Wulkan daşlaryny ulanyp, deňiz gurluşlaryny "ok geçirmeýän jiletler" bilen üpjün etmek? Köp ölçegli bazalt süýümleri polat süýümleri üçin korroziýa durgunlygyny aýyrýar

Deňiz köprüleri, çuň suw terminallary, deňiz ýel elektrik stansiýalary... Okeanda gurlan bu "ägirt ägirtler" görmek üçin ajaýyp bolsa-da, olar tolkun eroziýasynyň, duz we aşgar poslamasynyň we çygly-gurak siklleriň gündelik "rehimsiz gynamalaryna" çydap durýarlar. Şeýle gurşawda, gatylaşmagy üpjün etmek Beton konstruksiýalary döwülmezden, çatlamazdan ýa-da wagtyndan öň zaýalanmadan azat bolup galmak global inženerçilik jemgyýeti üçin uzak wagtlap kyn mesele bolup geldi.
Uzak wagtlap, Polad süýümibetonyň berkligini ýokarlandyrmak we çatlamagyň öňüni almak üçin köp halatlarda betona goşulýar. Şeýle-de bolsa, polat süýümleri köplenç duz püskürmesiniň we deňiz suwunyň agyr şertlerine laýyk gelmeýär; hlorid ionlary betonyň içindäki ýaryklara siňenden soň, polat süýümleri poslaýar we göwrümi giňelýär, bu bolsa paradoksal ýagdaýda betonyň içinden daşary çatlamagyna we gurluşyň ýykylmagynyň çaltlaşmagyna sebäp bolýar.
Ýakynda deňiz inženerçiligi üçin ýokary çydamlylyga gönükdirilen täze material barlagy örän geljegi uly çözgüt teklip etdi: bazalt süýümleri—tebigy wulkan daglaryndan sapaklary çekmek arkaly öndürilýän — deňiz betonyny paslanmaga garşy diýen ýaly immunitetli "sowut" gatlagy bilen örtmek üçin ulanylyp bilner. Bu "strukturalaýyn baglanyş üçin uly süýümleriň" we "gözenekleri ýapmak üçin kiçi süýümleriň" utgaşmasyny öz içine alýan köp ölçegli gradasiýa modeli arkaly amala aşyrylýar.

I. Wulkan gaýasynyň içinde gizlenen korroziýa garşy syrlar

Bar bolan materiallaryň möhüm kemçiliklerini, hususan-da, polat süýümleriniň poslamaga duýgurlygyny we organiki süýümleriň (meselem, polipropilen ýa-da poliwinil spirti) gidroksidi beton gurşawynda garramaga we zaýalanmaga meýilliligini çözmek —Bazalt Süýümler ajaýyp material artykmaçlyklaryny görkezýär. Arassa tebigy wulkan daşyny örän ýokary temperaturada eredip, ony süýümlere çekmek arkaly öndürilýän olaryň esasy gurluş çarçuwasy, esasan, kremniý-kislorod we alýumin-kislorod baglanyşyklarynyň amorf ulgamyndan ybarat. Bu tebigy, daş esasly gurluş betonyň içindeki güýçli alkali gözenek suwuklyklaryna we deňiz suwunyň ýokary duzly gurşawyna sezewar edilende örän ýokary himiki inertligi görkezýär we şeýdip "korroziýa, poslama we göwrümleýin giňelme" bilen baglanyşykly fiziki töwekgelçilikleri düýpli aradan aýyrýar. Ýokary derejeli çatlama garşylygyny we geçirmezligini gazanmak üçin, iň soňky barlaglar däp bolan "ýeke süýümli" paradigmadan aýrylýar we onuň ýerine "köp ölçegli birmeňzeş bazalt süýüm ulgamyny" teklip edýär:

Makrostrukturlaýyn Twisted Bazalt süýümleri (SBF): Matrisanyň ähli ýerine ýaýran gödek, uzyn we egri süýümler; olaryň esasy wezipesi bar bolan makro-ýaryklary köprülemek we birleşdirmek, şeýlelik bilen ýarykdan soňky egilme berkligini we dartgynlylyk berkligini üpjün etmekdir.

Mikrostrukturly Dogralan Bazalt Mikrofiberleri (NBF): Gum dänejikleri ýaly, gatylaşan sement matrisasynyň içindäki ownuk gözeneklere we kanallara berk ornaşan, deňiz suwunyň aralaşýan ýollaryny netijeli ýapýan we başlangyç mikro çatlaklaryň ýaýramagynyň öňüni alýan inçe mikrofiberler.

Bu "gödek we inçe utgaşyk" strategiýasy beton gurluşyň içinde çuňňur dokalan dykyz, çylşyrymly tor döredýär - bu bolsa geçirijiligi we çatlaklaryň gözegçiligini bir wagtyň özünde çözýän toplumlaýyn gorag mehanizmidir.

II. 270 günlük "rehimsiz" çygly-gurak welosiped synagy

Bu täze betonyň deňiz gurşawynda "uzyn ömürli" bolup biljekdigini anyklamak üçin, ylmy-barlag topary örän berk çygly-gurak gurşawyny simulýasiýa etdi. Bu deňiz suwunyň ergininiň konsentrasiýasyny iki esse artdyrmagy we nusgalary ýokary temperaturada guradyş (45°C-de) we doly doýgunlaşma sikllerine sezewar etmegi öz içine alýardy - her 24 sagatlyk döwür ýeke-täk doly çygly-gurak siklini emele getirýärdi.
Bu agyr synagyň 270 gününe çydap, dürli süýüm ulgamlaryny öz içine alýan beton nusgalary düýpli tapawutly iş netijelerini görkezdi:

Ähli Bazalt Köpölçegli Gibrid Topary (B15N02: ýagny 1,5% iri süýümler + 0,2% mikrosüýümler): Bu topar örän täsirli netijeleri berdi. 270 günden soň, onuň deň derejede egilme güýjüni saklamak derejesi ajaýyp 76,14% boldy, başlangyç çatlama güýjüni saklamak derejesi bolsa 90,67% -e ýetdi. Mundan başga-da, deňiz suwunyň täsirinden ýüze çykýan ýerüsti dökülmelere bagly massa ýitgisi bary-ýogy 1,43% boldy. Daşky gurşawyň howa täsirine duçar bolanda, umumy materialyň dargamagy prosesi örän haýal we kem-kemden dowam etdi.

Polat süýümli gibrid topary (S15N02): Korroziýa başlamazdan öň, bu topar başlangyç egilme görkezijisiniň adatdan daşary ýokarydygyny görkezdi - bu polat süýümleriniň özlerine mahsus ýokary berkliginiň gönüden-göni netijesidir. Şeýle-de bolsa, 270 günlük bellige çenli polat süýümli demir-beton öndürijilikde düýpli we düýpli üýtgeşiklige uçrady. Giňden poslama sebäpli, onuň egilme güýjüniň deň derejede saklanma derejesi 50,22% -e çenli pese gaçdy (güýjüniň iki esse azalmagy); soňky tapgyrlarda poslama sebäpli ýüze çykan aýdyň giňişlik şekilleri we ýaryklar aýdyň göründi.

III. Mikroskopiki çaknyşyk: Bazalt durnukly bolanda polat näme üçin çökýär?

Skanirleýji elektron mikroskopiýa (SEM) arkaly düşürilen suratlar iki materialyň arasyndaky öndürijilik tapawudynyň esasy tebigatyny gönüden-göni açyp görkezýär:

Polat süýümleriniň betbagtçylykly ýetmezçiligi: Deňiz suwy we kislorod betondaky mikroskopiki boşluklardan geçip, polat bilen degýär we güýçli elektrohimiki korroziýa döredýär. Netijede gyzyl-goňur demir posynyň möçberi asyl ölçeginiň 2-den 6,5 esse çenli giňelýär. Bu ägirt uly içki basyş töwerekdäki sement matrisasyna gönüden-göni "itekleýär" we radial mikro çatlaklaryň ulgamyny döredýär. Içki zeper güýçlenýän mahaly, polat süýümleri bilen beton matrisasynyň arasyndaky baglanyşyk doly derejede ýaramazlaşýar; ahyrsoňy, ýük astynda süýümler aňsatlyk bilen çekilip ýa-da süýşüp, doly ýa-da bölekleýin, şonuň üçin gurluş köprüsiniň berkligini ýitirýär.

Ýumşak adaptasiýa Bazalt süýümleriBazalt süýümleri deňiz suwuna düşende hiç hili göwrüm giňelmeýär. Si-O-Si baglanyşyklarynyň ýuwaşlyk bilen eremegi bilen häsiýetlendirilýän gidroliz prosesi örän haýal depginde dowam edýär we netijede diňe nano ölçegde kiçi, ýerli çukurlaryň we ýüzüň gödekleşmesine getirýär. Bu inçe ýüzüň gödekleşmesi matrisa zyýan ýetirmän, süýümler bilen daş-töweregindäki betonyň arasyndaky özara sürtülmäni güýçlendirýär.

Mundan başga-da, beton garyndysynyň dizaýnlarynda köplenç däp bolan sementiň ornuny tutmak üçin senagat önümleri, meselem, uçýan kül we şlak ýaly önümler ulanylýar. Bu tejribe önümçilik wagtynda uglerod zyňyndylaryny 27% azaldýan hem bolsa, betonyň uzak möhletli şelligini ep-esli peseldýär. Bu bolsa bazalt süýümleri üçin ýumşak, "şelge garşy gorag kapsulasyny" emele getirýär we olaryň ereme tizligini has-da peseldýär.

IV. Çatlaklar bilen işleýärmi? Şeýle hem, geljekde zyýanyň öňüni alyp biler

Hakyky dünýä inženerçilik ulanylyşlarynda, gurluş bölekleri hökman "şikeslenen" şertlerde işleýär. Bu hakykaty modelirlemek üçin, ylmy topar synag nusgalarynyň içinde ini 0,1 mm-den 0,3 mm-e çenli bolan mikro çatlaklary emeli usulda döretdi:

Polat süýüm toparynda bu mikro çatlaklaryň bolmagy çyglylygyň dartgyn zolagyna gönüden-göni aralaşmagyna mümkinçilik berdi; bu bolsa polat süýümleriniň köprülenmek ukybynyň çalt ýitmegine we materialyň çeýeliginiň çalt pese gaçmagyna getirdi. Birmeňzeş köp ölçegli bazalt süýüm topary 0,1 mm-den 0,2 mm-e çenli çatlak açylmagynyň aralygynda ajaýyp zyýana çydamlylygy görkezýär, bu bolsa inçe süýümler bilen "sançmak" we iri süýümler bilen "dartmak" ýaly sinergiki hereket arkaly gazanylýar. Öňünden bar bolan çatlaklar 0,3 mm-e çenli giňelende-de, material ýokary derejeli egilme-dartgyn ýük göterijiligini saklaýar we şeýdip deňiz inženerçilik ulanylyşlarynda zeper ýeten gurluşlar üçin howpsuzlyk çägini üstünlikli giňeldýär.

Netije

"Ömürlik döwrüniň bahasy (ÖDÇ)" we pes uglerodly ekologiýa durnuklylygy nukdaýnazaryndan, bazalt süýümleri ýöriteleşdirilen çekiş prosesi sebäpli başlangyç satyn alyş çykdajylarynyň birneme ýokary bolmagyna sebäp bolup bilse-de, olaryň hyzmat ediş möhletiniň dowamynda diýen ýaly "abatlaýyş işleri talap etmeýän" tebigaty uzak möhletli uly artykmaçlyklary hödürleýär. Taslamanyň iş döwründe - adatça 50 ýyldan 100 ýyla çenli - olaryň ulanylmagy diňe bir ýygy-ýygydan abatlaýyş işleri we korroziýa garşy örtükleriň ulanylmagy bilen baglanyşykly uly, garaşylmadyk umumy çykdajylary aradan aýyrmak bilen çäklenmän, eýsem gurluşyň öz agramyny hem ep-esli azaldýar, şeýlelik bilen ulag çykdajylaryny we uly möçberli deňiz gurnama gämileri üçin çarter töleglerini tygşytlaýar.

Taslamanyň ömrüniň dowamynda uglerod zyňyndylaryny azaltmaga we inženerçilik howpsuzlygyny üpjün etmäge deň derejede üns berilýän döwürde, wulkan daşlaryndan ýasalan bu "korroziýa garşy sowut" deňiz arkaly ulag gatnawlary we deňizdäki ýel elektrik stansiýalary ýaly deňiz arassa energiýa taslamalary üçin has howpsuz we ekologiýa taýdan arassa goragçy hökmünde öňe çykýar.