CC BY
42
приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы
УДК 629.064.5:543.423
РО!: 10.25206/1813-8225-2018-162-160-164
А. А. КУЗНЕЦОВ А. С. БРЮХОВА
Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВЕННОГО СОДЕРЖАНИЯ ПРОДУКТОВ КОРРОЗИИ НА ПОВЕРХНОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ_
В статье рассматриваются процессы возникновения коррозии в железобетонных опорах контактной сети и описаны реакции, сопровождающие коррозию стальной арматуры. Описан эксперимент электрохимической коррозии изготовленных образцов с различной степенью коррозии стальной арматуры. Проведен спектральный анализ для определения количественного содержания продуктов коррозии на поверхности бетона. Результаты анализа подтвердили зависимость концентрации продуктов коррозии на поверхности бетона с выносом металла из объема стальной арматуры. Получена градуировоч-ная зависимость определения железа на поверхности бетона. Сделаны выводы о возможности применения мобильных спектроанализаторов совместно с представленной методикой.
Ключевые слова: железобетонные опоры контактной сети, продукты коррозии, поверхность образцов, диагностирование коррозионного состояния, гра-дуировочная зависимость, спектральный анализ.
Основным видом опор при прокладке воздушных линий электропередач и контактной сети для подвески проводов являются железобетонные опоры (95 %) от общего их количества. Надежность опор определяет бесперебойность электроснабжения и безопасность движения поездов. Известно, что тяжелая железобетонная опора способна повалить весь анкерный пролет, и поэтому контроль их состояния позволяет предупредить аварии и избежать больших затрат на восстановление и простой участка железнодорожного пути.
Для диагностирования коррозионного состояния в настоящее время используются различные мето-
ды контроля, среди которых наиболее распространены: метод с откопкой и последующим визуальным осмотром, акустический и электрохимический. Недостаток метода с откопкой — трудоемкость и малоэффективность; недостатком акустического и электрохимического методов является измерение косвенных величин, связанных с коррозионным состоянием функциональными зависимостями.
В работе предложен прямой анализ продуктов коррозии на поверхности железобетонных конструкций. Приводятся результаты экспериментальных исследований, подтверждающих возможность применения спектральных методов контроля. Пер-
Значения параметров образцов
Таблица 1
Номер образца Масса насыщенного образца, т, кг Масса ненасыщенного образца, т, кг Объем образца, V, м3 Плотность насыщенного образца, р, кг/м3 Плотность ненасыщенного образца, р0, кг/м3 Пористость Робщ, %
1 2,551 2,488 0,987 2,585 2,521 2,5
2 2,455 2,377 0,931 2,637 2,553 3
4 2,404 2,357 0,987 2,436 2,388 1,9
3 1,865 1,721 0,720 2,590 2,390 7,7
спективои выполненных исследовании является применение мобильных спектроанализаторов совместно с методикой, приведенной в работе.
Причины возникновения коррозии стальной арматуры. Аварии случаются при утере несущей способности опоры, причинами которой являются трещины, заводские дефекты и коррозионные разрушения. Бетон имеет щелочную среду с рН = = 11,5—12,5, иногда больше. При этом стальная арматура находится в пассивном состоянии, то есть устойчива к щелочной среде, потенциал стали находится в положительной области, и окисление не происходит. Однако из-за того, что подземная часть опоры находится в условии повышенной влажности и имеет доступ кислорода к арматуре, за счет пористости бетона возникает коррозия арматуры, которая носит электрохимический характер. В качестве электролита выступает пористый слой бетона, заполненный водой и кислородом. А за счет блуждающих токов и токов утечки скорость реакции возрастает.
Бетон по своей структуре пористый материал и может активно впитывать влагу и воздух из окружающей среды.
Пористость связана со степенью наполненности общего объема материала воздухом. Причина возникновения пор заключается в соблюдении технологии изготовления и качества компонентов бетона. При процессе затвердевания некоторое количество воды химически связывается с минералами цемента, а оставшаяся часть воды испаряется, вследствие чего образуются поры. Значение пористости можно определить, зная массу влажного и просушенного бетонного образца. В работе вычислялась общая пористость образцов в объеме бетона Ро6щ, %, по выражению (1) [1, 2]:
параметр железобетонных опор контактной сети, который влияет на долговечность и надежность опор.
Коррозия в работе рассматривалась как электрохимический процесс, происходящий за счет взаимодействия воды и кислорода, где основные окислительно-восстановительные реакции могут быть описаны уравнениями (2) и (3), представляющие анодное окисление железа и катодное восстановления меди соответственно. Общая реакция представлена уравнением (4), здесь Рв(ОИ)2 является одним из нескольких возможных продуктов коррозии в зависимости от окружающей среды [3, 4].
Fe — Ре2+ + 2е"7
в
Н<0 + в о+ + 2е~ — 20Н 7
Fe + НС + -<С2 — Се(0Н)2.
(2)
(3)
(4)
Схема протекания процесса коррозии железобетона представлена ниже на рис. 1. После разрушения пассивного слоя формируется точка и растворение железа протекает в соответствии с уравнением (3). Электроны переносятся от анода к катоду (электронный ток), где происходит восстановление кислорода согласно уравнению (4).
Изображение расположения слоев на поверхности арматурного стержня в результате возникновения процесса коррозии внутри железобетонного образца схематично представлено на рис. 2.
Изготовленные образцы с рассчитанной ранее напористостью были подвержены электрокоррозии путем помещения в водный раствор электролита
Лот I в р
воо,
(1)
где р0 — плотность ненасыщенного водой образца, [кг/м3]; р — плотность насыщенного образца, [кг/м3].
Для проведения экепериетнта (эыли подготовлены 4 образца бетона с различной пористостью и искусственными дефекта ми размером 60x60x200, со стержнем армстури диаметр ом сщ ми. Значения параметров образцов и значения пористости представлены в табл. 1.
Пористость бетона напрямую влияет на коррозионную стойкость арматуры, находящейся внутри бетона. Коррозионная стойкость самый важный
Рис. 1. Схематичное изображение процесса коррозии
Таблица 2
Рис. 2. Слои продуктов коррозии на поверхности углеродистой стали
Рис. 3. Схема установки для исследования процесса электрокоррозии
Таблица значений интенсивности углерода и линии сравнения
Рис. 4. Схема анализа графитовых стержней на спектрометре «Аргон-5СФ»
с различной концентрацией ЫаС1 и подключением к внешнему источнику напряжения. Электрохимическая коррозия арматуры может усилиться токами утечки или блуждающими токами от электрифицированного рельсового транспорта [5 — 7]
Место стекания электрического тока с арматуры является анодом. На нем происходит окисление
Номер образца Отличительный признак he !с 1отн
1 1 % 1118252 4979994 0,225
2 2 % 2964327 3576839 0,829
3 3 % 1172748 759444 1,544
4 3 % с повышенной пористостью 1460473 598319 2,441
5 Ржавчина 4244541 3272797 1,297
6 Бетон 771789 3350958 0,230
7 Клей 67166 3647528 0,018
8 Графит 48344 5942766 0,008
железа. В слое бетона, выполняющего роль электролита, насыщенного различными ионами, будет проходить электролиз. Подобный механизм электрокоррозии происходит в грунте под действием блуждающих токов [8—10].
Каждый образец был помещен в раствор хлорида натрия (рис. 3), в качестве анода выступала стальная арматура, а в качестве катода — медная пластина, которые были подключены к внешнему источнику напряжения.
Образцы 1, 2 и 3 были помещены в одно-, двух-и трехпроцентные растворы хлорида натрия, образец 4 был также помещен в трехпроцентный раствор, но имел пористую структуру бетона. Напряжение, приложенное ко всем четырем образцам, было одинаковым, а ток различный, что объясняется разной концентрацией растворов электролита и пористостостью. Электролиз происходил на протяжении 30 часов.
По завершению электролиза на поверхности бетона были обнаружены следы коррозии, что свидетельствует о разложении стальных стержней арматуры.
С поверхностей образцов, участвующих в электролизе, был снят верхний слой бетона, полученные порошки были помещены в кратеры графитовых электродов и залиты связующим клеем. Кроме того были подготовлены образцы, содержащие только ржавчину, чистый бетон, и чистый электрод с клеем и без него.
Для всех исследуемых электродов был проведен спектральный анализ на эмиссионном спектрометре «Аргон-5СФ» (рис. 4). Режим работы спектрометра: продувка — 10 с; обжиг — 1 с; экспозиция — 10 с; спектральный диапазон 170 — 400 нм; спектральное разрешение 0,03 нм; частота поджигающих импульсов — 200 Гц; количество приемников излучения CCD — 6.
Представлены численные значения интенсивно-стей спектральных линий железа (275,574 нм), углерода (193,090 нм), а также относительная интенсивность для исследуемых образцов (табл. 2).
Полученные спектры, наложенные друг на друга, при различной степени коррозии (рис. 5).
Рис. 5. Спектральные линии трех образцов с различной степенью коррозии: 1 — чистый графит; 2 — среднее содержание коррозии в бетоне; 3 — ржавчина
Далее по полученным значениям интенсив-ностей был построен градуировочный график для определения количественного содержания хлорида железа (FeCl3) (рис. 6). По полученной гра-дуировочной зависимости возможно определение продуктов коррозии арматурных стержней в тонко-телых железобетонных конструкциях с их выходом на поверхность. Основным элементом для определения является железо в виде оксидов, гидроксидов и других его соединений, образующих продукты коррозии.
В качестве зависимости, построенной методом наименьших квадратов, использован полином второй степени. Коэффициент детерминации принял значение 0,958.
Выводы
1. Для определения степени коррозии реальных объектов были подготовлены образцы армированного железобетона с различной степенью коррозии, полученной при варьировании параметров среды и различным воздействием электрического тока.
2. Выполнен спектральный анализ химического состава на поверхности бетона различных образцов. Представлены спектрограммы образцов с различным количественным содержанием элементов на поверхности (Fe, Cl, Na). Предложена методика исследования для спектрометра «Аргон-5СФ».
3. Показана корреляция содержания продуктов коррозии на поверхности с количеством металла, вышедшего из объема арматурных стержней, находящихся внутри железобетонных образцов.
4. Градуировочный график, построенный по образцам с различным содержанием хлорида железа, имеет высокую степень корреляции зависимости интенсивность железа — концентрация (R2 = 0,958).
Проведены испытания и предложена методика для определения количественного содержания продуктов коррозии на поверхности железобетонных изделий. Определены направления дальнейших исследований для оценки коррозионного состояния арматуры по результатам испытаний на поверхности бетона.
Библиографический список
1. Алексеев С. Н. Коррозия и защита арматуры в бетоне. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1968. 231 с.
2. ГОСТ 12730.4 — 78. Бетоны. Методы определения показателей пористости. Введ. 01—01 — 1980. М.: Стандартинформ, 2007. URL: http://docs.cntd.ru/document/901707640 (дата обращения: 22.01.2018).
1 1 у = 2,4011л:2 + 3,4247л: + 0,9112
К = и,У58 •
•
•
•
0,2
0,3
0,4 0,5
1отн, o.e.
0,6
-ä»
0,7
0,8
Рис. 6. Градуировочный график определения железа на поверхности бетона с добавками FeCl3
3. Румянцева В. Е., Коновалова В. С. Влияние хлоридов на защитные способности бетона в железобетонных конструкциях // Физика волокнистых материалов: структура, свойства, наукоемкие технологии и материалы. SMARTEX-2015: сб. материалов XVIII Междунар. науч.-практ. форума. Иваново: ИВГПУ, 2015. С. 301-304.
4. Подольский В. И. Железобетонные опоры контактной сети. Конструкции, эксплуатация, диагностика // Труды ВНИ-ИЖТ. М.: Интекст, 2007. 152 с.
5. Millar S., Wilsch G., Eichler T. [et al.]. Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) im Bauwesen — automatisierte Baustuffanalyse // Beton- und Stahlbetonbau. 2015. Vol. 110 (8). P. 501-510. DOI: 10.1002/best.201500030.
6. Кремерс Д. А., Радзиемски Л. И. Лазерно-искровая эмиссионная спектрометрия / пер. с англ. А. А. Горбатенко [и др.]; под ред. Н. Б. Зорова. М.: Техносфера, 2009. 360 с. ISBN 978-5-94836-235-9.
7. Кузнецов А. А., Пономарев А. В., Мешкова О. Б., Бу-чельникова О. С. Возможности приборов ЛИЭС для определения коррозионного состояния железобетонных конструкций при длительной эксплуатации // Современные наукоемкие технологии. 2015. № 12 (4). С. 610-615.
8. Лабутин Т. А., Попов А. М., Райков С. Н. [и др.]. Определение хлора в бетонах на воздухе методом ла-зерно-искровой эмиссионной спектрометрии // Журнал прикладной спектроскопии. 2013. Т. 80, № 3. С. 325-329.
9. Шлюкер С. Поверхностно-усиленная Рамановская спектроскопия (SERS): аналитические, биофизические и биомедицинские приложения: моногр. / под ред. С. Шлюкера. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2017. 331 с.
10. Пат. 2460062 Российская Федерация, МПК G 01 N 21/88. Способ определения коррозионного состояния подземной части железобетонных опор линий электропередач и кон-
тактной сети / Кандаев В. А., Авдеева К. В., Никифоров М. А. № 2011100389/28; заявл. 11.01.11; опубл. 27.08.12. Бюл. № 24.
БРюхоВА Анна Сергеевна, аспирантка кафедры
«Теоретическая электротехника».
Адрес для переписки: annaivan29@gmai1.com
Кузнецов Андрей Альбертович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Теоретическая электротехника». SPIN-код: 5259-0531 AuthorlD (РИНЦ): 358976 AuthorlD (SCOPUS): 56824984500 Адрес для переписки: KuznetsovAA@omgups.ru
Для цитирования
Кузнецов А. А., Брюхова А. С. Определение количественного содержания продуктов коррозии на поверхности железобетонных изделий // Омский научный вестник. 2018. № 6 (162). С. 160-164. Б01: 10.25206/1813-8225-2018-162-160-164.
Статья поступила в редакцию 29.10.2018 г. © А. А. Кузнецов, А. С. Брюхова
УДК 621.382
DOI: 10.25206/1813-8225-2018-162-164-168
А. И. БЛЕСМАН1 Р. Б. БУРЛАКОВ2
1Омский государственный технический университет, г. Омск
2Омский государственный университет им. Ф. М. Достоевского,
г. Омск
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОТОЭЛЕМЕНТА, ОСНОВАННОГО НА ДВУХ КОНТАКТАХ А1-р-Я И П-р-Я С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ
Задачей исследований является разработка структуры и способа изготовления фотоэлемента, способного принимать излучение либо в ближней инфракрасной области спектра (1 — 1,4) мкм, либо в области (0,5—1,4) мкм. Рассмотрены способ изготовления и результаты исследования фотоэлектрических характеристик двухспектрального фотоэлемента, основанного на двух контактах с барьером Шоттки А1-р-Б1 и Н-р^, расположенных на противоположных сторонах Si пластины. Показано, что удаление нарушенного слоя на поверхности кремниевой пластины ведет к значительному увеличению напряжения холостого хода и тока короткого замыкания контакта А1-р^, расположенного на этой поверхности и освещаемого через кремниевую пластину.
Ключевые слова: способ изготовления фотоэлемента, кремний р-типа, контакты с барьером Шоттки.
Введение. Развитие систем, использующих оптические методы передачи информации, предусматривает использование различного рода фотоприемников. В таких системах обычно используются фоторезисторы и фотодиоды [1]. При этом электронно-оптические системы используют один оптический канал, который обеспечивает регистрацию оптического излучения одной длины волны или интегрального потока излучения в некотором спектральном диапазоне, что создает ряд трудностей при приеме оптического излучения в условиях оптических помех в области рабочих длин волн.
Изложенные в этой работе исследования направлены на разработку способа изготовления фотоэлемента, способного обеспечить прием излучения рабочей длины волны в ближней инфракрасной области спектра при наличии по-
мех видимого диапазона длин волн при сохранении способности фотоэлемента принимать излучение как в видимой, так и в ближней инфракрасной областях спектра. Решение этой задачи заключается в применении двухспектрального фотоэлемента, представляющего собой оптоэлектронный прибор, работающий одновременно в двух спектральных диапазонах. В этом двухспектральном фотоэлементе, который освещается с одной стороны, используются один омический контакт и два контакта с барьером Шот-тки, расположенные на противоположных сторонах Si пластины р-типа: контакт А1-р^, действующий на основе внутренней фотоэмиссии горячих электронов из металлической пленки в полупроводник в ближней инфракрасной области спектра при освещении через кремниевую подложку, и контакт И-р-Si, освещаемый со стороны полупрозрачного слоя И.
