Að útbúa sjávarmannvirki með „skotheldum vestum“ úr eldfjallabergi? Fjölþætt basaltþræðir brjóta tæringarstöðvun stálþráða.

Brýr yfir hafið, djúpsjávarhöfnir, vindmyllugarðar á hafi úti... Þó að þessir „risar“ sem byggðir eru í hafinu séu stórkostlegir að sjá, þola þeir daglega „grimmilega pyndingu“ öldurofs, salt- og basatæringar og til skiptis raka- og þurrklotna. Í slíku umhverfi er tryggt að hert Steypumannvirki Að haldast óskemmd — laust við brot, sprungur eða ótímabært bilun — hefur lengi verið erfið áskorun fyrir alþjóðlegt verkfræðisamfélag.
Í langan tíma, Stálþráðurhafa oft verið felld inn í steypu til að auka seiglu og koma í veg fyrir sprungur. Hins vegar reynast stálþræðir oft illa til þess fallnir að þola erfiðar aðstæður eins og saltúða og sjó; þegar klóríðjónir síast inn í sprungur í steypunni ryðga stálþræðirnir og þenjast út í rúmmáli, sem þversagnakennt veldur því að steypan springur innan frá og út og flýtir fyrir hruni burðarvirkisins.
Nýlega hefur ný rannsókn á efni sem beinist að mikilli endingu fyrir skipasmíði boðið upp á mjög efnilega lausn: basaltþræðir—framleitt með því að draga þræði úr náttúrulegu eldfjallabergi — er hægt að nota til að klæða sjávarsteypu með lagi af „brynju“ sem er nánast ónæmt fyrir ryði. Þetta er gert með fjölþættri stigbreytingarlíkani sem inniheldur blöndu af „stórum trefjum fyrir burðarvirki“ og „smáum trefjum fyrir þéttingu svitahola“.

I. Leyndarmál gegn tæringu sem leynast í eldfjallabergi

Að taka á alvarlegum göllum sem eru í eðli sínu í núverandi efnum — sérstaklega viðkvæmni stálþráða fyrir ryði og tilhneigingu lífrænna trefja (eins og pólýprópýlen eða pólývínýlalkóhóls) til að eldast og brotna niður í basísku steypuumhverfi —Basalt Trefjar sýna fram á einstaka efnislega kosti. Þær eru framleiddar með því að bræða hreint náttúrulegt eldfjallaberg við afar hátt hitastig og draga það í trefjar. Kjarnagrind þeirra samanstendur aðallega af ókristalla neti af kísill-súrefnis- og ál-súrefnistengjum. Þessi náttúrulega steinbygging sýnir afar mikla efnafræðilega óvirkni þegar hún kemst í snertingu við sterklega basíska svitaholuvökva í steypu og saltríkt umhverfi sjávar, og útilokar þannig í grundvallaratriðum þá eðlisfræðilegu áhættu sem fylgir „tæringu, ryði og rúmmálsþenslu“. Til að ná framúrskarandi sprunguþoli og ógegndræpi brýtur nýjustu rannsóknirnar sig frá hefðbundnu „einsleitni“ hugmyndafræðinni og leggur í staðinn til „fjölþætt einsleitt basalttrefjakerfi“:

Makró-uppbyggingarlegt snúnt Basalttrefjar (SBF): Grófar, langar og snúnar trefjar dreifðar um allan grunnefnið; aðalhlutverk þeirra er að brúa og binda saman núverandi stórsprungur og þannig veita beygjuþol og togstífleika eftir sprungur.

Örþræðir úr saxaðri basalt (NBF): Fínir örþræðir sem, líkt og sandkorn, pakkast þétt inn í örsmáar svitaholur og rásir í harðnuðu sementsgrunnefninu, loka á áhrifaríkan hátt fyrir sjávarflæði og stöðva útbreiðslu örsprungna.

Þessi „grófa og fína samsetning“ aðferð býr til þéttan, flókinn vef sem er ofinn djúpt inni í steypuvirkninni — alhliða varnarkerfi sem tekur bæði á ógegndræpi og sprunguvörn samtímis.

II. „Hrottalegt“ 270 daga blaut-þurr hjólreiðapróf

Til að ákvarða hvort þessi nýja steypa gæti náð „langlífi“ í sjávarumhverfi hermdi rannsóknarhópurinn eftir afar krefjandi víxlþurrku umhverfi. Þetta fól í sér að tvöfalda styrk sjávarvatnslausnarinnar og láta sýnin gangast undir víxlþurrkunarlotur við háan hita (við 45°C) og fullrar mettunar — þar sem hvert 24 klukkustunda tímabil myndaði eina heildar blautþurrkunarlotu.
Eftir að hafa þolað þessa erfiðu raun í 270 daga sýndu steypusýnin sem innihéldu mismunandi trefjakerfi mjög mismunandi árangur:

Fjölþráða blendingahópur úr all-basalt (B15N02: þ.e. 1,5% grófar trefjar + 0,2% örþræðir): Þessi hópur skilaði einstaklega glæsilegum árangri. Eftir 270 daga var jafngildur sveigjanleikaþolshlutfall þess ótrúlegur 76,14%, en upphafleg sprungustyrksþolsþol náði 90,67%. Ennfremur var massatap sem rekja má til flögnunar á yfirborði vegna útsetningar fyrir sjó aðeins 1,43%. Þegar efninu var beitt veðrun umhverfisáhrifa gekk heildarniðurbrotsferlið afar hægt og smám saman fyrir sig.

Stálþráðablendingahópur (S15N02): Áður en tæring hófst sýndi þessi hópur einstaklega mikla upphafs beygjuþol - bein afleiðing af mikilli stífleika stálþráðanna sjálfra. Hins vegar, eftir 270 daga, hafði stálþráðastyrkta steypan gengið í gegnum grundvallar- og róttæka breytingu á virkni sinni. Vegna mikillar ryðmyndunar lækkaði samsvarandi beygjuþol hennar niður í 50,22% (sem í raun helmingaði styrk hennar); á síðari stigum komu greinileg staðbundin ryðvöld útvíkkunarmynstur og sprungur í ljós.

III. Smásjárleg uppgjör: Hvers vegna hrynur stál á meðan basalt helst stöðugt?

Myndir teknar með rafeindasmásjá (SEM) sýna beint grundvallarmuninn á afköstum efnanna tveggja:

Hin hörmulegu bilun stálþráða: Sjór og súrefni komast auðveldlega í gegnum örsmá holrými í steypunni og komast í snertingu við stálið, sem veldur alvarlegri rafefnafræðilegri tæringu. Rúmmál rauðbrúna járnryðsins sem myndast þenst út í 2 til 6,5 sinnum upprunalega stærð þess. Þessi gríðarlegi innri þrýstingur „ýtir“ beint á nærliggjandi sementsgrunnefni og myndar net af geislamynduðum örsprungum. Þegar innri skemmdir aukast brotnar tengingin milli stálþráðanna og steypugrunnefnisins alveg niður; að lokum, undir álagi, eru trefjarnar líklegri til að togast auðveldlega út eða renna - annað hvort að fullu eða að hluta - og missa þannig brúarstífleika sinn.

Hin milda aðlögun BasalttrefjarBasaltþræðir sýna alls enga rúmmálsþenslu þegar þeir verða fyrir áhrifum sjávar. Vatnsrofsferli þeirra – sem einkennist af vægri upplausn Si-O-Si tengja – gerist afar hægt og veldur aðeins vægri, staðbundinni dæld og yfirborðshrjúfleika á nanóskala. Þessi lúmska yfirborðshrjúfleiki skemmir ekki fylliefnið heldur eykur í raun núninginn milli trefjanna og steypunnar í kring.

Þar að auki innihalda steypublöndur oft iðnaðarafurðir — svo sem flugaska og gjall — til að koma að hluta til í stað hefðbundins sements. Þó að þessi aðferð dragi úr kolefnislosun við framleiðslu um 27%, lækkar hún einnig verulega langtíma basískleika steypunnar. Þetta býr í raun til mildan, „basaþolinn verndarhylki“ fyrir basalttrefjarnar, sem dregur enn frekar úr upplausnarhraða þeirra.

IV. Virkar það með sprungum? Það getur einnig komið í veg fyrir framtíðarskemmdir

Í raunverulegum verkfræðiforritum starfa burðarvirki óhjákvæmilega við „skemmdar“ aðstæður. Til að líkja eftir þessum veruleika framkallaði rannsóknarhópurinn gervigreindar örsprungur á bilinu 0,1 mm til 0,3 mm að breidd innan prófunarsýnanna:

Í stálþráðahópnum olli nærvera þessara örsprungna raka að síast beint inn í togþolssvæðið; þetta leiddi til hraðrar taps á brúargetu stálþráðanna og snöggrar lækkunar á teygjanleika efnisins. Einsleitur fjölþættur basaltþráðahópur sýnir framúrskarandi þol gegn skemmdum innan sprunguopnunarbils frá 0,1 mm til 0,2 mm, sem næst með samverkandi áhrifum „festingar“ fínna trefja og „spennu“ grófra trefja. Jafnvel þegar fyrirliggjandi sprungur víkka út í 0,3 mm, heldur efnið mikilli sveigjanleika- og togþolsgetu og eykur þannig öryggismörk fyrir skemmda mannvirki í skipaverkfræði.

Niðurstaða

Frá sjónarhóli „líftímakostnaðar“ og sjálfbærni í umhverfismálum með lágum kolefnisútblæstri, þó að basalttrefjar geti haft í för með sér örlítið hærri upphafskostnað vegna sérhæfðrar teikningarferlis þeirra, þá býður nánast „viðhaldsfrí“ eðli þeirra allan líftíma þeirra upp á verulega langtímakosti. Yfir rekstrartímabil verkefnis – sem er venjulega á bilinu 50 til 100 ár – útilokar notkun þeirra ekki aðeins verulegan, ófyrirséðan heildarkostnað sem tengist tíðum viðgerðum og notkun tæringarvarnarefna, heldur dregur einnig verulega úr eiginþyngd burðarvirkisins og sparar þannig flutningskostnað og leigugjöld fyrir stór uppsetningarskip á hafi úti.

Á tímum þar sem jöfn áhersla er lögð á að draga úr kolefnislosun allan líftíma verkefnis og tryggja verkfræðilegt öryggi, er þessi „tæringarvarnarbrynja“ – smíðuð úr eldfjallabergi – að koma fram sem öruggari og umhverfisvænni verndari fyrir hreina orkuverkefni í sjónum, svo sem flutningatengingar yfir sjó og vindmyllugarða á hafi úti.