철강산업의 황산암모늄 작업장에서 콘크리트 구조물의 부식손상 및 수명예측

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 2826(2023) 이 기사 인용

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제철소는 생산과정에서 다량의 CO2와 SO2를 배출하며, 고농도의 산성가스로 인해 콘크리트 구조물의 심각한 부식 손상이 발생합니다. 본 논문에서는 7년된 코크스 황산암모늄 작업장에서 콘크리트의 환경특성과 부식손상 정도를 조사하고, 콘크리트 구조물의 중화수명 예측을 수행하였다. 또한, 콘크리트 중성화 시뮬레이션 시험을 통해 부식생성물을 분석하였다. 작업장의 평균온도와 상대습도는 34.7℃와 43.4%로 일반 대기환경에 비해 각각 1.40배 높고 1.70배 낮았다. CO2와 SO2의 농도는 작업장의 여러 섹션에서 크게 달랐으며 일반 대기 환경보다 훨씬 높았습니다. 콘크리트의 외관부식 및 압축강도 손실은 가황층부, 결정조부 등 SO2 농도가 높은 구간에서 더욱 심각하였다. 결정화조 구간의 콘크리트 중화깊이는 평균 19.86mm로 가장 컸다. 부식생성물인 석고와 CaCO3는 콘크리트 표면층에서 뚜렷하게 보였으며, 5mm에서는 CaCO3만 관찰되었습니다. 콘크리트 중화깊이 예측모델을 확립하였으며, 창고, 합성구간(실내), 합성구간(실외), 가황베드구간, 결정화조구간의 잔여 중화수명은 69.21a, 52.01a, 88.56a로 나타났으며, 각각 29.62a 및 7.84a.

CO2와 SO2는 콘크리트로 확산되어 시멘트 수화 생성물과 반응합니다. CO2는 Ca(OH)2, 규산칼슘 수화물(C–S–H) 및 칼슘 알루미네이트를 CaCO31,2,3,4로 전환합니다. SO2는 CaCO3를 포함한 수화 생성물의 모든 칼슘 화합물과 반응하여 황 함유 화합물로 변환합니다5,6,7. 황 함유 화합물 목록에는 주로 아황산칼슘(CaSO3·1/2H2O), 황산칼슘(CaSO4, CaSO4·1/2H2O 및 CaSO4·2H2O) 및 칼슘 설포알루미네이트(3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O 및 3CaO·Al2O3·3CaSO4)가 포함됩니다. ·31–32H2O)7.

콘크리트의 탄산화와 황화는 모두 공극용액 pH6,7,8,9를 감소시킬 수 있으며, 칼슘 설포알루미네이트는 공극용액 pH10의 감소로 인해 안정적으로 존재하기 어렵습니다. 20°C에서 에트린자이트(3CaO·Al2O3·3CaSO4·31-32H2O)와 모노설포알루미네이트 수화물(3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O)의 소멸은 각각 pH 10.7과 pH 11.6에서 나타났다고 보고되었다11. 25°C, 50°C, 85°C에서 안정적으로 존재할 수 있는 ettringite의 pH 범위는 각각 10.43~12.52, 10.52~12.41, 10.87~12.25입니다12. 콘크리트 탄산화로 인한 ettringite의 분해는 저자에 의해 보고되었으며13,14,15 반응 생성물은 CaCO3, 석고 및 알루미나 겔이었다.

콘크리트의 기공-용액 pH는 일반적으로 12.5~13.816,17,18 범위에 있으며, 철근 주변의 얇은 산화철 보호막이 안정적입니다. 탄산화 및 황화로 인한 공극 용액 pH의 감소는 철근의 부동태 피막을 불안정하게 만듭니다. pH가 약 9로 떨어지면 철근은 부동태 피막의 파손으로 인해 부식되기 시작합니다19. 따라서 콘크리트의 CO2 및 SO2 저항성을 위한 기술 및 전략 개발이 필요하다. 이를 위해서는 CO2와 SO2의 복합작용에 따른 콘크리트의 중화에 관한 실험적 연구와 현장조사가 이루어져야 한다.

CO2와 SO2의 결합 작용에 따른 콘크리트의 중화에 대한 몇 가지 실험적 연구가 있으며, 부식 매체 농도가 높은 인공 대기에 노출됩니다. CO2와 SO2의 결합작용으로 인해 콘크리트 내 CO2의 확산율은 SO2의 확산율보다 높았다. 주된 이유는 산업 환경에서 CO2 농도가 SO2 농도보다 훨씬 높았기 때문입니다7,20. 한편, 동일한 부피 농도에서 CO2의 확산 속도는 SO2의 확산 속도보다 빨랐습니다. Leah21은 동일한 부피 농도의 CO2와 SO2 조건에서 콘크리트의 가스 확산 과정을 관찰했습니다. 콘크리트는 반응 초기에 CO2와 결합하여 탄산화산물인 CaCO3가 지속적으로 생성되는 것으로 나타났다. 이어서 SO2는 CaCO3를 석고로 전환시켰습니다. 따라서 처음에는 CO2가 수화생성물과 반응하였고, 콘크리트 황화의 본질은 SO2와 탄산화생성물 간의 반응이었다.