Dommages causés par la corrosion et prédiction de la durée de vie de la structure en béton dans l'atelier de sulfate d'ammonium cokéfiable de l'industrie sidérurgique

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2826 (2023) Citer cet article

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Les usines sidérurgiques émettent de grandes quantités de CO2 et de SO2 au cours du processus de production, et les concentrations élevées de gaz acides entraînent de graves dommages dus à la corrosion des structures en béton. Dans cet article, les caractéristiques environnementales et le degré de corrosion du béton dans un atelier de sulfate d'ammonium cokéfique vieux de 7 ans ont été étudiés, et la prévision de la durée de vie de neutralisation de la structure en béton a été réalisée. En outre, les produits de corrosion ont été analysés grâce à un test de simulation de neutralisation du béton. La température et l'humidité relative moyennes dans l'atelier étaient de 34,7 °C et 43,4 %, respectivement 1,40 fois supérieures et 1,70 fois inférieures à celles de l'environnement atmosphérique général. Les concentrations de CO2 et de SO2 étaient significativement différentes dans les différentes sections de l’atelier, et elles étaient bien supérieures à celles de l’environnement atmosphérique général. L'apparence de corrosion et la perte de résistance à la compression du béton étaient plus graves dans les sections à forte concentration de SO2, telles que la section du lit de vulcanisation et la section du réservoir de cristallisation. La profondeur de neutralisation du béton dans la section du bassin de cristallisation était la plus grande, avec une valeur moyenne de 19,86 mm. Les produits de corrosion gypse et CaCO3 étaient évidemment visibles dans la couche superficielle du béton, alors que seul le CaCO3 pouvait être observé à 5 mm. Le modèle de prédiction de la profondeur de neutralisation du béton a été établi et la durée de vie restante de la neutralisation dans l'entrepôt, la section de synthèse (intérieure), la section de synthèse (extérieure), la section du lit de vulcanisation et la section du réservoir de cristallisation étaient de 69,21 a, 52,01 a, 88,56 a, 29,62 a et 7,84 a, respectivement.

Le CO2 et le SO2 se diffusent dans le béton et réagissent avec les produits d'hydratation du ciment. Le CO2 convertit le Ca(OH)2, le silicate de calcium hydraté (C-S-H) et l'aluminate de calcium en CaCO31,2,3,4. Le SO2 réagit avec tous les composés calciques des produits d’hydratation, y compris le CaCO3, et les convertit en composés soufrés5,6,7. La liste des composés soufrés comprend principalement le sulfite de calcium (CaSO3·1/2H2O), les sulfates de calcium (CaSO4, CaSO4·1/2H2O et CaSO4·2H2O) et les sulfoaluminates de calcium (3CaO·Al2O3·CaSO4 12H2O et 3CaO·Al2O3·3CaSO4 ·31–32H2O)7.

La carbonatation et la sulfuration du béton peuvent réduire le pH de la solution interstitielle de 6,7,8,9, et les sulfoaluminates de calcium sont difficiles à exister de manière stable en raison de la diminution du pH de la solution interstitielle de 10. Il a été rapporté que la disparition de l'ettringite (3CaO·Al2O3·3CaSO4·31–32H2O) et du monosulfoaluminate hydraté (3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O) à 20 °C se produisait à un pH ≤ 10,7 et un pH ≤ 11,6, respectivement11. Les plages de pH de l'ettringite qui pouvaient exister de manière stable à 25 °C, 50 °C et 85 °C étaient respectivement de 10,43 à 12,52, de 10,52 à 12,41 et de 10,87 à 12,2512. La décomposition de l'ettringite due à la carbonatation du béton a été rapportée par les auteurs13,14,15, et les produits de réaction étaient du CaCO3, du gypse et du gel d'alumine.

Le pH de la solution interstitielle du béton se situe généralement entre 12,5 et 13,816,17,18, où le mince film protecteur d'oxydes de fer autour des barres d'armature est stable. La diminution du pH de la solution interstitielle due à la carbonatation et à la sulfuration entraîne la déstabilisation du film passif sur les barres d'armature. Une fois que le pH tombe à environ 9, les barres d’armature commencent à se corroder en raison de la rupture du film passif19. Il est donc nécessaire de développer des technologies et des stratégies pour la résistance du béton au CO2 et au SO2. Pour atteindre cet objectif, l'étude expérimentale et l'investigation de terrain sur la neutralisation du béton sous l'action combinée du CO2 et du SO2 devraient être réalisées.

Il existe quelques études expérimentales sur la neutralisation du béton sous l'action combinée du CO2 et du SO2, et elles sont exposées à une atmosphère artificielle avec des concentrations élevées de milieux corrosifs20,21. Le taux de diffusion du CO2 dans le béton était supérieur à celui du SO2 sous l’action combinée du CO2 et du SO2. La raison principale était que la concentration de CO2 était bien supérieure à celle de SO2 dans l’environnement industriel7,20. Pendant ce temps, le taux de diffusion du CO2 avec la même concentration volumique était plus rapide que celui du SO2. Leah21 a observé le processus de diffusion de gaz dans le béton sous des conditions de CO2 et de SO2 avec la même concentration volumique. Il a été constaté que le béton se combinait avec le CO2 au stade initial de la réaction et que le produit de carbonatation CaCO3 était généré en continu. Par la suite, le SO2 a transformé le CaCO3 en gypse. Par conséquent, le CO2 a d’abord réagi avec les produits d’hydratation, et l’essence de la sulfuration du béton était la réaction entre le SO2 et le produit de carbonatation.