mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2024.4.596-605mgssuvest-237Research ArticleСтроительное материаловедениеConstruction material engineeringМоделирование влияния параметров массопереноса на кинетику коррозионного взаимодействия бетона с биологическими средамиModelling the influence of mass transfer parameters on the kinetics of corrosion interaction of concrete and biological mediahttps://orcid.org/0000-0001-6117-7529ФедосовС. В.FedosovS. V.

Сергей Викторович Федосов — доктор технических наук, профессор кафедры технологий и организации строительного производства, академик РААСН

129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26

РИНЦ ID: 105900, Scopus: 7005670404, ResearcherID: B-2409-2017

Sergey V. Fedosov — Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Technology and Organization of Construction Production, Academician of RAASN

26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337

ID RSCI: 105900, Scopus: 7005670404, Researcher ID: B-2409-2017

fedosovsv@mgsu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4644-6353НарманияБ. Е.NarmaniyaB. E.

Борис Евгеньевич Нармания — аспирант кафедры технологий и организации строительного производства

129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26

РИНЦ ID: 932757, Scopus: 57215532142, ResearcherID: HKP-1695-2023

Boris E. Narmaniya — postgraduate student of the Department of Technology and Organization of Construction Production

26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337

ID RSCI: 932757, Scopus: 57215532142, ResearcherID: HKP-1695-2023

borisfablee@gmail.comНациональный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ)РоссияMoscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)Russian Federation202429042024194596605Copyright © Федосов С.В., Нармания Б.Е., 20242024Федосов С.В., Нармания Б.Е.Fedosov S.V., Narmaniya B.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/237Введение

Введение. Воздействие микроорганизмов на цементный камень (ЦК) бетона ускоряет вывод «свободного гидроксида кальция» из поровой структуры и способствует разложению кальцийсодержащих фаз, в результате чего происходит снижение прочностных характеристик бетона и дальнейшее разрушение. Биоповреждение необходимо учитывать при определении долговечности бетона.  Математическое моделирование позволяет на любом этапе жизненного цикла бетонного изделия спрогнозировать его состояние и установить остаточный срок службы.

Материалы и методы

Материалы и методы. Влияние параметров массопереноса на изменение концентраций гидроксида кальция в бетоне и на интенсивность его вымывания в жидкую среду показано графически по результатам численного моделирования. Разработана математическая модель для описания процессов массопереноса при биологической коррозии бетона, в которой влияние микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности объясняется внутренним источником поглощения или высвобождения массы, в частности «свободного гидроксида кальция», в бетонном ЦК. Условия достижения значений концентраций гидроксида кальция в ЦК, соответствующих началу разложения высокоосновных составляющих, описываются с помощью решения задачи массообмена.

Результаты

Результаты. На основе математической модели, описывающей кинетику массопереноса, разработан математический аппарат для прогнозирования степени биодеградации цементных бетонов. Представлены графические зависимости, которые являются результатом имитационного численного эксперимента. Они описывают для широкого диапазона параметров системы влияние критериев подобия (Фурье, Био) и коэффициента, учитывающего фазовые характеристики, на динамику и кинетику процесса массопереноса при биокоррозии бетона. Наиболее интенсивное изменение кинетики и динамики массообмена наблюдается на начальных стадиях воздействия продуктов жизнедеятельности микроорганизмов при жидкостной коррозии бетона.

Выводы

Выводы. Полученные графические зависимости дают понимание об условиях замедления и интенсификации процессов массопереноса в системе «бетон – биопленка – жидкая среда». Инженерная методика расчета параметров массообмена и срока службы бетона применима на любом этапе эксплуатации железобетонных изделий и конструкций и дает возможность экономически обоснованно назначать средства защиты и устанавливать сроки их использования.

Introduction

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

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

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

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.

биокоррозия бетонадолговечность бетонапроцессы массопереносакинетика массопереносапрогнозирование долговечностиуравнения массопроводностиматематическое моделированиеграфическое моделированиепараметры массопереносавыщелачивание бетонаconcrete biocorrosionconcrete durabilitymass transfer processesmass transfer kineticsdurability predictionmass transfer equationsmathematical modellinggraphical modellingmass transfer parametersconcrete leachingReferencesWang 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/s40759-017-0030-4Wang 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; 3(1). DOI: 10.1186/s40759-017-0030-4Gawin 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-2013-0004Gawin 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; 61(1):51-63. DOI: 10.2478/bpasts-2013-0004Варламов 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.Varlamov A.A., Telichenko V.I., Rimshin V.I. Models materials in the theory of degradation. Textile Industry Technology (Series: “Proceedings of Higher Educational Institutions”). 2019; 4(382):59-65. EDN TRYMNG. (rus.).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_26Kayumov R., Sulejmanov A., Strakhov D. Model of degradation of composite materials of building structure’s load-bearing elements. Lecture Notes in Civil Engineering. 2021; 239-249. DOI: 10.1007/978-3-030-80103-8_26Zhao 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: 10.1155/2015/145629Zhao 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; 2015:1-11. DOI: 10.1155/2015/145629Kaźmierczak H. The dynamic characteristics of mechanical structures destruction // Journal of Vibroengineering. 2016. Vol. 18. Issue 8. Pp. 5230–5238. DOI: 10.21595/jve.2016.17717Kaźmierczak H. The dynamic characteristics of mechanical structures destruction. Journal of Vibroengineering. 2016; 18(8):5230-5238. DOI: 10.21595/jve.2016.17717Jia 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.2018.05.129Jia 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; 177:303-313. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.05.129Гусев 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.Gusev E.L., Bakulin V.N. Generalized durability models and their application to solving problems on predicting the defining characteristics of composites. Mechanics of Composite Materials. 2022; 58(3):505-520. DOI: 10.22364/mkm.58.3.03. EDN BZFLLD. (rus.).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.Petrov V.V., Mishchenko R.V., Pimenov D.A., Gorbacheva O.A. Mathematical modeling of longevity thin-walled spatial constructions interacting with the aggressive environment. Expert: Theory and Practice. 2020; 6(9):14-30. DOI: 10.24411/2686-7818-2020-10052. EDN ASQBRG. (rus.).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.Vasilyev A.A., Dolomanjuk R.Yu., Dashkevich S.V. Model of prediction of longevity of reinforce-concrete flight structures of bridges and overpasses. Bulletin of BSUT: Science and Transport. 2018; 1(36):121-123. EDN YWIICL. (rus.).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-xBastidas-Arteaga E. Reliability of reinforced concrete structures subjected to corrosion-fatigue and climate change. International Journal of Concrete Structures and Materials. 2018; 12(1). DOI: 10.1186/s40069-018-0235-xGerman 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/ma14143975German M., Pamin J. Numerical simulation of non-uniformly distributed corrosion in reinforced concrete cross-section. Materials. 2021; 14(14):3975. DOI: 10.3390/ma14143975Shodja 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.2010.05.023Shodja H.M., Kiani K., Hashemian A. A model for the evolution of concrete deterioration due to reinforcement corrosion. Mathematical and Computer Modelling. 2010; 52(9-10):1403-1422. DOI: 10.1016/j.mcm.2010.05.023Федосов 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.Fedosov S.V., Rumyantseva V.E., Loginova S.A. Biodegradation of hydrotechnical concrete. Smart Composites in Construction. 2020; 1(1):45-55. EDN UPWQJY. (rus.).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.Fedosov S.V., Rumyantseva V.E., Krasil’-nikov I.V. Methods of mathematical physics in applications to the problems of concrete corrosion in liquid aggressive media : monograph. Moscow, ASV Publishing House, 2021; 244. EDN QRKKFL. (rus.).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.Fedosov S.V., Rumyantseva V.E., Kasyanenko N.S., Manohina Yu.V., Shestyorkin M.E. Features of mathematical modeling of mass transfer during corrosion of concrete of the second type. Solution for small Fourier numbers. Construction Materials. 2012; 3:11-13. EDN OYDWYH. (rus.).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.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; 7(83):198-207. DOI: 10.18720/MCE.83.18. EDN SIZQZP.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/201928908001AL-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; 289:08001. DOI: 10.1051/matecconf/201928908001Wan 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.A1200187Wan 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; 14(1):71-78. DOI: 10.1631/jzus.A1200187Pu 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.2011.09.006Pu 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; 28(1):519-524. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2011.09.006Баженов Ю.М. Технология бетона : учебник. М. : Изд-во АСВ, 2011. 524 с.Bazhenov Yu.M. Technology of concrete : textbook. Мoscow, ASV Publ., 2011; 524. (rus.).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.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.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/foods10010140Nevares I., del Alamo-Sanza M. Characterization of the oxygen transmission rate of new-ancient natural materials for wine maturation containers. Foods. 2021; 10(1):140. DOI: 10.3390/foods10010140Степанова В.Ф. Долговечность бетона. Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. 124 с. EDN FRCPMF.Stepanova V.F. Durability of concrete. Vologda, Infra-Inzheneriya, 2023; 124. EDN FRCPMF. (rus.).Ali W., Urgessa G. Computational model for internal relative humidity distributions in Concrete // Journal of Computational Engineering. 2014. Vol. 2014. Pр. 1–7. DOI: 10.1155/2014/539850Ali W., Urgessa G. Computational Model for internal relative humidity distributions in concrete. Journal of Computational Engineering. 2014; 2014:1-7. DOI: 10.1155/2014/539850Fedosov 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/869/5/052059Fedosov 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; 869(5):052059. DOI: 10.1088/1757-899X/869/5/052059Федосов 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.Fedosov S.V., Rumyantseva V.E., Krasilnikov I.V., Krasilnikova I.A. Mathematical modeling of mass transfer in the “cement concrete-liquid medium” system, limited by the internal diffusion of the transferred component at liquid corrosion of the first type. Construction Materials. 2021; 7:4-9. DOI: 10.31659/0585-430X-2021-793-7-4-9. EDN LEJJMD. (rus.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.