Trang bị "áo giáp chống đạn" cho các công trình biển bằng đá núi lửa? Sợi bazan đa cấp phá vỡ thế bế tắc ăn mòn của sợi thép.

Cầu vượt biển, bến cảng nước sâu, trang trại điện gió ngoài khơi... Mặc dù những "gã khổng lồ" được xây dựng giữa đại dương này rất tráng lệ, chúng lại phải chịu đựng "sự tra tấn tàn khốc" hàng ngày của sự xói mòn do sóng, ăn mòn do muối và kiềm, và chu kỳ khô ướt xen kẽ. Trong môi trường như vậy, việc đảm bảo kết cấu chắc chắn là vô cùng quan trọng. Cấu trúc bê tông Việc giữ cho các bộ phận nguyên vẹn—không bị vỡ vụn, nứt nẻ hoặc hư hỏng sớm—từ lâu đã là một thách thức nan giải đối với cộng đồng kỹ thuật toàn cầu.
Từ lâu, Sợi thépSợi thép thường được thêm vào bê tông để tăng cường độ bền và ngăn ngừa nứt nẻ. Tuy nhiên, sợi thép thường không phù hợp với điều kiện khắc nghiệt của hơi muối và nước biển; một khi các ion clorua xâm nhập vào các kẽ hở trong bê tông, sợi thép sẽ bị gỉ và giãn nở, nghịch lý thay lại gây ra hiện tượng bê tông nứt từ trong ra ngoài và đẩy nhanh sự sụp đổ của cấu trúc.
Gần đây, một nghiên cứu vật liệu mới tập trung vào độ bền cao dành cho kỹ thuật hàng hải đã đưa ra một giải pháp đầy hứa hẹn: sợi bazan— Được sản xuất bằng cách kéo sợi từ đá núi lửa tự nhiên — có thể được sử dụng để phủ lên bê tông biển một lớp "áo giáp" gần như miễn nhiễm với rỉ sét. Điều này đạt được thông qua mô hình phân cấp đa cấp với sự kết hợp giữa "sợi lớn để liên kết cấu trúc" và "sợi nhỏ để bịt kín lỗ rỗng".

I. Những bí mật chống ăn mòn ẩn giấu trong đá núi lửa

Giải quyết những nhược điểm nghiêm trọng vốn có trong các vật liệu hiện có—cụ thể là tính dễ bị gỉ của sợi thép và xu hướng lão hóa và phân hủy của sợi hữu cơ (như polypropylen hoặc polyvinyl alcohol) trong môi trường bê tông kiềm—Bazan Các sợi này thể hiện những ưu điểm vật liệu vượt trội. Được sản xuất bằng cách nung chảy đá núi lửa tự nhiên nguyên chất ở nhiệt độ cực cao và kéo thành sợi, khung cấu trúc lõi của chúng chủ yếu bao gồm một mạng lưới vô định hình của các liên kết silicon-oxy và nhôm-oxy. Cấu trúc tự nhiên, dựa trên đá này thể hiện tính trơ hóa học cực cao khi tiếp xúc với chất lỏng lỗ rỗng có tính kiềm mạnh trong bê tông và môi trường có độ mặn cao của nước biển, do đó về cơ bản loại bỏ các rủi ro vật lý liên quan đến "ăn mòn, gỉ sét và giãn nở thể tích". Để đạt được khả năng chống nứt và chống thấm vượt trội, nghiên cứu mới nhất đã phá vỡ mô hình "sợi đơn" truyền thống, thay vào đó đề xuất một "hệ thống sợi bazan đồng nhất đa cấp":

Xoắn cấu trúc vĩ mô Sợi bazan (SBF): Các sợi thô, dài và xoắn phân tán khắp ma trận; chức năng chính của chúng là bắc cầu và liên kết các vết nứt lớn hiện có, nhờ đó cung cấp độ bền uốn và độ cứng kéo sau khi nứt.

Sợi siêu nhỏ bazan cắt nhỏ (NBF): Các sợi siêu nhỏ mịn, giống như những hạt cát, được đóng chặt vào các lỗ rỗng và kênh nhỏ li ti bên trong ma trận xi măng đã đông cứng, ngăn chặn hiệu quả các đường xâm nhập của nước biển và ngăn ngừa sự lan truyền của các vết nứt siêu nhỏ mới hình thành.

Chiến lược "kết hợp thô và tinh" này tạo ra một mạng lưới dày đặc, phức tạp được dệt sâu bên trong cấu trúc bê tông - một cơ chế phòng thủ toàn diện giải quyết đồng thời cả vấn đề chống thấm và kiểm soát nứt nẻ.

II. Bài kiểm tra chu kỳ khô ướt "khắc nghiệt" kéo dài 270 ngày

Để xác định liệu loại bê tông mới này có thể đạt được "độ bền cao" trong môi trường biển hay không, nhóm nghiên cứu đã mô phỏng một môi trường khô-ướt luân phiên cực kỳ khắc nghiệt. Điều này bao gồm việc tăng gấp đôi nồng độ dung dịch nước biển và cho các mẫu trải qua các chu kỳ sấy khô ở nhiệt độ cao (45°C) và bão hòa hoàn toàn luân phiên—mỗi chu kỳ 24 giờ tạo thành một chu kỳ khô-ướt hoàn chỉnh.
Sau 270 ngày trải qua thử thách khắc nghiệt này, các mẫu bê tông kết hợp các hệ sợi khác nhau đã cho thấy kết quả hiệu suất rất khác biệt:

Nhóm vật liệu lai đa cấp bazan (B15N02: tức là 1,5% sợi thô + 0,2% sợi siêu nhỏ): Nhóm này cho kết quả vô cùng ấn tượng. Sau 270 ngày, tỷ lệ giữ lại độ bền uốn tương đương đạt mức đáng kể 76,14%, trong khi tỷ lệ giữ lại độ bền nứt ban đầu đạt 90,67%. Hơn nữa, sự hao hụt khối lượng do bong tróc bề mặt gây ra bởi tiếp xúc với nước biển chỉ là 1,43%. Khi chịu tác động của phong hóa môi trường, quá trình suy thoái vật liệu tổng thể diễn ra cực kỳ chậm và từ từ.

Nhóm bê tông cốt sợi thép hỗn hợp (S15N02): Trước khi bắt đầu ăn mòn, nhóm này thể hiện hiệu suất uốn ban đầu đặc biệt cao—một kết quả trực tiếp từ độ cứng cao vốn có của chính các sợi thép. Tuy nhiên, đến thời điểm 270 ngày, bê tông cốt sợi thép đã trải qua một sự đảo ngược cơ bản và nghiêm trọng về hiệu suất. Do bị gỉ sét lan rộng, tỷ lệ giữ lại cường độ uốn tương đương của nó giảm mạnh xuống còn 50,22% (thực tế là giảm một nửa cường độ); ở giai đoạn sau, các vết nứt và sự giãn nở cục bộ do gỉ sét gây ra trở nên rõ ràng.

III. Một cuộc đối đầu ở cấp độ vi mô: Tại sao thép bị sụp đổ trong khi đá bazan vẫn ổn định?

Hình ảnh thu được bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) cho thấy rõ bản chất cơ bản của sự khác biệt về hiệu năng giữa hai vật liệu:

Sự hư hỏng nghiêm trọng của sợi thép: Nước biển và oxy dễ dàng thấm qua các lỗ rỗng siêu nhỏ trong bê tông để tiếp xúc với thép, gây ra hiện tượng ăn mòn điện hóa nghiêm trọng. Thể tích của lớp gỉ sắt màu nâu đỏ hình thành sẽ giãn nở gấp 2 đến 6,5 lần kích thước ban đầu. Áp suất bên trong khổng lồ này trực tiếp "đẩy" vào ma trận xi măng xung quanh, tạo ra một mạng lưới các vết nứt siêu nhỏ theo hướng xuyên tâm. Khi hư hỏng bên trong ngày càng trầm trọng, liên kết giữa các sợi thép và ma trận bê tông bị phá vỡ hoàn toàn; cuối cùng, dưới tải trọng, các sợi dễ bị kéo ra hoặc trượt – hoàn toàn hoặc một phần – do đó mất đi độ cứng liên kết cấu trúc.

Sự chuyển thể nhẹ nhàng của Sợi bazanSợi bazan hoàn toàn không giãn nở thể tích khi tiếp xúc với nước biển. Quá trình thủy phân của chúng—đặc trưng bởi sự hòa tan nhẹ nhàng các liên kết Si-O-Si—diễn ra với tốc độ cực kỳ chậm, chỉ dẫn đến sự rỗ nhẹ và làm nhám bề mặt cục bộ ở cấp độ nano. Thay vì làm hỏng cấu trúc nền, sự nhám bề mặt tinh tế này thực sự làm tăng ma sát liên kết giữa các sợi và bê tông xung quanh.

Hơn nữa, thiết kế hỗn hợp bê tông thường kết hợp các phụ phẩm công nghiệp—như tro bay và xỉ—để thay thế một phần xi măng truyền thống. Mặc dù phương pháp này giúp giảm 27% lượng khí thải carbon trong quá trình sản xuất, nhưng nó cũng làm giảm đáng kể độ kiềm lâu dài của bê tông. Điều này tạo ra một "lớp bảo vệ kháng kiềm" nhẹ nhàng cho các sợi bazan, giúp ngăn chặn tốc độ hòa tan của chúng.

IV. Làm việc với các vết nứt? Điều đó cũng có thể ngăn ngừa hư hỏng trong tương lai.

Trong các ứng dụng kỹ thuật thực tế, các cấu kiện kết cấu chắc chắn sẽ hoạt động trong điều kiện "bị hư hại". Để mô phỏng thực tế này, nhóm nghiên cứu đã tạo ra các vết nứt siêu nhỏ có chiều rộng từ 0,1 mm đến 0,3 mm bên trong các mẫu thử nghiệm:

Trong nhóm sợi thép, sự hiện diện của các vết nứt siêu nhỏ cho phép hơi ẩm trực tiếp thấm vào vùng chịu kéo; điều này dẫn đến sự suy giảm nhanh chóng khả năng liên kết của các sợi thép và sự giảm mạnh độ dẻo của vật liệu. Nhóm sợi bazan đa cấp đồng nhất thể hiện khả năng chịu hư hại vượt trội trong phạm vi độ mở vết nứt từ 0,1 mm đến 0,2 mm, đạt được nhờ tác động hiệp đồng của sự "ghim" bởi các sợi mịn và sự "kéo căng" bởi các sợi thô. Ngay cả khi các vết nứt có sẵn mở rộng đến 0,3 mm, vật liệu vẫn duy trì khả năng chịu tải uốn-kéo cao, do đó đã thành công trong việc mở rộng ngưỡng an toàn cho các cấu trúc bị hư hại trong các ứng dụng kỹ thuật hàng hải.

Phần kết luận

Từ góc độ "Chi phí vòng đời (LCC)" và tính bền vững môi trường carbon thấp, mặc dù sợi bazan có thể đòi hỏi chi phí mua ban đầu cao hơn một chút do quy trình kéo sợi chuyên biệt, nhưng đặc tính "gần như không cần bảo trì" trong suốt vòng đời sử dụng mang lại những lợi thế đáng kể về lâu dài. Trong suốt thời gian hoạt động của một dự án—thường từ 50 đến 100 năm—việc sử dụng chúng không chỉ loại bỏ các chi phí tổng cộng đáng kể, không lường trước được liên quan đến việc sửa chữa thường xuyên và việc phủ lớp chống ăn mòn, mà còn làm giảm đáng kể trọng lượng bản thân của kết cấu, do đó tiết kiệm chi phí vận chuyển và phí thuê tàu lắp đặt ngoài khơi quy mô lớn.

Trong thời đại mà việc giảm phát thải carbon trong suốt vòng đời dự án và đảm bảo an toàn kỹ thuật được đặt lên hàng đầu, lớp "áo giáp chống ăn mòn" này - được chế tạo từ đá núi lửa - đang nổi lên như một lớp bảo vệ an toàn hơn và thân thiện với môi trường hơn cho các dự án năng lượng sạch trên biển, chẳng hạn như các tuyến vận tải xuyên biển và các trang trại điện gió ngoài khơi.