. 3975. doi: 10.3390/ma14143975
  13. Shodja H.M., Kiani K., Hashemian A. A model for the evolution of concrete deterioration due to reinforcement corrosion // Mathematical and Computer Modelling. 2010. Vol. 52. Issue 9–10. Pp. 1403–1422. doi: 10.1016/j.mcm.2010.05.023
  14. Федосов С.В., Румянцева В.Е., Логинова С.А. Особенности биодеградации гидротехнических бетонов // Умные композиты в строительстве. 2020. Т. 1. № 1. С. 45–55. EDN UPWQJY.
  15. Федосов С.В., Румянцева В.Е., Красильников И.В. Методы математической физики в приложениях к проблемам коррозии бетона в жидких агрессивных средах : монография. М. : Изд-во АСВ, 2021. 244 с. EDN QRKKFL.
  16. Федосов С.В., Румянцева В.Е., Касьяненко Н.С., Манохина Ю.В., Шестеркин М.Е. Особенности математического моделирования массопереноса при коррозии бетона второго вида. Решение для малых чисел Фурье // Строительные материалы. 2012. № 3. С. 11–13. EDN OYDWYH.
  17. Fedosov 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. No. 7 (83). Pp. 198–207. doi: 10.18720/MCE.83.18. EDN SIZQZP.
  18. AL-Ameeri A.S., Rafiq M.I., Tsioulou O. Influence of carbonation on the resistance of concrete structures to chloride penetration and corrosion // MATEC Web of Conferences. 2019. Vol. 289. P. 08001. doi: 10.1051/matecconf/201928908001
  19. Wan X., Wittmann F.H., Zhao T., Fan H. Chloride content and pH value in the pore solution of concrete under carbonation // Journal of Zhejiang University SCIENCE A. 2013. Vol. 14. Issue 1. Pp. 71–78. doi: 10.1631/jzus.A1200187
  20. Pu Q., Jiang L., Xu J., Chu H., Xu Y., Zhang Y. Evolution of pH and chemical composition of pore solution in carbonated concrete // Construction and Building Materials. 2012. Vol. 28. Issue 1. Pp. 519–524. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2011.09.006
  21. Баженов Ю.М. Технология бетона : учебник. М. : Изд-во АСВ, 2011. 524 с.
  22. Makhlouf A.S.H., Aliofkhazraei M. Handbook of Materials Failure Analysis with Case Studies from the Chemicals, Concrete and Power Industries. Butterworth-Heinemann, Elsevier, 2015. 470 p.
  23. Nevares I., del Alamo-Sanza M. Characterization of the oxygen transmission rate of new-ancient natural materials for wine maturation containers // Foods. 2021. Vol. 10. Issue 1. P. 140. doi: 10.3390/foods10010140
  24. Степанова В.Ф. Долговечность бетона. Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. 124 с. EDN FRCPMF.
  25. Ali W., Urgessa G. Computational model for internal relative humidity distributions in Concrete // Journal of Computational Engineering. 2014. Vol. 2014. Pр. 1–7. doi: 10.1155/2014/539850
  26. Fedosov S.V., Rumyantseva V.E., Konovalova V.S., Loginova S.A. Mathematical model of mass transfer processes in biological corrosion of cement concretes // IOP Conference Series : Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 869. Issue 5. P. 052059. doi: 10.1088/1757-899X/869/5/052059
  27. Федосов 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. doi: 10.31659/0585-430X-2021-793-7-4-9. EDN LEJJMD.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».