Оснащення морських споруд "бронежилетами" з використанням вулканічної породи? Багатомасштабні базальтові волокна вирішують корозійний глухий кут для сталевих волокон

Морські мости, глибоководні термінали, морські вітрові електростанції... Хоча ці «колосальні гіганти», побудовані в океані, величні на вигляд, вони щоденно витримують «жорстокі тортури» хвильової ерозії, сольової та лужної корозії, а також чергування циклів вологості та сухості. У такому середовищі забезпечення загартованого стану Бетонні конструкції Залишатися цілими — без руйнування, розтріскування чи передчасного руйнування — вже давно є складним завданням для світової інженерної спільноти.
Протягом тривалого часу, Сталеве волокноДопоміжні речовини часто додають до бетону для підвищення міцності та запобігання розтріскуванню. Однак сталеві волокна часто виявляються непридатними для суворих умов сольового туману та морської води; як тільки іони хлориду проникають у щілини в бетоні, сталеві волокна іржавіють та розширюються в об'ємі, що парадоксально призводить до розтріскування бетону зсередини назовні та прискорює руйнування конструкції.
Нещодавно нове дослідження матеріалів, зосереджене на високій міцності для морської техніки, запропонувало дуже перспективне рішення: базальтові волокна—виготовлений шляхом витягування пасм з природної вулканічної породи — може бути використаний для облицювання морського бетону шаром «броні», практично стійким до іржі. Це досягається завдяки багатомасштабній градаційній моделі, що включає поєднання «великих волокон для структурного з'єднання» та «дрібних волокон для герметизації пор».

I. Секрети протикорозійного захисту, приховані у вулканічній породі

Усунення критичних недоліків, властивих існуючим матеріалам, зокрема схильності сталевих волокон до іржі та схильності органічних волокон (таких як поліпропілен або полівініловий спирт) до старіння та руйнування в лужному середовищі бетону,Базальт Волокна демонструють виняткові матеріальні переваги. Виготовлені шляхом плавлення чистої природної вулканічної породи за надвисоких температур та витягування її у волокна, їхня основна структурна основа складається переважно з аморфної мережі кремній-кисневих та алюміній-кисневих зв'язків. Ця природна структура на основі каменю демонструє надзвичайно високу хімічну інертність під впливом сильнолужних порових рідин у бетоні та середовища з високою мінералізацією морської води, тим самим принципово усуваючи фізичні ризики, пов'язані з «корозією, іржі та об'ємним розширенням». Щоб досягти чудової стійкості до тріщин та непроникності, новітні дослідження відходять від традиційної парадигми «одного волокна», пропонуючи натомість «багатомасштабну однорідну систему базальтових волокон»:

Макроструктурний скручений Базальтові волокна (SBF): Грубі, довгі та скручені волокна, розподілені по всій матриці; їхня основна функція полягає в перекритті та зв'язуванні існуючих макротріщин, тим самим забезпечуючи післярозтріскувальну в'язкість на згин та жорсткість на розтяг.

Мікроструктурні подрібнені базальтові мікроволокна (NBF): Тонкі мікроволокна, які, подібно до піщинок, щільно укладаються в найдрібніші пори та канали затверділої цементної матриці, ефективно блокуючи шляхи проникнення морської води та зупиняючи поширення зароджуючихся мікротріщин.

Ця стратегія «поєднання грубого та дрібного» створює щільну, складну павутину, вплетену глибоко в бетонну конструкцію — комплексний захисний механізм, який одночасно вирішує питання непроникності та контролю тріщин.

II. «Жорстокий» 270-денний велопробіг на мокрій та сухій дорозі

Щоб визначити, чи може цей новий бетон досягти «довговічності» в морському середовищі, дослідницька група змоделювала надзвичайно суворі умови чергування вологого та сухого вологих умов. Це включало подвоєння концентрації розчину морської води та піддавання зразків чергуванню циклів високотемпературного сушіння (при 45°C) та повного насичення, причому кожен 24-годинний період становив один повний цикл вологого та сухого сушіння.
Після 270 днів цього виснажливого випробування, зразки бетону з різними системами волокон продемонстрували дуже різні результати експлуатації:

Багатомасштабна гібридна група з повністю базальтового матеріалу (B15N02: тобто 1,5% грубих волокон + 0,2% мікроволокон): ця група показала надзвичайно вражаючі результати. Через 270 днів еквівалентний коефіцієнт збереження міцності на згин становив вражаючі 76,14%, тоді як початковий коефіцієнт збереження міцності на розтріскування досяг 90,67%. Крім того, втрата маси, пов'язана з поверхневим відколюванням, спричиненим впливом морської води, становила лише 1,43%. Під впливом навколишнього середовища загальний процес деградації матеріалу відбувався надзвичайно повільно та поступово.

Група гібридних сталевих волокон (S15N02): До початку корозії ця група демонструвала винятково високі початкові характеристики згину – прямий результат високої жорсткості, властивої самим сталевим волокнам. Однак, до 270-денної позначки характеристики сталефібробетону зазнали фундаментального та різкого зниження. Через значне іржавіння його еквівалентний коефіцієнт збереження міцності на згин різко знизився до 50,22% (фактично зменшивши його міцність вдвічі); на пізніших стадіях стали очевидними чіткі локалізовані схеми розширення, викликані іржею, та тріщини.

III. Мікроскопічна сутичка: чому сталь руйнується, тоді як базальт залишається стабільним?

Зображення, отримані за допомогою скануючої електронної мікроскопії (СЕМ), безпосередньо розкривають фундаментальну природу розбіжностей у характеристиках між двома матеріалами:

Катастрофічне руйнування сталевих волокон: Морська вода та кисень легко проникають через мікроскопічні порожнини в бетоні та контактують зі сталлю, викликаючи сильну електрохімічну корозію. Об'єм утвореної червонувато-коричневої залізної іржі розширюється від 2 до 6,5 разів від свого початкового розміру. Цей величезний внутрішній тиск безпосередньо «тисне» на навколишню цементну матрицю, створюючи мережу радіальних мікротріщин. У міру посилення внутрішніх пошкоджень зв'язок між сталевими волокнами та бетонною матрицею повністю руйнується; зрештою, під навантаженням волокна схильні до легкого висмикування або зісковзування — повністю або частково — тим самим втрачаючи свою структурну місткову жорсткість.

М'яка адаптація Базальтові волокнаБазальтові волокна абсолютно не розширюються в об'ємі під впливом морської води. Процес їх гідролізу, що характеризується м'яким розчиненням зв'язків Si-O-Si, відбувається надзвичайно повільно, що призводить лише до незначного, локалізованого утворення точок та шорсткості поверхні на нанорівні. Це ледь помітне шорсткість поверхні не пошкоджує матрицю, а фактично посилює тертя між волокнами та навколишнім бетоном.

Крім того, до складу бетонних сумішей часто входять промислові побічні продукти, такі як зола та шлак, для часткової заміни традиційного цементу. Хоча така практика зменшує викиди вуглецю під час виробництва на 27%, вона також значно знижує довготривалу лужність бетону. Це ефективно створює м’яку, «лужностійку захисну капсулу» для базальтових волокон, що ще більше пригнічує швидкість їх розчинення.

IV. Функціонування з тріщинами? Це також може запобігти майбутнім пошкодженням

У реальних інженерних застосуваннях конструктивні елементи неминуче працюють у «пошкоджених» умовах. Щоб імітувати цю реальність, дослідницька група штучно створила мікротріщини шириною від 0,1 мм до 0,3 мм у випробуваних зразках:

У групі сталевих волокон наявність цих мікротріщин дозволила волозі безпосередньо проникати в зону розтягу; це призвело до швидкої втрати місткової здатності сталевих волокон та різкого зниження пластичності матеріалу. Однорідна багатомасштабна група базальтових волокон демонструє виняткову стійкість до пошкоджень у діапазоні розкриття тріщин від 0,1 мм до 0,2 мм, що досягається завдяки синергетичній дії «закріплення» тонкими волокнами та «натягу» грубими волокнами. Навіть коли існуючі тріщини розширюються до 0,3 мм, матеріал зберігає високий рівень несучої здатності на згин та розтяг, тим самим успішно розширюючи поріг безпеки для пошкоджених конструкцій у морському машинобудуванні.

Висновок

З точки зору «вартості життєвого циклу (LCC)» та низьковуглецевої екологічної стійкості, хоча базальтові волокна можуть спричинити дещо вищі початкові витрати на закупівлю через спеціалізований процес їхнього витягування, їхня практично «необслуговуваність» протягом усього терміну служби пропонує значні довгострокові переваги. Протягом експлуатаційного періоду проекту, який зазвичай коливається від 50 до 100 років, їх використання не тільки усуває суттєві, непередбачені загальні витрати, пов'язані з частим ремонтом та нанесенням антикорозійних покриттів, але й суттєво зменшує власну вагу конструкції, тим самим заощаджуючи на транспортних витратах та фрахтових зборах за великомасштабні морські монтажні судна.

В епоху, коли однакова увага приділяється скороченню викидів вуглецю протягом життєвого циклу проекту та забезпеченню безпеки інженерії, цей «антикорозійний захист», виготовлений з вулканічної породи, стає безпечнішим та екологічнішим захистом для проектів чистої морської енергії, таких як трансморські транспортні сполучення та морські вітрові електростанції.