Jūrinių konstrukcijų aprūpinimas „neperšaunamomis liemenėmis“ naudojant vulkanines uolienas? Daugiasluoksniai bazalto pluoštai nutraukia plieno pluoštų korozijos aklavietę

Jūrinius tiltus, giliavandenius terminalus, jūrinius vėjo jėgainių parkus... Nors šie vandenyne pastatyti „kolosalūs milžinai“ atrodo nuostabiai, jie kasdien patiria žiaurų bangų erozijos, druskų ir šarmų korozijos bei besikeičiančių drėgmės ir sausumo ciklų „žiaurų kankinimą“. Tokioje aplinkoje užtikrinant, kad sukietėjęs... Betoninės konstrukcijos išlikti nepažeistiems – nesudužusiems, neįtrūkusiems ar nesugedusiems – jau seniai yra keblus iššūkis pasaulinei inžinerijos bendruomenei.
Ilgą laiką Plieno pluoštasDažnai į betoną dedama plieninių pluoštų, siekiant padidinti jo tvirtumą ir išvengti įtrūkimų. Tačiau plieno pluoštai dažnai pasirodo esą netinkantys atšiaurioms druskos purslų ir jūros vandens sąlygoms; kai chlorido jonai prasiskverbia į betono plyšius, plieno pluoštai rūdija ir plečiasi, paradoksaliai sukeldami betono trūkinėjimą iš vidaus į išorę ir spartindami konstrukcijos griūtį.
Neseniai atliktas naujas medžiagų tyrimas, skirtas dideliam jūrų inžinerijos ilgaamžiškumui, pasiūlė labai perspektyvų sprendimą: bazalto pluoštai— pagamintas iš natūralių vulkaninių uolienų ištraukiant gijas, — gali būti naudojamas jūriniam betonui padengti „šarvų“ sluoksniu, kuris praktiškai nėra atsparus rūdijimui. Tai pasiekiama naudojant daugiamačio gradacijos modelį, kuriame derinami „dideli pluoštai struktūriniam surišimui“ ir „maži pluoštai poroms sandarinti“.

I. Vulkaninėse uolienose slypinčios apsaugos nuo korozijos paslaptys

Sprendžiant esminius esamų medžiagų trūkumus, ypač plieno pluoštų jautrumą rūdijimui ir organinių pluoštų (pvz., polipropileno ar polivinilo alkoholio) polinkį senti ir skaidytis šarminėje betono aplinkoje,Bazaltas Pluoštai pasižymi išskirtiniais medžiagų pranašumais. Jų pagrindinė struktūrinė struktūra, pagaminta itin aukštoje temperatūroje išlydant gryną natūralią vulkaninę uolieną ir ištraukiant ją į pluoštus, daugiausia sudaryta iš amorfinio silicio ir deguonies bei aliuminio ir deguonies jungčių tinklo. Ši natūrali, akmens pagrindu sukurta struktūra pasižymi itin dideliu cheminiu inertiškumu, kai yra veikiama stipriai šarminių betono porų skysčių ir didelio druskingumo jūros vandens aplinkos, taip iš esmės pašalindama fizinę riziką, susijusią su „korozija, rūdijimu ir tūriniu plėtimusi“. Siekiant didesnio atsparumo įtrūkimams ir nepralaidumo, naujausi tyrimai nukrypsta nuo tradicinės „vieno pluošto“ paradigmos ir vietoj jos siūlo „daugialypę homogeninę bazalto pluošto sistemą“:

Makrostruktūrinis susuktas Bazalto pluoštai (SBF): Stambios, ilgos ir susuktos skaidulos, išsklaidytos visoje matricoje; jų pagrindinė funkcija yra sujungti ir surišti esamus makro įtrūkimus, taip užtikrinant lenkiamąjį atsparumą ir tempiamąjį standumą po įtrūkimų.

Mikrostruktūriniai smulkinti bazalto mikropluoštai (NBF): smulkūs mikropluoštai, kurie, panašiai kaip smėlio grūdeliai, sandariai įsispaudžia į smulkias poras ir kanalus sukietėjusioje cemento matricoje, veiksmingai blokuodami jūros vandens prasiskverbimo kelius ir sustabdydami pradedamų mikroįtrūkimų plitimą.

Ši „šiurkštaus ir smulkaus derinio“ strategija sukuria tankų, sudėtingą tinklą, įaustą giliai betono konstrukcijoje – visapusišką gynybos mechanizmą, kuris vienu metu sprendžia ir nepralaidumo, ir įtrūkimų kontrolės problemas.

II. „Žiaurus“ 270 dienų šlapio ir sauso kelio dviračių testas

Siekdama nustatyti, ar šis naujas betonas gali būti „ilgaamžis“ jūrinėje aplinkoje, tyrėjų komanda sumodeliavo itin griežtą pakaitomis veikiančią drėgno ir sauso aplinką. Tai apėmė jūros vandens tirpalo koncentracijos padvigubinimą ir mėginių pakaitomis vykdomą džiovinimą aukštoje temperatūroje (45 °C temperatūroje) ir visišką prisotinimą – kiekvienas 24 valandų laikotarpis sudarė vieną pilną drėgno ir sauso ciklą.
Po 270 dienų trukusio šio varginančio išbandymo, betono pavyzdžiai, kuriuose buvo naudojamos skirtingos pluošto sistemos, parodė labai skirtingus eksploatacinius rezultatus:

Daugiasluoksnė hibridinė grupė, pagaminta iš vien bazalto (B15N02: t. y. 1,5 % šiurkščių pluoštų + 0,2 % mikropluošto): ši grupė pateikė išskirtinai įspūdingus rezultatus. Po 270 dienų jos ekvivalentinis lenkimo stiprio išlaikymo rodiklis siekė įspūdingus 76,14 %, o pradinis įtrūkimo stiprio išlaikymo rodiklis siekė 90,67 %. Be to, masės sumažėjimas dėl paviršiaus pleiskanojimo, kurį sukėlė jūros vandens poveikis, buvo vos 1,43 %. Susidūrus su aplinkos poveikiu, bendras medžiagos irimo procesas vyko itin lėtai ir palaipsniui.

Plieno pluošto hibridinė grupė (S15N02): Prieš korozijos pradžią ši grupė pademonstravo išskirtinai geras pradines lenkimo charakteristikas – tiesioginį pačių plieno pluoštų didelio standumo rezultatą. Tačiau po 270 dienų plieno pluoštu armuoto betono charakteristikos iš esmės ir drastiškai pasikeitė. Dėl didelio rūdijimo jo ekvivalentinis lenkimo stiprio išlaikymo rodiklis smarkiai sumažėjo iki 50,22 % (faktiškai perpus sumažindamas jo stiprumą); vėlesniuose etapuose išryškėjo aiškūs lokalizuoti rūdžių sukelti plėtimosi modeliai ir įtrūkimai.

III. Mikroskopinė akistata: kodėl plienas griūva, o bazaltas išlieka stabilus?

Skenuojančios elektroninės mikroskopijos (SEM) būdu užfiksuoti vaizdai tiesiogiai atskleidžia esminį dviejų medžiagų našumo skirtumų pobūdį:

Katastrofiškas plieno pluoštų pažeidimas: jūros vanduo ir deguonis lengvai prasiskverbia pro mikroskopines betono ertmes ir liečiasi su plienu, sukeldami stiprią elektrocheminę koroziją. Susidariusių rausvai rudų geležies rūdžių tūris išsiplečia 2–6,5 karto, palyginti su pradiniu dydžiu. Šis didžiulis vidinis slėgis tiesiogiai „stumia“ aplinkinę cementinę matricą, sukurdamas radialinių mikroįtrūkimų tinklą. Stiprėjant vidiniams pažeidimams, visiškai suyra jungtis tarp plieno pluoštų ir betono matricos; galiausiai, veikiant apkrovai, pluoštai lengvai ištraukiami arba nuslysta – visiškai arba iš dalies – ir praranda savo konstrukcinį tiltelinį standumą.

Švelnus prisitaikymas Bazalto pluoštaiBazalto pluoštai, veikiami jūros vandens, visiškai nedidina tūrio. Jų hidrolizės procesas, kuriam būdingas švelnus Si-O-Si jungčių tirpimas, vyksta itin lėtai, todėl nanoskalėje atsiranda tik nedidelis, lokalizuotas duobėjimas ir paviršiaus šiurkštumas. Šis subtilus paviršiaus šiurkštumas nepažeidžia matricos, o iš tikrųjų padidina pluoštų ir aplinkinio betono trintį.

Be to, betono mišinių konstrukcijose dažnai naudojami pramoniniai šalutiniai produktai, tokie kaip lakiieji pelenai ir šlakas, siekiant iš dalies pakeisti tradicinį cementą. Nors ši praktika 27 % sumažina anglies dioksido išmetimą gamybos metu, ji taip pat žymiai sumažina ilgalaikį betono šarmingumą. Tai efektyviai sukuria švelnią, „šarmams atsparią apsauginę kapsulę“ bazalto pluoštams, dar labiau sumažindama jų tirpimo greitį.

IV. Veikimas su įtrūkimais? Tai taip pat gali padėti išvengti žalos ateityje

Realiose inžinerijos srityse konstrukciniai komponentai neišvengiamai veikia „pažeistomis“ sąlygomis. Siekdama imituoti šią realybę, tyrėjų komanda dirbtinai sukūrė 0,1–0,3 mm pločio mikroįtrūkimus bandiniuose:

Plieno pluošto grupėje šie mikroįtrūkimai leido drėgmei tiesiogiai prasiskverbti į tempimo zoną; dėl to plieno pluoštai greitai prarado tiltelinį pajėgumą ir staigiai sumažino medžiagos tąsumą. Homogeninė daugiasluoksnė bazalto pluošto grupė pasižymi išskirtiniu atsparumu pažeidimams, kai įtrūkimo atsivėrimo diapazonas yra nuo 0,1 mm iki 0,2 mm, o tai pasiekiama dėl sinergetinio smulkių pluoštų „prisegimo“ ir stambių pluoštų „įtempimo“. Net kai jau esantys įtrūkimai išsiplečia iki 0,3 mm, medžiaga išlaiko aukštą lenkimo ir tempimo apkrovos lygį, taip sėkmingai padidindama pažeistų konstrukcijų saugos slenkstį jūrų inžinerijos srityje.

Išvada

Žvelgiant iš „gyvavimo ciklo sąnaudų“ (LCC) ir mažo anglies dioksido kiekio aplinkos tvarumo perspektyvų, nors bazalto pluoštai dėl specializuoto tempimo proceso gali pareikalauti šiek tiek didesnių pradinių įsigijimo išlaidų, jų praktiškai nereikalaujantis priežiūros pobūdis per visą eksploatavimo laiką suteikia didelių ilgalaikių privalumų. Per projekto eksploatavimo laikotarpį, kuris paprastai trunka nuo 50 iki 100 metų, jų naudojimas ne tik panaikina dideles, nenumatytas bendras išlaidas, susijusias su dažnu remontu ir antikorozinių dangų dengimu, bet ir gerokai sumažina konstrukcijos svorį, taip sutaupant transportavimo išlaidas ir didelių jūrinių įrengimo laivų frachtavimo mokesčius.

Šiais laikais, kai vienodai daug dėmesio skiriama anglies dioksido išmetimo mažinimui per visą projekto gyvavimo ciklą ir inžinerinės saugos užtikrinimui, šis „antikorozinis šarvas“, pagamintas iš vulkaninės uolienos, tampa saugesniu ir ekologiškesniu jūrinės švarios energijos projektų, tokių kaip tarpvalstybinės transporto jungtys ir jūriniai vėjo jėgainių parkai, sergėtoju.