Jūras konstrukciju aprīkošana ar "ložu necaurlaidīgām vestēm", izmantojot vulkāniskos iežus? Daudzpakāpju bazalta šķiedras pārtrauc tērauda šķiedru korozijas strupceļu

Jūras tilti, dziļūdens termināļi, vēja elektrostacijas jūrā... Lai gan šie okeānā uzceltie "kolosālie giganti" ir brīnišķīgi, tie ikdienā iztur viļņu erozijas, sāls un sārmu korozijas, kā arī mainīgu mitruma un sausuma ciklu "nežēlīgās mokas". Šādā vidē, nodrošinot, ka sacietējis Betona konstrukcijas saglabāties neskartam — bez saplīšanas, plaisāšanas vai priekšlaicīgas atteices — jau sen ir bijis satraucošs izaicinājums pasaules inženieru kopienai.
Ilgu laiku Tērauda šķiedrabieži tiek iestrādāti betonā, lai uzlabotu izturību un novērstu plaisāšanu. Tomēr tērauda šķiedras bieži vien izrādās nepiemērotas skarbajiem sālsūdens un jūras ūdens apstākļiem; tiklīdz hlorīda joni iesūcas betona plaisās, tērauda šķiedras sarūsē un izplešas apjomā, paradoksālā kārtā izraisot betona plaisāšanu no iekšpuses uz āru un paātrinot konstrukcijas sabrukšanu.
Nesen veikts jauns materiālu pētījums, kas vērsts uz augstu izturību jūras inženierijā, ir piedāvājis ļoti daudzsološu risinājumu: bazalta šķiedras— iegūts, no dabīgiem vulkāniskajiem iežiem izvelkot šķiedras, — var izmantot, lai jūras betonu apšūtu ar "bruņu" slāni, kas praktiski ir imūns pret rūsu. Tas tiek panākts, izmantojot daudzpakāpju gradācijas modeli, kurā apvienotas "lielas šķiedras strukturālai savienošanai" un "mazas šķiedras poru blīvēšanai".

I. Pretkorozijas noslēpumi, kas paslēpti vulkāniskajos iežos

Risinot esošo materiālu kritiskos trūkumus, īpaši tērauda šķiedru uzņēmību pret rūsēšanu un organisko šķiedru (piemēram, polipropilēna vai polivinilspirta) novecošanās un degradācijas tendenci sārmainā betona vidē,Bazalts Šķiedras demonstrē izcilas materiālu priekšrocības. Tās tiek ražotas, kausējot tīru dabisko vulkānisko iežu īpaši augstā temperatūrā un ievelkot to šķiedrās, un to pamata strukturālais karkass galvenokārt sastāv no amorfa silīcija-skābekļa un alumīnija-skābekļa saišu tīkla. Šī dabiskā, uz akmens bāzes veidotā struktūra uzrāda ārkārtīgi augstu ķīmisko inerci, ja tā tiek pakļauta betona stipri sārmainajiem poru šķidrumiem un jūras ūdens sāļuma videi, tādējādi principiāli novēršot fiziskos riskus, kas saistīti ar "korozi, rūsēšanu un tilpuma izplešanos". Lai panāktu izcilu izturību pret plaisām un necaurlaidību, jaunākie pētījumi atkāpjas no tradicionālās "vienšķiedras" paradigmas, tā vietā piedāvājot "daudzpakāpju homogēnu bazalta šķiedru sistēmu":

Makrostrukturāls savīts Bazalta šķiedras (SBF): Rupjas, garas un savītas šķiedras, kas izkliedētas visā matricā; to galvenā funkcija ir savienot un savienot esošās makroplaisas, tādējādi nodrošinot pēcplaisāšanas lieces izturību un stiepes stingrību.

Mikrostrukturālas sasmalcinātas bazalta mikrošķiedras (NBF): smalkas mikrošķiedras, kas, līdzīgi kā smilšu graudi, cieši iespiežas sīkajās porās un kanālos sacietējušajā cementa matricā, efektīvi bloķējot jūras ūdens iekļūšanas ceļus un apturot sākotnēju mikroplaisu izplatīšanos.

Šī "rupjās un smalkās kombinācijas" stratēģija rada blīvu, sarežģītu tīmekli, kas ieausts dziļi betona konstrukcijā — visaptverošu aizsardzības mehānismu, kas vienlaikus risina gan necaurlaidības, gan plaisu kontroles problēmas.

II. "Brutāls" 270 dienu mitrā un sausā ceļa riteņbraukšanas tests

Lai noteiktu, vai šis jaunais betons varētu sasniegt "ilgmūžību" jūras vidē, pētnieku komanda simulēja ārkārtīgi skarbu mainīgu mitrā-žāvēšanas vidi. Tas ietvēra jūras ūdens šķīduma koncentrācijas dubultošanu un paraugu pakļaušanu mainīgiem augstas temperatūras žāvēšanas (45°C temperatūrā) un pilnīgas piesātināšanas cikliem, katram 24 stundu periodam veidojot vienu pilnīgu mitrā-žāvēšanas ciklu.
Pēc 270 dienu ilga šī nogurdinošā pārbaudījuma betona paraugiem, kuros bija iekļautas dažādas šķiedru sistēmas, bija ļoti atšķirīgi veiktspējas rezultāti:

Pilnībā bazalta daudzpakāpju hibrīda grupa (B15N02: t. i., 1,5 % rupjo šķiedru + 0,2 % mikrošķiedru): šī grupa uzrādīja ārkārtīgi iespaidīgus rezultātus. Pēc 270 dienām tās ekvivalentā lieces stiprības saglabāšanas rādītājs bija ievērojams — 76,14 %, savukārt sākotnējā plaisāšanas stiprības saglabāšanas rādītājs sasniedza 90,67 %. Turklāt masas zudums, kas saistīts ar virsmas šķembām jūras ūdens iedarbības rezultātā, bija tikai 1,43 %. Saskaroties ar vides atmosfēras iedarbību, kopējais materiāla degradācijas process noritēja ārkārtīgi lēni un pakāpeniski.

Tērauda šķiedru hibrīdgrupa (S15N02): Pirms korozijas sākuma šī grupa uzrādīja ārkārtīgi augstu sākotnējo lieces izturību — tiešs tērauda šķiedru raksturīgās augstās stingrības rezultāts. Tomēr pēc 270 dienām tērauda šķiedru armētais betons bija piedzīvojis fundamentālu un krasu veiktspējas maiņu. Plašas rūsēšanas dēļ tā ekvivalentā lieces izturības saglabāšanas rādītājs strauji samazinājās līdz 50,22% (faktiski samazinot tā izturību uz pusi); vēlākajos posmos kļuva redzami atšķirīgi lokalizēti rūsas izraisīti izplešanās modeļi un plaisas.

III. Mikroskopiska cīņa: kāpēc tērauds sabrūk, kamēr bazalts paliek stabils?

Ar skenējošās elektronmikroskopijas (SEM) palīdzību uzņemtie attēli tieši atklāj abu materiālu veiktspējas atšķirību fundamentālo būtību:

Katastrofāls tērauda šķiedru bojājums: jūras ūdens un skābeklis viegli iekļūst caur mikroskopiskiem tukšumiem betonā, nonākot saskarē ar tēraudu, izraisot smagu elektroķīmisko koroziju. Iegūtās sarkanbrūnās dzelzs rūsas apjoms izplešas 2 līdz 6,5 reizes vairāk nekā sākotnēji. Šis milzīgais iekšējais spiediens tieši "spiež" pret apkārtējo cementa matricu, radot radiālu mikroplaisu tīklu. Iekšējiem bojājumiem pastiprinoties, saite starp tērauda šķiedrām un betona matricu pilnībā noārdās; galu galā slodzes ietekmē šķiedras var viegli izrauties vai izslīdēt — pilnībā vai daļēji —, tādējādi zaudējot savu strukturālo tilta stingrību.

Maiga adaptācija Bazalta šķiedrasBazalta šķiedras, pakļaujoties jūras ūdenim, neuzrāda nekādu tilpuma palielināšanos. To hidrolīzes process, kam raksturīga Si-O-Si saišu maiga izšķīšana, notiek ārkārtīgi lēni, kā rezultātā rodas tikai neliela, lokalizēta bedrainība un virsmas raupjums nanoskalā. Šī smalkā virsmas raupjuma veidošanās nevis bojā matricu, bet gan palielina berzi starp šķiedrām un apkārtējo betonu.

Turklāt betona maisījumu konstrukcijās bieži tiek iekļauti rūpniecības blakusprodukti, piemēram, pelni un izdedži, lai daļēji aizstātu tradicionālo cementu. Lai gan šī prakse samazina oglekļa emisijas ražošanas laikā par 27%, tā arī ievērojami pazemina betona ilgtermiņa sārmainību. Tas efektīvi rada maigu, "sārmiem izturīgu aizsargkapsulu" bazalta šķiedrām, vēl vairāk samazinot to šķīšanas ātrumu.

IV. Darbība ar plaisām? Tas var arī novērst turpmākus bojājumus

Reālās pasaules inženiertehniskajos pielietojumos konstrukcijas komponenti neizbēgami darbojas "bojātu" apstākļu ietekmē. Lai simulētu šo realitāti, pētnieku komanda testa paraugos mākslīgi izraisīja mikroplaisas platumā no 0,1 mm līdz 0,3 mm:

Tērauda šķiedru grupā šo mikroplaisu klātbūtne ļāva mitrumam tieši iesūkties stiepes zonā; tas noveda pie tērauda šķiedru tilta spējas strauja zuduma un materiāla plastiskuma straujas samazināšanās. Homogēnā daudzpakāpju bazalta šķiedru grupa demonstrē izcilu bojājumu toleranci plaisu atvēruma diapazonā no 0,1 mm līdz 0,2 mm, kas panākta, pateicoties smalko šķiedru "piespraušanas" un rupjo šķiedru "saspiešanas" sinerģiskai darbībai. Pat tad, ja iepriekš esošās plaisas paplašinās līdz 0,3 mm, materiāls saglabā augstu lieces un stiepes nestspējas līmeni, tādējādi veiksmīgi palielinot drošības slieksni bojātām konstrukcijām kuģu inženierijas pielietojumos.

Secinājums

No "dzīves cikla izmaksu (LCC)" un zema oglekļa emisiju vides ilgtspējības viedokļa, lai gan bazalta šķiedras var radīt nedaudz augstākas sākotnējās iepirkuma izmaksas to specializētā stiepšanas procesa dēļ, to praktiski "bezapkopes" raksturs visā to kalpošanas laikā sniedz ievērojamas ilgtermiņa priekšrocības. Projekta ekspluatācijas laikā, kas parasti ir no 50 līdz 100 gadiem, to izmantošana ne tikai novērš ievērojamas, neparedzētas kopējās izmaksas, kas saistītas ar biežu remontu un pretkorozijas pārklājumu uzklāšanu, bet arī ievērojami samazina konstrukcijas pašsvaru, tādējādi ietaupot transporta izdevumus un liela mēroga jūras iekārtu uzstādīšanas kuģu čartera maksu.

Laikmetā, kad vienlīdz liels uzsvars tiek likts uz oglekļa emisiju samazināšanu visā projekta dzīves ciklā un inženiertehniskās drošības nodrošināšanu, šī "pretkorozijas bruņa", kas izgatavota no vulkāniskajiem iežiem, kļūst par drošāku un videi draudzīgāku sargu jūras tīras enerģijas projektiem, piemēram, jūras transporta savienojumiem un jūras vēja parkiem.