Абсталяванне марскіх збудаванняў «бронепрабівальнымі камізэлькамі» з выкарыстаннем вулканічнай пароды? Шматмаштабныя базальтавыя валокны вырашаюць каразійны тупік для сталёвых валокнаў

Марскія масты, глыбакаводныя тэрміналы, марскія ветраныя электрастанцыі... Хоць гэтыя «каласальныя гіганты», пабудаваныя ў акіяне, і выглядаюць цудоўна, яны штодня вытрымліваюць «жорсткія катаванні» хвалевай эрозіі, саляной і шчолачнай карозіі, а таксама чаргуюцца цыклы вільготнасці і сухасці. У такім асяроддзі неабходна забяспечыць зацвярдзелыя Бетонныя канструкцыі заставацца цэлымі — без разбурэння, расколін або заўчаснага разбурэння — доўгі час было праблемай для сусветнай інжынернай супольнасці.
Доўгі час, Сталёвае валакноІх часта дадаюць у бетон для павышэння трываласці і прадухілення расколін. Аднак сталёвыя валокны часта аказваюцца дрэнна прыстасаванымі да суровых умоў саляных туманаў і марской вады; як толькі іёны хларыду пранікаюць у расколіны ўнутры бетону, сталёвыя валокны іржавеюць і пашыраюцца ў аб'ёме, што парадаксальным чынам прыводзіць да расколін бетону знутры вонкі і паскарае разбурэнне канструкцыі.
Нядаўна новае даследаванне матэрыялаў, прысвечанае высокай трываласці для марской тэхнікі, прапанавала вельмі перспектыўнае рашэнне: базальтавыя валокны— атрыманы шляхам выцягвання нітак з натуральнай вулканічнай пароды — можа быць выкарыстаны для пакрыцця марскога бетону пластом «брані», які практычна не паддаецца іржы. Гэта дасягаецца дзякуючы шматмаштабнай градыцыйнай мадэлі, якая ўключае камбінацыю «вялікіх валокнаў для структурнага злучэння» і «дробных валокнаў для герметызацыі пор».

I. Сакрэты супрацькаразійнай абароны, схаваныя ў вулканічных пародах

Вырашэнне крытычных недахопаў, уласцівых існуючым матэрыялам, у прыватнасці, успрымальнасці сталёвых валокнаў да іржы і схільнасці арганічных валокнаў (такіх як поліпрапілен або полівінілавы спірт) да старэння і дэградацыі ў шчолачным асяроддзі бетону,Базальт Валакны дэманструюць выключныя матэрыяльныя перавагі. Атрымліваюцца шляхам плаўлення чыстай прыроднай вулканічнай пароды пры звышвысокіх тэмпературах і выцягвання яе ў валокны, іх асноўная структурная структура складаецца ў асноўным з аморфнай сеткі крэмній-кіслародных і алюміній-кіслародных сувязяў. Гэтая натуральная структура на аснове каменя праяўляе надзвычай высокую хімічную інертнасць пры ўздзеянні моцна шчолачных поравых вадкасцей у бетоне і высокасалёнага асяроддзя марской вады, тым самым кардынальна ліквідуючы фізічныя рызыкі, звязаныя з «карозіяй, іржаўленнем і аб'ёмным пашырэннем». Каб дасягнуць найвышэйшай устойлівасці да расколін і непранікальнасці, найноўшыя даследаванні адыходзяць ад традыцыйнай парадыгмы «аднавалакністага», прапаноўваючы замест гэтага «шматмаштабную аднародную сістэму базальтавага валакна»:

Макраструктурны скручаны Базальтавыя валокны (SBF): Грубыя, доўгія і скручаныя валокны, размеркаваныя па ўсёй матрыцы; іх асноўная функцыя — перакрываць і звязваць існуючыя макратрэшчыны, тым самым забяспечваючы пасляраскалённую глейкасць на выгіб і калянасць на расцяжэнне.

Мікраструктурныя сечаныя базальтавыя мікравалакна (NBF): тонкія мікравалакна, якія, падобна пясчынкам, шчыльна ўкладваюцца ў драбнюткія пары і каналы ўнутры зацвярдзелай цэментнай матрыцы, эфектыўна блакуючы шляхі пранікнення марской вады і спыняючы распаўсюджванне зараджаючыхся мікратрэшчынаў.

Гэтая стратэгія «камбінацыі грубага і дробнага» стварае шчыльную, мудрагелістую павуцінне, уплеценую глыбока ў бетонную канструкцыю — комплексны ахоўны механізм, які адначасова вырашае праблему непранікальнасці і кантролю расколін.

II. «Жорсткі» 270-дзённы веласіпедны тэст на мокрым і сухім пакрыцці

Каб вызначыць, ці можа гэты новы бетон дасягнуць «даўгавечнасці» ў марскім асяроддзі, даследчая група мадэлявала надзвычай жорсткія ўмовы з чаргуючымся вільготным і сухім рэжымамі. Гэта ўключала падваенне канцэнтрацыі раствора марской вады і падвярганне ўзораў чаргуючымся цыклам сушкі пры высокай тэмпературы (пры 45°C) і поўнага насычэння, прычым кожны 24-гадзінны перыяд уяўляў сабой адзін поўны цыкл вільготнай сушкі.
Пасля 270 дзён гэтага знясільваючага выпрабавання ўзоры бетону з ужываннем розных сістэм валокнаў прадэманстравалі вельмі розныя вынікі эксплуатацыі:

Група шматмаштабных гібрыдаў з базальту (B15N02: г.зн. 1,5% грубых валокнаў + 0,2% мікравалакна): гэтая група паказала выключна ўражлівыя вынікі. Праз 270 дзён яе эквівалентная трываласць на выгіб захавалася на ўзроўні 76,14%, а пачатковая трываласць на расколіны дасягнула 90,67%. Акрамя таго, страта масы, звязаная з адслойваннем паверхні, выкліканым уздзеяннем марской вады, склала ўсяго 1,43%. Пад уздзеяннем навакольнага асяроддзя працэс дэградацыі матэрыялу адбываўся надзвычай павольна і паступова.

Група гібрыдных сталёвых валокнаў (S15N02): Да пачатку карозіі гэтая група дэманстравала выключна высокія пачатковыя характарыстыкі выгібу — прамы вынік высокай калянасці саміх сталёвых валокнаў. Аднак да 270-дзённай адзнакі характарыстыкі сталёвага валакнабетону зведалі фундаментальнае і рэзкае змяненне. З-за значнай іржы яго эквівалентны паказчык захавання трываласці на выгіб рэзка знізіўся да 50,22% (фактычна знізіўшы трываласць удвая); на пазнейшых стадыях сталі відавочнымі выразныя лакалізаваныя заканамернасці пашырэння, выкліканыя іржай, і расколіны.

III. Мікраскапічнае сутыкненне: чаму сталь руйнуецца, а базальт застаецца стабільным?

Здымкі, атрыманыя з дапамогай сканіруючай электроннай мікраскапіі (СЭМ), непасрэдна паказваюць фундаментальную прыроду адрозненняў у характарыстыках паміж двума матэрыяламі:

Катастрафічнае разбурэнне сталёвых валокнаў: марская вада і кісларод лёгка пранікаюць праз мікраскапічныя пустэчы ў бетоне і ўступаюць у кантакт са сталлю, выклікаючы моцную электрахімічную карозію. Аб'ём утварыўшайся чырванавата-карычневай жалезнай іржы павялічваецца ў 2–6,5 разоў ад свайго першапачатковага памеру. Гэты велізарны ўнутраны ціск непасрэдна «цісне» на навакольную цэментную матрыцу, ствараючы сетку радыяльных мікратрэшчынаў. Па меры ўзмацнення ўнутраных пашкоджанняў сувязь паміж сталёвымі валокнамі і бетоннай матрыцай цалкам разбураецца; у рэшце рэшт, пад нагрузкай валокны схільныя да лёгкага выцягвання або саслізгвання — цалкам або часткова — тым самым губляючы сваю структурную калянасць.

Мяккая адаптацыя Базальтавыя валокныБазальтавыя валокны абсалютна не пашыраюцца ў аб'ёме пры ўздзеянні марской вады. Іх працэс гідролізу, які характарызуецца мяккім растварэннем сувязяў Si-O-Si, адбываецца надзвычай павольна, што прыводзіць толькі да нязначнага, лакалізаванага ўтварэння кропак і шурпатасці паверхні ў нанамаштабе. Гэта нязначнае шурпатасць паверхні не пашкоджвае матрыцу, а насамрэч павялічвае трэнне паміж валокнамі і навакольным бетонам.

Акрамя таго, у бетонных сумесях часта выкарыстоўваюцца прамысловыя пабочныя прадукты, такія як попел і шлак, каб часткова замяніць традыцыйны цэмент. Хоць такая практыка зніжае выкіды вугляроду падчас вытворчасці на 27%, яна таксама значна зніжае доўгатэрміновую шчолачнасць бетону. Гэта эфектыўна стварае мяккую, «шчолачнаўстойлівую ахоўную капсулу» для базальтавых валокнаў, што яшчэ больш зніжае хуткасць іх растварэння.

IV. Функцыянаванне з расколінамі? Гэта таксама можа прадухіліць будучыя пашкоджанні

У рэальных інжынерных умовах канструкцыйныя кампаненты непазбежна працуюць у "пашкоджаных" умовах. Каб імітаваць гэтую рэальнасць, даследчая група штучна стварыла мікратрэшчыны шырынёй ад 0,1 мм да 0,3 мм у выпрабавальных узорах:

У групе сталёвых валокнаў наяўнасць гэтых мікратрэшчынаў дазволіла вільгаці непасрэдна пранікаць у зону расцяжэння; гэта прывяло да хуткай страты перамыкальнай здольнасці сталёвых валокнаў і рэзкага зніжэння пластычнасці матэрыялу. Аднародная шматмаштабная група базальтавых валокнаў дэманструе выключную ўстойлівасць да пашкоджанняў у дыяпазоне адкрыцця расколін ад 0,1 мм да 0,2 мм, што дасягаецца дзякуючы сінергічнаму дзеянню "замацавання" тонкімі валокнамі і "нацяжэння" грубымі валокнамі. Нават калі існуючыя расколіны пашыраюцца да 0,3 мм, матэрыял захоўвае высокі ўзровень грузападымальнасці пры выгібе і расцяжэнні, тым самым паспяхова пашыраючы парог бяспекі для пашкоджаных канструкцый у марскіх інжынерных прымяненнях.

Выснова

З пункту гледжання «кошту жыццёвага цыклу (LCC)» і нізкавугляроднай экалагічнай устойлівасці, хоць базальтавыя валокны могуць пацягнуць за сабой некалькі больш высокія першапачатковыя выдаткі на закупку з-за спецыялізаванага працэсу іх выцягвання, іх практычна «неабслугоўвальны» характар ​​на працягу ўсяго тэрміну службы дае значныя доўгатэрміновыя перавагі. На працягу эксплуатацыйнага перыяду праекта, які звычайна складае ад 50 да 100 гадоў, іх выкарыстанне не толькі ліквідуе значныя, непрадбачаныя агульныя выдаткі, звязаныя з частым рамонтам і нанясеннем антыкаразійных пакрыццяў, але і істотна зніжае ўласную вагу канструкцыі, тым самым эканомячы на ​​транспартных выдатках і фрахтаванні буйных марскіх суднаў.

У эпоху, калі аднолькавая ўвага надаецца скарачэнню выкідаў вугляроду на працягу ўсяго жыццёвага цыклу праекта і забеспячэнню бяспекі інжынерных работ, гэтая «антыкаразійная браня», вырабленая з вулканічнай пароды, становіцца больш бяспечным і экалагічна чыстым ахоўнікам для праектаў па вытворчасці чыстай марской энергіі, такіх як трансмарскія транспартныя сувязі і марскія ветраныя электрастанцыі.