Вулкан ташларын кулланып, диңгез корылмаларын "пуля үткәрми торган жилетлар" белән җиһазлаумы? Күп масштаблы базальт җепселләре корыч җепселләре өчен коррозия тупигын бетерә

Диңгез аша үтүче күперләр, тирән су терминаллары, диңгез җил электр станцияләре... Океанда төзелгән бу "зур гигантлар" күзгә күренерлек матур булса да, алар көн саен дулкын эрозиясенең, тоз һәм селте коррозиясенең, шулай ук ​​чиратлашып дымлы-коры циклларның "рәхимсез җәфалануына" дучар булалар. Мондый мохиттә, катып калуны тәэмин итү Бетон конструкцияләр бөтен килеш — ватылмыйча, ярылмыйча яки вакытыннан алда җимерелмичә — сакланып калу глобаль инженерлык җәмгыяте өчен күптәннән авыр бурыч булып тора.
Озак вакыт дәвамында, Корыч җепселбетонга ныклыкны арттыру һәм ярылуны булдырмас өчен еш кына кушыла. Ләкин, корыч җепселләре еш кына тоз сиптерү һәм диңгез суының каты шартларына яраксыз булып чыга; хлорид ионнары бетон ярыкларына үтеп кергәч, корыч җепселләре тута һәм күләме арта, парадоксаль рәвештә бетонның эчтән тышка ярылуына китерә һәм конструкциянең җимерелүен тизләтә.
Күптән түгел диңгез инженериясе өчен югары ныклыкка юнәлтелгән яңа материал тикшеренүе бик өметле чишелеш тәкъдим итте: базальт җепселләре—табигый вулкан токымнарыннан җепләр тарту юлы белән җитештерелгән — диңгез бетонын дат басуга каршы диярлек "броня" катламы белән каплау өчен кулланылырга мөмкин. Моңа "структура бәйләнеше өчен зур җепселләр" һәм "тишекләрне герметизацияләү өчен кечкенә җепселләр" комбинациясен үз эченә алган күп масштаблы градация моделе аша ирешелә.

I. Вулкан ташлары эчендә яшеренгән коррозиягә каршы серләр

Гамәлдәге материалларга хас булган мөһим кимчелекләрне, аеруча корыч җепселләренең дат басуга бирешүчәнлеген һәм органик җепселләрнең (мәсәлән, полипропилен яки поливинил спирты) селтеле бетон мохитендә картаю һәм таркалу тенденциясен бетерү.Базальт җепселләр материалның гаҗәеп өстенлекләрен күрсәтә. Саф табигый вулкан ташларын бик югары температураларда эретеп, аны җепселләргә тарту юлы белән җитештерелгән аларның төп структурасы, нигездә, кремний-кислород һәм алюминий-кислород бәйләнешләренең аморф челтәреннән тора. Бу табигый, таш нигезендәге структура бетон эчендәге көчле селтеле мәсамә сыеклыкларына һәм диңгез суының югары тозлы мохитенә дучар булганда бик югары химик инертлык күрсәтә, шуның белән "коррозия, датлану һәм күләм киңәю" белән бәйле физик куркынычларны төптән бетерә. Югары ярыкларга чыдамлыкка һәм үткәрмәүгә ирешү өчен, соңгы тикшеренүләр традицион "бер җепселле" парадигмадан аерылып, аның урынына "күп масштаблы гомоген базальт җепселләре системасы"н тәкъдим итә:

Макроструктур борылышлы Базальт җепселләре (SBF): Матрица буйлап таралган тупас, озын һәм бөгелгән җепселләр; аларның төп функциясе - булган макро-ярыкларны бергә бәйләү һәм күперләү, шуның белән ярылудан соңгы бөгелү ныклыгы һәм тарту катылыгы тәэмин итү.

Микроструктуралы вакланган базальт микроҗепселләре (NBF): Ком бөртекләре кебек үк, каты цемент матрицасы эчендәге вак тишекләргә һәм каналларга тыгыз урнашкан, диңгез суы үтеп керү юлларын нәтиҗәле рәвештә яба һәм башлангыч микро ярыкларның таралуын туктата торган вак микроҗепселләр.

Бу "тупас һәм нечкә кушылу" стратегиясе бетон конструкция эчендә тирән үрелгән тыгыз, катлаулы челтәр булдыра - ул бер үк вакытта үткәрмәүчәнлекне һәм ярыкларны контрольдә тотуны тәэмин итүче комплекслы саклау механизмы.

II. 270 көнлек "рәхимсез" дымлы-коры велосипед сынауы

Бу яңа бетонның диңгез мохитендә "озак хезмәт итә алуын" билгеләү өчен, тикшеренү төркеме бик катгый чиратлашып торган дымлы-коры мохитне симуляцияләде. Бу диңгез суы эремәсенең концентрациясен икеләтә арттыруны һәм үрнәкләрне югары температурада киптерү (45°C температурада) һәм тулы туендыру циклларына дучар итүне үз эченә алды - һәр 24 сәгатьлек чор бер тулы дымлы-коры циклны тәшкил итә.
Бу авыр сынауның 270 көнен кичергәннән соң, төрле җепсел системаларын үз эченә алган бетон үрнәкләре бик төрле нәтиҗәләр күрсәтте:

Барлык Базальтлы Күпмасштаблы Гибрид Төркем (B15N02: ягъни 1,5% эре җепселләр + 0,2% микроҗепселләр): Бу төркем гаҗәеп тәэсирле нәтиҗәләр бирде. 270 көннән соң, аның эквивалент бөкләнү ныклыгын саклау дәрәҗәсе гаҗәеп 76,14% тәшкил итте, ә башлангыч ярылу ныклыгын саклау дәрәҗәсе 90,67% ка җитте. Моннан тыш, диңгез суы тәэсире аркасында өслекнең селкенүе аркасында масса югалту нибары 1,43% тәшкил итте. Әйләнә-тирә мохитнең һава торышы белән очрашканда, материалның гомуми таркалу процессы бик әкрен һәм әкрен темпта барды.

Корыч җепселләре гибрид төркеме (S15N02): Коррозия башланганчы, бу төркем башта гаять югары бөгелеш күрсәткечләрен күрсәтте - бу корыч җепселләренең үзләренең югары катылыгының турыдан-туры нәтиҗәсе. Ләкин, 270 көнлек билгегә корыч җепселләре белән ныгытылган бетон эшчәнлегенең төп һәм кискен үзгәрешенә дучар булды. Күп датлану аркасында, аның эквивалент бөгелеш ныклыгын саклау күрсәткече 50,22% ка кадәр кимеде (бу аның ныклыгын ике тапкыр киметә); соңгы этапларда дат аркасында барлыкка килгән киңәю үрнәкләре һәм ярыклар ачык күренде.

III. Микроскопик каршылык: Ни өчен корыч базальт тотрыклы булып калганда җимерелә?

Сканерлаучы электрон микроскопия (SEM) аша төшерелгән рәсемнәр ике материал арасындагы эшчәнлек аермасының төп табигатен турыдан-туры күрсәтә:

Корыч җепселләренең һәлакәтле җимерелүе: Диңгез суы һәм кислород бетондагы микроскопик бушлыклар аша корыч белән бәйләнешкә кереп, көчле электрохимик коррозиягә китерә. Нәтиҗәдә кызыл-көрән тимер датының күләме башлангыч зурлыгыннан 2 дән 6,5 тапкырга кадәр арта. Бу зур эчке басым турыдан-туры тирә-юньдәге цемент матрицасына "этеп", радиаль микроярыклар челтәрен барлыкка китерә. Эчке зыян көчәйгән саен, корыч җепселләре һәм бетон матрицасы арасындагы бәйләнеш тулысынча начарлана; нәтиҗәдә, йөкләнеш астында җепселләр җиңел генә тартылырга яки тайпылырга мөмкин - тулысынча яки өлешчә - шуның белән үзләренең структураль күпер катылыгын югалта.

Йомшак адаптация Базальт җепселләреБазальт җепселләре диңгез суы белән тәэсир иткәндә күләм киңәюен бөтенләй күрсәтми. Аларның гидролиз процессы - Si-O-Si бәйләнешләренең йомшак эрүе белән характерлана - бик әкрен темпта бара, нәтиҗәдә нано масштабта кечкенә, локаль чокырлар һәм өслекнең тупаслануы гына барлыкка килә. Бу нечкә өслек тупаслануы матрицага зыян китерүдән ерак, чынлыкта җепселләр һәм тирә-юньдәге бетон арасындагы үзара ышкылуны көчәйтә.

Моннан тыш, бетон катнашмасы конструкцияләрендә еш кына сәнәгать өстәмә продуктлары - мәсәлән, очучы көл һәм шлак - кулланыла, бу традицион цементны өлешчә алыштыра. Бу практика җитештерү вакытында углерод чыгаруны 27% ка киметсә дә, бетонның озак вакытлы селтелелеген сизелерлек киметә. Бу базальт җепселләре өчен йомшак, "селтелегә чыдам саклагыч капсула" булдыра, аларның эрү тизлеген тагын да киметә.

IV. Ярыклар белән эшлиме? Ул киләчәктә зыянны да булдырмаска мөмкин

Чынбарлыктагы инженерлык кушымталарында, структура компонентлары һичшиксез "җирәхәтләнгән" шартларда эшли. Бу чынбарлыкны модельләштерү өчен, тикшеренү төркеме сынау үрнәкләрендә 0,1 мм дан 0,3 мм га кадәр киңлектәге микро-ярыкларны ясалма рәвештә барлыкка китергән:

Корыч җепселләре төркемендә бу микро-ярыкларның булуы дымның турыдан-туры тартылу зонасына үтеп керүенә мөмкинлек бирде; бу корыч җепселләренең күперләү сәләтен тиз югалтуга һәм материалның сыгылучанлыгының кискен кимүенә китерде. Бер төрле күп масштаблы базальт җепселләре төркеме 0,1 мм дан 0,2 мм га кадәрге ярык ачылу диапазонында гадәттән тыш зыянга чыдамлык күрсәтә, бу нечкә җепселләр белән "беркетү" һәм эре җепселләр белән "тарту" синергетик тәэсире аша ирешелә. Хәтта булган ярыклар 0,3 мм га кадәр киңәйгәндә дә, материал югары дәрәҗәдәге бөгелеш-тарту йөк күтәрүчәнлеген саклый, шуның белән диңгез инженериясендә зыян күргән корылмалар өчен куркынычсызлык чиген уңышлы киңәйтә.

Йомгак

"Тормыш циклы бәясе (LCC)" һәм түбән углеродлы әйләнә-тирә мохитнең тотрыклылыгы ягыннан караганда, базальт җепселләре махсуслаштырылган тарту процессы аркасында башлангыч сатып алу чыгымнарын бераз югарырак таләп итсә дә, аларның хезмәт итү вакыты дәвамында "хезмәт күрсәтүне таләп итмичә" булуы озак вакытлы өстенлекләр бирә. Проектның эксплуатация чорында - гадәттә 50 елдан 100 елга кадәр - аларны куллану еш ремонтлау һәм коррозиягә каршы каплаулар куллану белән бәйле көтелмәгән гомуми чыгымнарны гына түгел, ә конструкциянең үз авырлыгын да сизелерлек киметә, шуның белән транспорт чыгымнарын һәм зур күләмле диңгез урнаштыру суднолары өчен аренда түләүләрен экономияли.

Проектның гомер циклы дәвамында углерод чыгаруларын киметүгә һәм инженерлык куркынычсызлыгын тәэмин итүгә тигез игътибар бирелгән чорда, вулкан токымнарыннан эшләнгән бу "коррозиягә каршы броня" диңгез аша транспорт элемтәләре һәм диңгез җил электр станцияләре кебек диңгез чиста энергия проектлары өчен куркынычсызрак һәм экологик яктан чистарак сакчы буларак барлыкка килә.