Теңіз құрылымдарын жанартау жыныстарын пайдаланып «оқ өткізбейтін желеткелермен» жабдықтау? Көп өлшемді базальт талшықтары болат талшықтарының коррозияға ұшырауын тоқтатады

Теңіз көпірлері, терең су терминалдары, теңіз жел электр станциялары... Мұхитта салынған бұл «алып алыптар» көзге керемет көрінгенімен, олар толқын эрозиясының, тұз бен сілті коррозиясының және кезектесіп тұратын ылғалды-құрғақ циклдердің күнделікті «қатал азабына» төтеп береді. Мұндай ортада шыңдалғанды ​​қамтамасыз ету... Бетон конструкциялары бүтіндігін сақтау — сынбау, жарылмау немесе мерзімінен бұрын істен шығу — жаһандық инженерлік қауымдастық үшін ұзақ уақыт бойы күрделі мәселе болып келді.
Узақ уақытқа, Болат талшығыбетонға беріктікті арттыру және жарылудың алдын алу үшін жиі қосылады. Дегенмен, болат талшықтары тұз шашыраңқы және теңіз суының қатал жағдайларына жиі сәйкес келмейді; хлорид иондары бетон ішіндегі жарықтарға енгеннен кейін, болат талшықтары тот басып, көлемін кеңейтеді, бұл парадоксалды түрде бетонның ішінен сыртқа қарай жарылуына және құрылымдық құлауды жеделдетуге әкеледі.
Жақында теңіз инженериясының жоғары беріктігіне бағытталған жаңа материалдық зерттеу өте перспективалы шешім ұсынды: базальт талшықтары—табиғи жанартау жыныстарынан жіптерді тарту арқылы алынған — теңіз бетонын тот басуға төзімді «сауыт» қабатымен қаптау үшін пайдалануға болады. Бұған «құрылымдық байланыстыруға арналған үлкен талшықтар» және «кеуектерді тығыздауға арналған ұсақ талшықтар» тіркесімін қамтитын көп масштабты градация моделі арқылы қол жеткізіледі.

I. Жанартау жыныстарының ішінде жасырынған коррозияға қарсы құпиялар

Қолданыстағы материалдарға тән маңызды кемшіліктерді, атап айтқанда, болат талшықтарының тот басуға бейімділігін және органикалық талшықтардың (мысалы, полипропилен немесе поливинил спирті) сілтілі бетон ортасында қартаюға және ыдырауға бейімділігін жою.Базальт Талшықтар ерекше материалдық артықшылықтарды көрсетеді. Таза табиғи жанартау жыныстарын аса жоғары температурада балқытып, оны талшықтарға айналдыру арқылы өндірілген олардың негізгі құрылымдық құрылымы негізінен кремний-оттегі және алюминий-оттегі байланыстарының аморфты желісінен тұрады. Бұл табиғи, тас негізіндегі құрылым бетон ішіндегі күшті сілтілі кеуек сұйықтықтарына және теңіз суының жоғары тұзды ортасына ұшыраған кезде өте жоғары химиялық инерттілік көрсетеді, осылайша «коррозия, тот басу және көлемдік кеңею» сияқты физикалық тәуекелдерді түбегейлі жояды. Жарықтарға төзімділік пен өткізбеушіліктің жоғары деңгейіне жету үшін соңғы зерттеулер дәстүрлі «бір талшықты» парадигмадан алшақтап, оның орнына «көп масштабты біртекті базальт талшықтар жүйесін» ұсынады:

Макроқұрылымдық бұралған Базальт талшықтары (SBF): Матрица бойымен шашыраңқы орналасқан дөрекі, ұзын және бұралған талшықтар; олардың негізгі қызметі - бар макрожарықтарды көпірмен байланыстыру және байланыстыру, осылайша жарылудан кейінгі иілу беріктігі мен созылу қаттылығын қамтамасыз ету.

Микроқұрылымдық туралған базальт микроталшықтары (NBF): Құм түйіршіктері сияқты, қатайтылған цемент матрицасының ішіндегі ұсақ тесіктер мен каналдарға тығыз орналасатын, теңіз суының ену жолдарын тиімді түрде жауып, бастапқы микрожарықтардың таралуын тоқтататын ұсақ микроталшықтар.

Бұл «ірі және ұсақ үйлесім» стратегиясы бетон құрылымының ішінде терең өрілген тығыз, күрделі торды жасайды - бұл өткізбейтіндік пен жарықшақтарды бақылауды бір мезгілде шешетін кешенді қорғаныс механизмі.

II. 270 күндік «қатал» ылғалды-құрғақ велосипед сынағы

Бұл жаңа бетонның теңіз ортасында «ұзақ қызмет ете алатынын» анықтау үшін зерттеу тобы өте қатаң кезектесіп келетін ылғалды-құрғақ ортаны модельдеді. Бұл теңіз суы ерітіндісінің концентрациясын екі есеге арттыруды және үлгілерді жоғары температурада кептіру (45°C температурада) және толық қанығудың кезектесіп циклдеріне ұшыратуды қамтыды, бұл ретте әрбір 24 ​​сағаттық кезең бір толық ылғалды-құрғақ циклді құрайды.
Осы ауыр сынақтың 270 күніне төтеп бергеннен кейін, әртүрлі талшықты жүйелерді қамтитын бетон үлгілері айтарлықтай әртүрлі өнімділік нәтижелерін көрсетті:

Толық базальтты көп масштабты гибридті топ (B15N02: яғни 1,5% ірі талшықтар + 0,2% микроталшықтар): Бұл топ ерекше әсерлі нәтижелер берді. 270 күннен кейін оның иілу беріктігінің баламалы сақталу деңгейі 76,14% құрады, ал бастапқы жарықшақтану беріктігінің сақталу деңгейі 90,67%-ға жетті. Сонымен қатар, теңіз суының әсерінен беткі қабаттың шашырауынан болатын массаның жоғалуы небәрі 1,43% болды. Қоршаған ортаның ауа райының әсеріне тап болған кезде, материалдың жалпы ыдырау процесі өте баяу және біртіндеп жүрді.

Болат талшықтарының гибридті тобы (S15N02): Коррозия басталғанға дейін бұл топ бастапқы иілу қабілетінің ерекше жоғары екенін көрсетті - бұл болат талшықтарының өздерінің жоғары қаттылығының тікелей нәтижесі. Дегенмен, 270 күндік белгіге қарай болат талшықтарымен арматураланған бетон өнімділікте түбегейлі және күрт кері кетуге ұшырады. Тот басудың көптігіне байланысты оның иілу күшін сақтаудың баламалы деңгейі 50,22%-ға дейін төмендеді (бұл оның беріктігін екі есеге азайтады); кейінгі кезеңдерде тот басудан туындаған айқын жергілікті кеңею үлгілері мен жарықтар айқын көрінді.

III. Микроскопиялық шолу: Базальт тұрақты болып тұрғанда болат неге құлайды?

Сканерлеуші ​​электронды микроскопия (SEM) арқылы түсірілген суреттер екі материал арасындағы өнімділік айырмашылығының негізгі сипатын тікелей көрсетеді:

Болат талшықтарының апатты істен шығуы: Теңіз суы мен оттегі бетондағы микроскопиялық қуыстар арқылы оңай еніп, болатпен жанасады, бұл ауыр электрохимиялық коррозияны тудырады. Пайда болған қызғылт-қоңыр темір татының көлемі бастапқы өлшемінен 2-ден 6,5 есеге дейін кеңейеді. Бұл үлкен ішкі қысым айналадағы цемент матрицасына тікелей «итеріп», радиалды микрожарықтар желісін тудырады. Ішкі зақымдану күшейген сайын болат талшықтары мен бетон матрицасы арасындағы байланыс толығымен ыдырайды; сайып келгенде, жүктеме кезінде талшықтар оңай тартылып немесе сырғып кетуге бейім - толығымен немесе ішінара - осылайша құрылымдық көпір қаттылығын жоғалтады.

Жұмсақ бейімделу Базальт талшықтарыБазальт талшықтары теңіз суына ұшыраған кезде көлемнің кеңеюін мүлдем көрсетпейді. Олардың гидролиз процесі - Si-O-Si байланыстарының ақырын еруімен сипатталады - өте баяу қарқынмен жүреді, нәтижесінде наноөлшемде тек аздаған жергілікті шұңқырлар мен беткі кедір-бұдыр пайда болады. Матрицаны зақымдаудан алыс, бұл нәзік беткі кедір-бұдырлық талшықтар мен айналасындағы бетон арасындағы өзара үйкелісті күшейтеді.

Сонымен қатар, бетон қоспаларының конструкциялары дәстүрлі цементті ішінара ауыстыру үшін көбінесе өнеркәсіптік қосалқы өнімдерді, мысалы, ұшатын күл мен қожды қосады. Бұл тәжірибе өндіріс кезінде көміртегі шығарындыларын 27%-ға азайтқанымен, бетонның ұзақ мерзімді сілтілігін айтарлықтай төмендетеді. Бұл базальт талшықтары үшін жұмсақ, «сілтілі төзімді қорғаныс капсуласын» тиімді түрде жасайды, олардың еру жылдамдығын одан әрі төмендетеді.

IV. Жарықтармен жұмыс істей ме? Ол болашақтағы зақымданулардың алдын ала алады

Нақты әлемдегі инженерлік қолданбаларда құрылымдық компоненттер сөзсіз «зақымдалған» жағдайларда жұмыс істейді. Бұл шындықты модельдеу үшін зерттеу тобы сынақ үлгілерінде ені 0,1 мм-ден 0,3 мм-ге дейінгі микрожарықтарды жасанды түрде тудырды:

Болат талшықтары тобында бұл микрожарықтардың болуы ылғалдың созылу аймағына тікелей енуіне мүмкіндік берді; бұл болат талшықтарының көпірлік қабілетінің тез жоғалуына және материалдың икемділігінің күрт төмендеуіне әкелді. Біртекті көп масштабты базальт талшықтары тобы 0,1 мм-ден 0,2 мм-ге дейінгі жарықшақтардың ашылу диапазонында ерекше зақымдануға төзімділікті көрсетеді, бұл жұқа талшықтармен «түйреу» және ірі талшықтармен «кернеу» синергетикалық әрекеті арқылы қол жеткізіледі. Алдын ала бар жарықтар 0,3 мм-ге дейін кеңейген кезде де, материал иілу-созылу жүктемесін көтерудің жоғары деңгейін сақтайды, осылайша теңіз инженериясында зақымдалған құрылымдар үшін қауіпсіздік шегін сәтті кеңейтеді.

Қорытынды

«Өмірлік цикл құны (ӨЦҚ)» және төмен көміртекті экологиялық тұрақтылық тұрғысынан алғанда, базальт талшықтары мамандандырылған тарту процесіне байланысты бастапқы сатып алу шығындарын сәл жоғарылатуы мүмкін болса да, олардың қызмет ету мерзімі ішінде іс жүзінде «техникалық қызмет көрсетуді қажет етпейтін» сипаты ұзақ мерзімді айтарлықтай артықшылықтар береді. Жобаның пайдалану кезеңінде — әдетте 50 жылдан 100 жылға дейін — оларды пайдалану жиі жөндеумен және коррозияға қарсы жабындарды қолданумен байланысты айтарлықтай, күтпеген жалпы шығындарды жойып қана қоймай, сонымен қатар құрылымдық өзіндік салмақты айтарлықтай азайтады, осылайша тасымалдау шығындарын және ірі көлемді теңіз орнату кемелері үшін жалдау ақысын үнемдейді.

Жобаның өмірлік циклі бойы көміртегі шығарындыларын азайтуға және инженерлік қауіпсіздікті қамтамасыз етуге бірдей баса назар аударылатын дәуірде жанартау жыныстарынан жасалған бұл «коррозияға қарсы сауыт» теңіз арқылы тасымалдау байланыстары мен теңіз жел электр станциялары сияқты теңіздегі таза энергия жобалары үшін қауіпсіз және экологиялық таза қорғаушы ретінде пайда болуда.