הצטיידות מבנים ימיים ב"אפודי חסיני כדורים" באמצעות סלע וולקני? סיבי בזלת רב-ממדיים שוברים את הקיפאון סביב קורוזיה עבור סיבי פלדה

גשרים חוצים את הים, טרמינלים במים עמוקים, חוות רוח ימיות... בעוד ש"הענקים הקולוסאליים" הללו שנבנו באוקיינוס ​​מרהיבים למראה, הם סובלים את "העינויים האכזריים" היומיומיים של סחף גלים, קורוזיה של מלח ובסיס, ומחזורים מתחלפים של רטוב ויבש. בסביבה כזו, הבטחת קשיחה מבני בטון להישאר שלמים - נקיים מניפוץ, סדקים או כשל בטרם עת - היוותה זה מכבר אתגר מטריד עבור קהילת ההנדסה העולמית.
במשך זמן רב, סיבי פלדהסיבי פלדה שולבו לעתים קרובות בבטון כדי לשפר את הקשיחות ולמנוע סדקים. עם זאת, סיבי פלדה לעיתים קרובות מוכיחים את עצמם כלא מתאימים לתנאים הקשים של רסס מלח ומי ים; ברגע שיוני כלוריד חודרים לסדקים בתוך הבטון, סיבי הפלדה מחלידים ומתרחבים בנפחם, מה שבאופן פרדוקסלי גורם לבטון להיסדק מבפנים החוצה ולהאיץ את קריסת המבנה.
לאחרונה, מחקר חומרים חדש המתמקד בעמידות גבוהה להנדסה ימית הציע פתרון מבטיח ביותר: סיבי בזלת— המיוצר על ידי משיכת גדילים מסלע וולקני טבעי — ניתן להשתמש בו כדי לצפות בטון ימי בשכבת "שריון" שכמעט חסינה מפני חלודה. זה מושג באמצעות מודל הדרגתיות רב-ממדית הכולל שילוב של "סיבים גדולים להדבקה מבנית" ו"סיבים קטנים לאיטום נקבוביות".

א. סודות נגד קורוזיה החבויים בסלע וולקני

התייחסות לפגמים הקריטיים הטבועים בחומרים קיימים - ובפרט הרגישות של סיבי פלדה לחלודה והנטייה של סיבים אורגניים (כגון פוליפרופילן או פוליוויניל אלכוהול) להתיישן ולהתכלות בסביבות בטון אלקליות -בַּזֶלֶת סיבים מפגינים יתרונות חומריים יוצאי דופן. הם מיוצרים על ידי התכת סלע וולקני טבעי טהור בטמפרטורות גבוהות במיוחד ומשיכתו לסיבים, והמסגרת המבנית הליבה שלהם מורכבת בעיקר מרשת אמורפית של קשרי סיליקון-חמצן ואלומיניום-חמצן. מבנה טבעי זה, המבוסס על אבן, מפגין אינרטיות כימית גבוהה במיוחד כאשר הוא נחשף לנוזלי הנקבוביות הבסיסיים החזקים בתוך בטון ולסביבה בעלת המליחות הגבוהה של מי ים, ובכך מבטל באופן מהותי את הסיכונים הפיזיים הקשורים ל"קורוזיה, חלודה והתפשטות נפחית". כדי להשיג עמידות ואטימות עדיפות לסדקים, המחקר האחרון מתנתק מהפרדיגמה המסורתית של "סיב יחיד", ומציע במקום זאת "מערכת סיבי בזלת הומוגנית רב-ממדית":

מקרו-מבני מעוות סיבי בזלת (SBF): סיבים גסים, ארוכים ומפותלים המפוזרים ברחבי המטריצה; תפקידם העיקרי הוא לגשר ולחבר יחד סדקים מאקרו קיימים, ובכך לספק קשיחות כיפוף וקשיחות מתיחה לאחר סדקים.

מיקרו-סיבים מבזלת קצוצים מיקרו-מבניים (NBF): מיקרו-סיבים עדינים, אשר, בדומה לגרגרי חול, נדחסים בחוזקה לתוך הנקבוביות והתעלות הזעירות בתוך מטריצת הצמנט הקשה, וחוסמים ביעילות נתיבי חדירת מי ים ועוצרים את התפשטותם של סדקים מיקרו-מבניים.

אסטרטגיית "שילוב גס ועדין" זו יוצרת רשת צפופה ומורכבת השזורה עמוק בתוך מבנה הבטון - מנגנון הגנה מקיף המתמודד בו זמנית עם אטימות ובקרת סדקים.

II. מבחן רכיבה "אכזרי" בן 270 יום ברכיבה רטובת יבשה

כדי לקבוע האם בטון חדשני זה יכול להשיג "אורך חיים" בסביבה ימית, צוות המחקר ביצע סימולציה של סביבה רטובה-יבשה מתחלפת קפדנית ביותר. פעולה זו כללה הכפלת ריכוז תמיסת מי הים וחשיפת הדגימות למחזורים מתחלפים של ייבוש בטמפרטורה גבוהה (ב-45 מעלות צלזיוס) ורוויה מלאה - כאשר כל תקופה של 24 שעות מהווה מחזור רטוב-יבש שלם אחד.
לאחר 270 ימים של ייסורים קשים אלה, דגימות הבטון ששילבו מערכות סיבים שונות הציגו ביצועים שונים בתכלית:

קבוצת חומרים היברידיים רב-ממדיים מבזלת מלאה (B15N02: כלומר, 1.5% סיבים גסים + 0.2% מיקרו-סיבים): קבוצה זו הניבה תוצאות מרשימות במיוחד. לאחר 270 ימים, שיעור שימור חוזק הכיפוף המקביל שלה עמד על 76.14% מרשימים, בעוד ששיעור שימור חוזק הסדיקה ההתחלתי שלה הגיע ל-90.67%. יתר על כן, אובדן המסה המיוחס להתקלפות פני השטח הנגרמת מחשיפה למי ים היה 1.43% בלבד. כאשר התמודדו עם בליה סביבתית, תהליך הפירוק הכולל של החומר התקדם בקצב איטי והדרגתי ביותר.

קבוצת סיבי פלדה היברידית (S15N02): לפני תחילת הקורוזיה, קבוצה זו הפגינה ביצועי כיפוף התחלתיים גבוהים במיוחד - תוצאה ישירה של הנוקשות הגבוהה הטבועה בסיבי הפלדה עצמם. עם זאת, עד לסימן 270 הימים, הבטון המזוין בסיבי פלדה עבר מהפך מהותי ודרסטי בביצועיו. עקב חלודה נרחבת, שיעור שימור חוזק הכיפוף המקביל שלו צנח ל-50.22% (ובכך הפחיתה למעשה את חוזקו בחצי); בשלבים מאוחרים יותר, דפוסי התפשטות וסדקים מקומיים ברורים הנגרמים מחלודה התגלו.

ג. עימות מיקרוסקופי: מדוע פלדה קורסת בעוד שבזלת נשארת יציבה?

תמונות שצולמו באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) חושפות ישירות את האופי הבסיסי של פער הביצועים בין שני החומרים:

הכישלון הקטסטרופלי של סיבי פלדה: מי ים וחמצן חודרים בקלות דרך חללים מיקרוסקופיים בבטון כדי לגעת בפלדה, מה שגורם לקורוזיה אלקטרוכימית חמורה. נפח חלודה החומה-אדמדמה של הברזל שנוצר מתרחב לפי 2 עד 6.5 פעמים מגודלו המקורי. לחץ פנימי עצום זה "דוחף" ישירות את המטריצה ​​הצמנטית שמסביב, ויוצר רשת של סדקים מיקרו-רדיאליים. ככל שהנזק הפנימי מתעצם, הקשר בין סיבי הפלדה למטריצת הבטון מתכלה לחלוטין; בסופו של דבר, תחת עומס, הסיבים נוטים להימשך בקלות או להחליק - באופן מלא או חלקי - ובכך לאבד את קשיחות הגישור המבנית שלהם.

ההסתגלות העדינה של סיבי בזלתסיבי בזלת אינם מפגינים שום התרחבות נפחית כאשר הם נחשפים למי ים. תהליך ההידרוליזה שלהם - המאופיין בהמסה עדינה של קשרי Si-O-Si - מתרחש בקצב איטי ביותר, וכתוצאה מכך נוצרים רק גומות קלות ומקומיות וחספוס פני השטח בקנה מידה ננומטרי. חספוס פני השטח העדין הזה, רחוק מלפגוע במטריצה, מגביר את החיכוך המשולב בין הסיבים לבטון שמסביב.

יתר על כן, תכנוני תערובת בטון משלבים לעתים קרובות תוצרי לוואי תעשייתיים - כגון אפר מרחף וסיגים - כדי להחליף חלקית את המלט המסורתי. בעוד שיטה זו מפחיתה את פליטות הפחמן במהלך הייצור ב-27%, היא גם מורידה משמעותית את הבסיסיות ארוכת הטווח של הבטון. זה יוצר למעשה "קפסולה מגנה עדינה ועמידה בפני בסיסים" עבור סיבי הבזלת, ומדכאת עוד יותר את קצב ההמסה שלהם.

IV. מתפקד עם סדקים? זה יכול גם למנוע נזק עתידי

ביישומים הנדסיים בעולם האמיתי, רכיבים מבניים פועלים באופן בלתי נמנע בתנאים "פגועים". כדי לדמות מציאות זו, צוות המחקר יצר באופן מלאכותי סדקים זעירים ברוחב של 0.1 מ"מ עד 0.3 מ"מ בתוך דגימות הבדיקה:

בקבוצת סיבי הפלדה, נוכחותם של סדקים זעירים אלה אפשרה ללחות לחדור ישירות לאזור המתיחה; דבר זה הוביל לאובדן מהיר של כושר הגישור של סיבי הפלדה ולירידה חדה בגמישות החומר. קבוצת סיבי הבזלת הרב-ממדיים ההומוגניים מפגינה סבילות יוצאת דופן לנזק בטווח פתיחת סדקים של 0.1 מ"מ עד 0.2 מ"מ, מושגת באמצעות פעולה סינרגטית של "הצמדה" על ידי סיבים דקים ו"מתיחה" על ידי סיבים גסים. גם כאשר סדקים קיימים מתרחבים ל-0.3 מ"מ, החומר שומר על רמה גבוהה של כושר נשיאת עומס כיפוף-מתיחה, ובכך מרחיב בהצלחה את סף הבטיחות עבור מבנים פגומים ביישומי הנדסה ימית.

מַסְקָנָה

מנקודת מבט של "עלות מחזור חיים" וקיימות סביבתית דלת פחמן, למרות שסיבי בזלת עשויים לגרור עלויות רכש ראשוניות מעט גבוהות יותר עקב תהליך השרטוט הייעודי שלהם, אופיים הכמעט "נטול התחזוקה" לאורך חיי השירות שלהם מציע יתרונות משמעותיים לטווח ארוך. לאורך תקופת הפעילות של פרויקט - שבדרך כלל נעה בין 50 ל-100 שנים - השימוש בהם לא רק מבטל את העלויות הכוללות המשמעותיות והבלתי צפויות הכרוכות בתיקונים תכופים וביישום ציפויים נגד קורוזיה, אלא גם מפחית באופן משמעותי את המשקל העצמי המבני, ובכך חוסך בהוצאות הובלה ובדמי שכירות עבור כלי שיט להתקנה ימית בקנה מידה גדול.

בעידן בו מושם דגש שווה על הפחתת פליטות פחמן לאורך מחזור החיים של הפרויקט ועל הבטחת בטיחות הנדסית, "שריון נגד קורוזיה" זה - העשוי מסלע וולקני - מתגלה כמגן בטוח וידידותי יותר לסביבה עבור פרויקטים של אנרגיה ימית נקייה, כגון קשרי תחבורה חוצי-ים וחוות רוח ימיות.