Оборудване на морски конструкции с „бронираеми жилетки“, използващи вулканична скала? Многомащабни базалтови влакна преодоляват корозионната патова ситуация за стоманените влакна

Морски мостове, дълбоководни терминали, офшорни вятърни паркове... Макар че тези „колосални гиганти“, построени в океана, са великолепни за гледане, те издържат на ежедневните „брутални мъчения“ от вълнова ерозия, солена и алкална корозия и редуващи се цикли на мокро и сухо. В такава среда, осигуряването на закалени... Бетонни конструкции да останат непокътнати – без разрушаване, напукване или преждевременна повреда – отдавна е обезпокоително предизвикателство за световната инженерна общност.
Дълго време, Стоманени влакнаЧесто се влагат в бетона, за да се подобри здравината и да се предотврати напукване. Стоманените влакна обаче често се оказват неподходящи за суровите условия на солена мъгла и морска вода; след като хлоридните йони проникнат в пукнатините в бетона, стоманените влакна ръждясват и се разширяват по обем, парадоксално причинявайки напукване на бетона отвътре навън и ускорявайки структурното срутване.
Наскоро ново проучване на материали, фокусирано върху висока издръжливост за морско инженерство, предложи многообещаващо решение: базалтови влакна—произведен чрез изтегляне на нишки от естествена вулканична скала — може да се използва за облицоване на морски бетон със слой „броня“, който е практически имунизиран срещу ръжда. Това се постига чрез многомащабен градационен модел, включващ комбинация от „големи влакна за структурно свързване“ и „малки влакна за запечатване на порите“.

I. Тайните на антикорозионната защита, скрити във вулканичната скала

Справяне с критичните недостатъци, присъщи на съществуващите материали – по-специално податливостта на стоманените влакна към ръжда и склонността на органичните влакна (като полипропилен или поливинилов алкохол) да стареят и да се разграждат в алкална бетонна среда –Базалт Влакната демонстрират изключителни материални предимства. Произведени чрез топене на чиста естествена вулканична скала при ултрависоки температури и изтеглянето ѝ във влакна, основната им структурна рамка се състои предимно от аморфна мрежа от силиций-кислородни и алуминий-кислородни връзки. Тази естествена структура на каменна основа проявява изключително висока химическа инертност, когато е изложена на силно алкалните порести течности в бетона и средата с висока соленост на морската вода, като по този начин фундаментално елиминира физическите рискове, свързани с „корозия, ръжда и обемно разширение“. За да се постигне превъзходна устойчивост на пукнатини и непропускливост, най-новите изследвания се откъсват от традиционната парадигма на „едно влакно“, предлагайки вместо това „многомащабна хомогенна базалтова влакнеста система“:

Макроструктурно усукано Базалтови влакна (SBF): Груби, дълги и усукани влакна, разпръснати в матрицата; основната им функция е да преодоляват и свързват съществуващи макропукнатини, като по този начин осигуряват якост на огъване и якост на опън след напукване.

Микроструктурни нарязани базалтови микрофибри (NBF): Фини микрофибри, които подобно на песъчинки, се опаковат плътно в малките пори и канали във втвърдената циментова матрица, като ефективно блокират пътищата за проникване на морска вода и спират разпространението на зараждащи се микропукнатини.

Тази стратегия за „едра и фина комбинация“ създава гъста, сложна мрежа, вплетена дълбоко в бетонната конструкция – всеобхватен защитен механизъм, който едновременно се справя с непропускливостта и контрола на пукнатините.

II. „Брутален“ 270-дневен тест за колоездене на мокро и сухо

За да се определи дали този нов бетон може да постигне „дълголетие“ в морска среда, изследователският екип симулира изключително строга редуваща се мокра и суха среда. Това включва удвояване на концентрацията на разтвора с морска вода и подлагане на пробите на редуващи се цикли на сушене при висока температура (при 45°C) и пълно насищане – като всеки 24-часов период представлява един пълен цикъл на мокро и сухо.
След 270 дни на това изтощително изпитание, бетонните проби, включващи различни влакнести системи, показаха значително различни резултати:

Многомащабна хибридна група от изцяло базалт (B15N02: т.е. 1,5% груби влакна + 0,2% микрофибри): Тази група постигна изключително впечатляващи резултати. След 270 дни, еквивалентният коефициент на запазване на якостта на огъване достигна забележителните 76,14%, докато началният коефициент на запазване на якостта на напукване достигна 90,67%. Освен това, загубата на маса, дължаща се на повърхностно отчупване, причинено от излагане на морска вода, беше едва 1,43%. При излагане на атмосферни влияния на околната среда, цялостният процес на разграждане на материала протичаше изключително бавно и постепенно.

Група със стоманени фибри-хибриди (S15N02): Преди началото на корозията, тази група демонстрира изключително високи начални характеристики на огъване – пряк резултат от присъщата висока твърдост на самите стоманени влакна. Въпреки това, до 270-ия ден, стоманено-фибробетонът е претърпял фундаментална и драстична промяна в характеристиките си. Поради обширното ръждясване, еквивалентният му коефициент на задържане на якостта на огъване спадна до 50,22% (ефективно намалявайки наполовина якостта му); в по-късните етапи станаха очевидни отчетливи локализирани модели на разширение, предизвикани от ръжда, и пукнатини.

III. Микроскопична битка: Защо стоманата се срутва, докато базалтът остава стабилен?

Изображенията, заснети чрез сканираща електронна микроскопия (SEM), директно разкриват фундаменталния характер на разликата в производителността между двата материала:

Катастрофалното разрушаване на стоманените влакна: Морската вода и кислородът лесно проникват през микроскопични кухини в бетона, за да влязат в контакт със стоманата, предизвиквайки силна електрохимична корозия. Обемът на получената червеникаво-кафява желязна ръжда се разширява между 2 и 6,5 пъти първоначалния си размер. Това огромно вътрешно налягане директно „натиска“ околната циментова матрица, генерирайки мрежа от радиални микропукнатини. С увеличаването на вътрешните повреди, връзката между стоманените влакна и бетонната матрица напълно се разрушава; в крайна сметка, под натоварване, влакната са склонни лесно да се издърпат или изплъзнат – изцяло или частично – като по този начин губят своята структурна мостова твърдост.

Нежната адаптация на Базалтови влакнаБазалтовите влакна не показват абсолютно никакво обемно разширение, когато са изложени на морска вода. Процесът им на хидролиза, характеризиращ се с нежно разтваряне на Si-O-Si връзките, протича с изключително бавна скорост, което води само до леко, локализирано образуване на хлъзгавина и грапавост на повърхността в наномащаб. Далеч от това да уврежда матрицата, това фино грапавост на повърхността всъщност засилва триенето между влакната и околния бетон.

Освен това, бетонните смеси често включват промишлени странични продукти – като летяща пепел и шлака – за да заместят частично традиционния цимент. Макар че тази практика намалява въглеродните емисии по време на производството с 27%, тя също така значително понижава дългосрочната алкалност на бетона. Това ефективно създава нежна, „алкалоустойчива защитна капсула“ за базалтовите влакна, като допълнително потиска скоростта им на разтваряне.

IV. Функциониране с пукнатини? Това може да предотврати и бъдещи повреди

В реални инженерни приложения, структурните компоненти неизбежно работят при „нарушени“ условия. За да симулират тази реалност, изследователският екип изкуствено е предизвикал микропукнатини с ширина от 0,1 мм до 0,3 мм в тестовите образци:

В групата със стоманени влакна, наличието на тези микропукнатини позволи на влагата директно да проникне в зоната на опън; това доведе до бърза загуба на мостовата способност на стоманените влакна и рязък спад в пластичността на материала. Хомогенната многомащабна базалтова група влакна демонстрира изключителна толерантност към повреди в диапазон на отваряне на пукнатини от 0,1 мм до 0,2 мм, постигната чрез синергичното действие на „закрепване“ от фини влакна и „опъване“ от едри влакна. Дори когато съществуващите пукнатини се разширят до 0,3 мм, материалът запазва високо ниво на носеща способност при огъване и опън, като по този начин успешно разширява прага на безопасност за повредени конструкции в приложенията в морското инженерство.

Заключение

От гледна точка на „разходите за целия жизнен цикъл (LCC)“ и нисковъглеродната екологична устойчивост, въпреки че базалтовите влакна могат да доведат до малко по-високи първоначални разходи за снабдяване поради специализирания им процес на изтегляне, техният практически „ненужен за поддръжка“ характер през целия им експлоатационен живот предлага значителни дългосрочни предимства. В рамките на оперативния период на проекта – обикновено вариращ от 50 до 100 години – тяхното използване не само елиминира значителните, непредвидени общи разходи, свързани с честите ремонти и нанасянето на антикорозионни покрития, но също така значително намалява собственото тегло на конструкцията, като по този начин спестява транспортни разходи и такси за чартър за големи офшорни инсталационни кораби.

В епоха, в която се поставя еднакъв акцент върху намаляването на въглеродните емисии през целия жизнен цикъл на проекта и осигуряването на инженерна безопасност, тази „антикорозионна броня“ – изработена от вулканична скала – се очертава като по-безопасен и по-екологичен пазител за проекти за чиста морска енергия, като например трансморски транспортни връзки и офшорни вятърни паркове.