Danni da corrosione e previsione della durata della struttura in calcestruzzo nell'officina di cokefazione del solfato di ammonio dell'industria siderurgica

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2826 (2023) Citare questo articolo

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Gli impianti siderurgici emettono grandi quantità di CO2 e SO2 nel processo di produzione e le elevate concentrazioni di gas acidi portano a gravi danni da corrosione delle strutture in calcestruzzo. In questo articolo sono state studiate le caratteristiche ambientali e il grado di danno da corrosione del calcestruzzo in un laboratorio di coking solfato di ammonio aperto 7 anni fa ed è stata effettuata la previsione della durata di neutralizzazione della struttura in calcestruzzo. Inoltre, i prodotti della corrosione sono stati analizzati attraverso test di simulazione di neutralizzazione del calcestruzzo. La temperatura media e l'umidità relativa nell'officina erano di 34,7 °C e 43,4%, rispettivamente 1,40 volte superiori e 1,70 volte inferiori a quelle dell'ambiente atmosferico generale. Sia le concentrazioni di CO2 che di SO2 erano significativamente diverse nelle varie sezioni del workshop ed erano molto più elevate di quelle dell'ambiente atmosferico generale. La corrosione superficiale e la perdita di resistenza alla compressione del calcestruzzo erano più gravi nelle sezioni con elevata concentrazione di SO2, come la sezione del letto di vulcanizzazione e la sezione del serbatoio di cristallizzazione. La profondità di neutralizzazione del calcestruzzo nella sezione della vasca di cristallizzazione è stata la maggiore, con un valore medio di 19,86 mm. I prodotti della corrosione gesso e CaCO3 erano ovviamente visibili nello strato superficiale del calcestruzzo, mentre a 5 mm si poteva osservare solo CaCO3. È stato stabilito il modello di previsione della profondità di neutralizzazione del calcestruzzo e la durata residua di neutralizzazione nel magazzino, nella sezione di sintesi (interna), nella sezione di sintesi (esterna), nella sezione del letto di vulcanizzazione e nella sezione del serbatoio di cristallizzazione era 69,21 a, 52,01 a, 88,56 a, 29.62 ae 7.84 a, rispettivamente.

CO2 e SO2 si diffondono nel calcestruzzo e reagiscono con i prodotti di idratazione del cemento. La CO2 converte Ca(OH)2, silicato di calcio idrato (C–S–H) e alluminato di calcio in CaCO31,2,3,4. L'SO2 reagisce con tutti i composti di calcio dei prodotti di idratazione, incluso CaCO3, e li converte in composti contenenti zolfo5,6,7. L'elenco dei composti contenenti zolfo comprende principalmente solfito di calcio (CaSO3·1/2H2O), solfati di calcio (CaSO4, CaSO4·1/2H2O e CaSO4·2H2O) e solfoalluminati di calcio (3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O e 3CaO·Al2O3·3CaSO4 ·31–32H2O)7.

Sia la carbonatazione che la solforazione del calcestruzzo possono ridurre il pH6,7,8,9 della soluzione dei pori e i solfoalluminati di calcio sono difficili da esistere stabilmente a causa della diminuzione del pH10 della soluzione dei pori. È stato riferito che la scomparsa dell'ettringite (3CaO·Al2O3·3CaSO4·31–32H2O) e del monosulfoalluminato idrato (3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O) a 20 °C era rispettivamente a pH ≤ 10,7 e pH ≤ 11,611. Gli intervalli di pH dell'ettringite che poteva esistere stabilmente a 25 °C, 50 °C e 85 °C erano rispettivamente 10,43–12,52, 10,52–12,41 e 10,87–12,2512. La decomposizione dell'ettringite dovuta alla carbonatazione del calcestruzzo è stata segnalata dagli autori13,14,15 e i prodotti della reazione erano CaCO3, gesso e gel di allumina.

Il pH della soluzione dei pori del calcestruzzo è solitamente compreso tra 12,5 e 13,816,17,18, dove la sottile pellicola protettiva di ossidi di ferro attorno all'armatura è stabile. La diminuzione del pH della soluzione dei pori dovuta alla carbonatazione e alla solforazione porta alla destabilizzazione del film passivo sull'armatura. Una volta che il pH scende a circa 9, l'armatura inizia a corrodersi a causa della rottura del film passivo19. Pertanto, è necessario sviluppare tecnologie e strategie per la resistenza alla CO2 e alla SO2 del calcestruzzo. Per raggiungere questo obiettivo, dovrebbero essere condotti lo studio sperimentale e l'indagine sul campo sulla neutralizzazione del calcestruzzo sotto l'azione combinata di CO2 e SO2.

Esistono alcuni studi sperimentali sulla neutralizzazione del calcestruzzo sotto l'azione combinata di CO2 e SO2, esposto ad un'atmosfera artificiale con alte concentrazioni di agenti corrosivi20,21. Il tasso di diffusione della CO2 nel calcestruzzo era superiore a quello della SO2 sotto l'azione combinata di CO2 e SO2. Il motivo principale era che la concentrazione di CO2 era molto più elevata di quella di SO2 nell’ambiente industriale7,20. Nel frattempo, la velocità di diffusione della CO2 con la stessa concentrazione volumetrica era più veloce di quella della SO2. Leah21 ha osservato il processo di diffusione del gas nel calcestruzzo in condizioni di CO2 e SO2 con la stessa concentrazione volumetrica. Si è scoperto che il calcestruzzo si combinava con CO2 nella fase iniziale della reazione e il prodotto di carbonatazione CaCO3 veniva generato continuamente. Successivamente, la SO2 ha convertito CaCO3 in gesso. Pertanto, la CO2 ha reagito inizialmente con i prodotti di idratazione e l'essenza della solforazione del calcestruzzo era la reazione tra SO2 e il prodotto di carbonatazione.