Merekonstruktsioonide varustamine vulkaanilise kivimi abil "kuulikindlate vestidega"? Mitmemõõtmelised basaltkiud murravad teraskiudude korrosiooniummikseisu

Meresillad, süvaveeterminalid, avamere tuulepargid... Kuigi need ookeani ehitatud "kolossaalsed hiiglased" on suurepärased vaadata, peavad nad vastu laineerosiooni, soola- ja leelismetallide korrosiooni ning vahelduvate märg-kuiv tsüklite igapäevasele "jõhkrale piinamisele". Sellises keskkonnas, tagades karastatud... Betoonkonstruktsioonid jäämine terveks – purunemise, pragunemise või enneaegse rikketa – on pikka aega olnud ülemaailmsele inseneriringkondadele keeruline väljakutse.
Pikka aega Teraskiudi on sageli betooni lisatud, et suurendada selle sitkust ja vältida pragunemist. Teraskiud osutuvad aga sageli halvasti sobivaks karmide tingimuste, näiteks soolalahuse ja merevee jaoks; kui kloriidioonid imbuvad betooni pragudesse, siis teraskiud roostetavad ja paisuvad mahult, põhjustades paradoksaalsel kombel betooni pragunemist seestpoolt väljapoole ja kiirendades konstruktsiooni kokkuvarisemist.
Hiljuti pakkus uus materjaliuuring, mis keskendus meretehnika suurele vastupidavusele, väga paljutõotava lahenduse: basaltkiud— mis on toodetud looduslikust vulkaanilisest kivimist kiudude tõmbamise teel — saab kasutada merebetooni katmiseks "soomuskihiga", mis on praktiliselt rooste suhtes immuunne. See saavutatakse mitmetasandilise gradatsioonimudeli abil, mis sisaldab kombinatsiooni "suurtest kiududest struktuurseks sidumiseks" ja "väikestest kiududest pooride tihendamiseks".

I. Vulkaanilises kivimis peituvad korrosioonivastased saladused

Olemasolevate materjalide kriitiliste puuduste – täpsemalt teraskiudude roostetundlikkuse ja orgaaniliste kiudude (näiteks polüpropüleeni või polüvinüülalkoholi) kalduvuse vananeda ja laguneda aluselistes betoonkeskkondades – käsitlemine.Basalt Kiud näitavad erakordseid materjalieeliseid. Nende põhistruktuur, mis on toodetud puhta loodusliku vulkaanilise kivimi sulatamisel ülikõrgetel temperatuuridel ja selle kiududeks tõmbamisel, koosneb peamiselt amorfsest räni-hapniku ja alumiinium-hapniku sidemete võrgustikust. See looduslik kivipõhine struktuur on äärmiselt keemiliselt inertne kokkupuutel betooni tugevalt aluseliste poorivedelikega ja merevee kõrge soolsusega keskkonnaga, kõrvaldades seeläbi põhimõtteliselt "korrosiooni, roostetamise ja mahulise paisumisega" seotud füüsikalised riskid. Suurema pragunemiskindluse ja läbitungimatuse saavutamiseks loobuvad uusimad uuringud traditsioonilisest "ühekiu" paradigmast, pakkudes välja "mitme skaalaga homogeenset basaltkiudsüsteemi":

Makrostruktuuriline keerdumine Basaltkiud (SBF): Jämedad, pikad ja keerdunud kiud, mis on hajutatud kogu maatriksi ulatuses; nende peamine ülesanne on olemasolevate makropragude ületamine ja sidumine, pakkudes seeläbi pragunemisjärgset paindetugevust ja tõmbejäikust.

Mikrostruktuurilised hakitud basaltmikrokiud (NBF): peened mikrokiud, mis sarnaselt liivaterakestele tihedalt pakivad end kõvastunud tsemendimaatriksi pisikestesse pooridesse ja kanalitesse, blokeerides tõhusalt merevee tungimist ja peatades tekkivate mikropragude leviku.

See "jämeda ja peene kombinatsiooni" strateegia loob tiheda ja keeruka võrgustiku, mis on kootud sügavale betoonkonstruktsiooni sisse – see on terviklik kaitsemehhanism, mis tegeleb samaaegselt nii läbitungimatuse kui ka pragude kontrollimisega.

II. „Jõhker” 270-päevane märg-kuivrattasõidu test

Et teha kindlaks, kas see uudne betoon suudab merekeskkonnas saavutada "pikaealisuse", simuleeris uurimisrühm äärmiselt karmi vahelduvat märg-kuiv keskkonda. See hõlmas merevee lahuse kontsentratsiooni kahekordistamist ja proovide allutamist vahelduvatele kõrgel temperatuuril kuivatamise (45 °C juures) ja täieliku küllastumise tsüklitele – iga 24-tunnine periood moodustas ühe täieliku märg-kuiv tsükli.
Pärast 270 päeva kestnud kurnavat katsumust näitasid erinevaid kiudsüsteeme sisaldavad betoonproovid väga erinevaid tulemusi:

Täisbasaltist mitmeskaalaline hübriidrühm (B15N02: st 1,5% jämedaid kiude + 0,2% mikrokiude): See rühm andis erakordselt muljetavaldavaid tulemusi. 270 päeva pärast oli selle ekvivalentne paindetugevuse säilivusmäär märkimisväärne 76,14%, samas kui selle esialgne pragunemistugevuse säilivusmäär ulatus 90,67%-ni. Lisaks oli merevee kokkupuutest tingitud pinna purunemisest tingitud massikaotus vaid 1,43%. Keskkonnamõjude mõjul toimus materjali üldine lagunemisprotsess äärmiselt aeglaselt ja järk-järgult.

Teraskiust hübriidgrupp (S15N02): Enne korrosiooni algust näitas see grupp erakordselt kõrget esialgset paindetugevust – see oli otsene tagajärg teraskiudude endi loomupärasele suurele jäikusele. 270 päeva möödudes oli teraskiudbetoon aga oma toimivuses läbi teinud põhjaliku ja drastilise pöördumise. Ulatusliku roostetamise tõttu langes selle ekvivalentne paindetugevuse säilivusmäär 50,22%-ni (vähendades tugevust sisuliselt poole võrra); hilisemates etappides ilmnesid selgelt eristuvad rooste põhjustatud paisumismustrid ja praod.

III. Mikroskoopiline vastasseis: miks teras variseb kokku, samal ajal kui basalt jääb stabiilseks?

Skaneeriva elektronmikroskoopia (SEM) abil jäädvustatud pildid näitavad otseselt kahe materjali toimivuse erinevuse põhiolemust:

Teraskiudude katastroofiline purunemine: Merevesi ja hapnik tungivad kergesti läbi betooni mikroskoopiliste tühimike, puutuvad kokku terasega, vallandades tugeva elektrokeemilise korrosiooni. Tekkinud punakaspruuni raudrooste maht paisub 2–6,5 korda suuremaks kui algne suurus. See tohutu sisemine rõhk "surub" otse ümbritseva tsemendimaatriksi vastu, tekitades radiaalsete mikropragude võrgustiku. Sisemiste kahjustuste süvenedes laguneb teraskiudude ja betoonmaatriksi vaheline side täielikult; lõpuks on koormuse all kiud kergesti välja tõmmatavad või libisevad – kas täielikult või osaliselt –, kaotades seeläbi oma struktuurse sildamisjäikuse.

Õrn kohanemine BasaltkiudBasaltkiud ei paisu mereveega kokkupuutel üldse mahu poolest. Nende hüdrolüüsiprotsess – mida iseloomustab Si-O-Si sidemete õrn lahustumine – toimub äärmiselt aeglaselt, mille tulemuseks on vaid kerge, lokaalne süvendamine ja pinna karestumine nanoskaalas. See peen pinna karestumine ei kahjusta maatriksit, vaid suurendab tegelikult kiudude ja ümbritseva betooni vahelist hõõrdumist.

Lisaks lisatakse betoonisegude konstruktsioonidesse sageli tööstuslikke kõrvalsaadusi, näiteks lendtuhka ja räbu, et osaliselt asendada traditsioonilist tsementi. Kuigi see tava vähendab tootmise ajal süsinikdioksiidi heitkoguseid 27% võrra, alandab see oluliselt ka betooni pikaajalist leeliselisust. See loob basaltkiududele õrna, leeliskindla kaitsekapsli, mis veelgi vähendab nende lahustumiskiirust.

IV. Kas pragudega toimimine? See aitab ära hoida ka tulevasi kahjustusi

Reaalsetes insenerirakendustes töötavad konstruktsioonielemendid paratamatult "vigastatud" tingimustes. Selle reaalsuse simuleerimiseks tekitas uurimisrühm katsekehadesse kunstlikult 0,1–0,3 mm laiused mikropraod:

Teraskiu rühmas võimaldasid need mikropraod niiskusel otse tõmbetsooni imbuda; see viis teraskiu sildamisvõime kiire kadumiseni ja materjali venivuse järsu languseni. Homogeenne mitmekihiline basaltkiu rühm demonstreerib erakordset kahjustustaluvust pragude avanemise vahemikus 0,1 mm kuni 0,2 mm, mis saavutatakse peente kiudude "kinnitamise" ja jämedate kiudude "pingutamise" sünergilise toime kaudu. Isegi kui olemasolevad praod laienevad 0,3 mm-ni, säilitab materjal kõrge painde-tõmbekandevõime, suurendades seeläbi edukalt kahjustatud konstruktsioonide ohutusläve meretehnika rakendustes.

Kokkuvõte

„Elutsükli kulude” ja vähese süsinikuheitega keskkonnasäästlikkuse seisukohast, kuigi basaltkiud võivad oma spetsiaalse venitamisprotsessi tõttu kaasa tuua veidi kõrgemad esialgsed hankekulud, pakub nende praktiliselt „hooldusvaba” olemus kogu kasutusea jooksul olulisi pikaajalisi eeliseid. Projekti tegutsemisaja jooksul – mis tavaliselt jääb vahemikku 50–100 aastat – kõrvaldab nende kasutamine mitte ainult sagedaste remonditööde ja korrosioonivastaste katete pealekandmisega seotud märkimisväärsed ja ettenägematud kogukulud, vaid vähendab oluliselt ka konstruktsiooni omakaalu, säästes seeläbi transpordikulusid ja suurte avamere paigalduslaevade prahtimistasusid.

Ajastul, kus projekti elutsükli jooksul pannakse võrdset rõhku süsinikdioksiidi heitkoguste vähendamisele ja inseneriohutuse tagamisele, on see vulkaanilisest kivimist valmistatud "korrosioonivastane soomus" kujunemas ohutumaks ja keskkonnasõbralikumaks kaitsjaks mere puhta energia projektidele, nagu näiteks meretranspordiühendused ja avamere tuulepargid.