אויסשטאַטן מאַרינע סטרוקטורן מיט "קוילזיכערע וועסטן" ניצנדיק וואולקאנישע שטיין? מולטי-וואָג באַזאַלט פיבערס ברעכן די קעראָוזשאַן סטאַלמאַט פֿאַר שטאָל פיבערס

קראָס-ים בריקן, טיף-וואַסער טערמינאַלן, אָפשאָר ווינט פאַרמס... כאָטש די "קאָלאָסאַל ריזן" געבויט אין אָקעאַן זענען גלענצנדיק צו זען, זיי דורכשטיין די טעגלעך "ברוטאַל פּייַניקונג" פון כוואַליע עראָוזיע, זאַלץ און אַלקאַלי קעראָוזשאַן, און אָלטערנייטינג נאַס-טרוקענע ציקלען. אין אַזאַ אַן סביבה, ענשורינג אַז פאַרהאַרטעטע בעטאָן סטרוקטורן בלייבן גאַנץ — פריי פון צעברעכן, ריסן, אדער פריצייטיגן דורכפאל — איז לאַנג געווען אַ שווערע אַרויסרופן פֿאַר דער גלאָבאַלער אינזשעניריע קהילה.
פֿאַר אַ לאַנגע צײַט, שטאָל פיבערמען האט אָפט אַרײַנגעאַרבעט אין בעטאָן צו פֿאַרבעסערן די האַרטקייט און פֿאַרהיטן ריסן. אָבער, שטאָל פֿאַזערס זענען אָפֿט נישט פּאַסיק פֿאַר די שווערע באַדינגונגען פֿון זאַלץ שפּריץ און ים וואַסער; אַמאָל קלאָריד יאָנען אינפֿילטרירן די שפּאַלטן אין בעטאָן, ראַסטן די שטאָל פֿאַזערס און יקספּאַנדירן אין באַנד, פּאַראַדאָקסאַללי פֿאַראורזאַכט אַז דער בעטאָן זאָל ריסן פֿון אינעווייניק אַרויס און באַשנעלערן דעם סטרוקטורעלן קאָלאַפּס.
לעצטנס, א נייע מאַטעריאַל שטודיע פאָוקוסירט אויף הויך האַרטקייט פֿאַר מאַרינע אינזשעניריע האט געפֿינט אַ העכסט פּראַמישינג לייזונג: באַזאַלט פֿײַבערס—פּראָדוצירט דורך ציען פֿעדעם פֿון נאַטירלעכן וואולקאַנישן שטיין—קען גענוצט ווערן צו באַדעקן מאַרינע בעטאָן אין אַ שיכט פֿון "פּאַנצער" וואָס איז כּמעט אימוּן צו ראָסט. דאָס ווערט דערגרייכט דורך אַ מולטי-וואָג גראַדאַציע מאָדעל מיט אַ קאָמבינאַציע פֿון "גרויסע פֿאַזערס פֿאַר סטרוקטורעלע פֿאַרבינדונג" און "קליינע פֿאַזערס פֿאַר פּאָרע פֿאַרזיגלונג."

I. די אַנטי-קעראָוזשאַן סודות באַהאַלטן אין וואַלקאַניש שטיין

זיך אפגעבן מיט די קריטישע חסרונות וואָס זענען איינגעבוירן אין עקזיסטירנדיקע מאַטעריאַלן—ספּעציפֿיש די סאַסעפּטאַבילאַטי פון שטאָל פֿאַזערס צו ראַסט און די טענדענץ פון אָרגאַנישע פֿאַזערס (אַזאַ ווי פּאָליפּראָפּילען אָדער פּאָליוויניל אַלקאָהאָל) צו אַלטערן און דעגראַדירן אין אַלקאַליין בעטאָן סביבות—באַזאַלט פיבערס ווייזן אויסערגעווענליכע מאטעריאל מעלות. פראדוצירט דורך צעשמעלצן ריין נאטירלעכן וואולקאנישן שטיין ביי אולטרא-הויכע טעמפעראטורן און עס צוציען אין פיבערס, באשטייט זייער קערן סטרוקטורעלע ראם הויפטזעכלעך פון אן אמארפע נעץ פון סיליקאן-זויערשטאָף און אַלומינום-זויערשטאָף בינדונגען. די נאטירלעכע, שטיין-באזירטע סטרוקטור ווייזט אויף גאר הויכע כעמישע אינערטקייט ווען זי ווערט אויסגעשטעלט צו די שטארק אלקאלישע פּאָרע פלוידס אין קאנקרעט און די הויך-זאלציקייט סביבה פון ים-וואסער, דערמיט פונדאמענטאל עלימינירנד די פיזישע ריזיקעס פארבונדן מיט "קעראָוזיע, ראַסט, און וואָלומעטרישע יקספּאַנשאַן." צו דערגרייכן העכערע ריס קעגנשטעל און אומדורכדרינגלעכקייט, ברעכט די לעצטע פאָרשונג אַוועק פון דער טראַדיציאָנעלער "איין-פייבער" פּאַראַדיגם, און פאָרשלאַגט אַנשטאָט אַ "מולטי-וואָג האָמאָגענע באַסאַלט פייבער סיסטעם":

מאַקראָ-סטרוקטורעל טוויסטעד באַזאַלט פֿײַבערס (SBF): גראָבע, לאַנגע און געדרייטע פֿאַזערס פֿאַרשפּרייט איבער דער גאַנצער מאַטריץ; זייער הויפּט פֿונקציע איז צו בריקן און פֿאַרבינדן צוזאַמען די עקזיסטירנדיקע מאַקראָ-ריסן, דערמיט צושטעלנדיק פֿלעקסיבלער שטאַרקייט און טענסאַל שטייפֿקייט נאָך דעם ריסן.

מיקראָ-סטרוקטורעלע געהאַקטע באַזאַלט מיקראָפֿײַבערס (NBF): פֿײַנע מיקראָפֿײַבערס וואָס, ענלעך צו זאַמדקערלעך, פּאַקן זיך ענג אין די מינוט פּאָרן און קאַנאַלן אין דער פֿאַרהאַרטערטער צעמענט מאַטריץ, עפֿעקטיוו בלאָקירנדיק די דורכדרינגונג פֿון ים־וואַסער און אַרעסטירנדיק די פֿאַרשפּרייטונג פֿון אָנפֿאַנגנדיקע מיקראָ-ריסן.

די "גראָבע-און-פיינע קאָמבינאַציע" סטראַטעגיע שאַפט אַ געדיכטע, קאָמפּליצירטע נעץ וואָס איז געוועבט טיף אין דער בעטאָן סטרוקטור - אַן אַלגעמיינער פאַרטיידיקונג מעקאַניזאַם וואָס נעמט זיך אָן ביידע אומדורכדרינגלעכקייט און ריס קאָנטראָל סיימאַלטייניאַסלי.

II. א "ברוטאַלער" 270-טאָגיקער נאַס-טרוקן סייקלינג טעסט

כדי צו באַשטימען צי דער נייער בעטאָן קען דערגרייכן "לענגלעבעדיקייט" אין אַ ים־סביבה, האָט די פֿאָרשונג־מאַנשאַפֿט סימולירט אַן עקסטרעם שטרענגע אָלטערנירנדיקע נאַס־טרוקענע סביבה. דאָס האָט אַרייַנגענומען פֿאַרדאָפּלען די קאָנצענטראַציע פֿון דער ים־וואַסער־לייזונג און אונטערוואַרפֿן די מוסטערן צו אָלטערנירנדיקע ציקלען פֿון הויך־טעמפּעראַטור־טריקעניש (ביי 45°C) און פֿולשטענדיקער זעטיקונג — מיט יעדן 24־שעה־פּעריאָד וואָס קאָנסטיטוטירט אַן איינציקן פֿולשטענדיקן נאַס־טרוקענעם ציקל.
נאך 270 טעג פון דעם שווערן יסורים, האבן די קאנקרעט מוסטערן מיט פארשידענע פיבער סיסטעמען אויסגעוויזן שטארק פארשידענע רעזולטאטן:

אל-באַזאַלט מולטי-וואָג כייבריד גרופּע (B15N02: ד.ה., 1.5% גראָבע פֿאַזערס + 0.2% מיקראָפֿײַבערס): די גרופּע האָט געגעבן אויסערגעוויינטלעך אימפּרעסיווע רעזולטאַטן. נאָך 270 טעג, איז איר עקוויוואַלענט בייגונג שטאַרקייט ריטענשאַן קורס געשטאַנען ביי אַ באַמערקונגסווערטן 76.14%, בשעת איר ערשט ריסן שטאַרקייט ריטענשאַן קורס האָט דערגרייכט 90.67%. דערצו, מאַסע פֿאַרלוסט אַטריביאַטאַבאַל צו ייבערפלאַך שפּאָלטינג געפֿירט דורך ים וואַסער ויסשטעלן איז געווען בלויז 1.43%. ווען קאָנפראָנטירט מיט ינווייראַנמענאַל וועטערינג, איז דער קוילעלדיק מאַטעריאַל דעגראַדאַציע פּראָצעס פארגעגאנגען אין אַן עקסטרעם פּאַמעלעך און גראַדועל גאַנג.

שטאָל פֿאַזער כייבריד גרופּע (S15N02): פֿאַר דעם אָנהייב פֿון קעראָוזיע, האָט די גרופּע דעמאָנסטרירט אויסערגעוויינטלעך הויכע אָנהייבנדיקע בייגונג־פּערפאָרמאַנס — אַ דירעקטע רעזולטאַט פֿון דער אינהערענטער הויכער שטייפֿקייט פֿון די שטאָל פֿאַזערס אַליין. אָבער, בײַם 270־טאָגיקן צייכן, האָט דער שטאָל פֿאַזער־פֿאַרשטאַרקטער בעטאָן דורכגעמאַכט אַ פֿונדאַמענטאַלע און דראַסטישע איבערקערעניש אין פּערפאָרמאַנס. צוליב ברייטער ראָסטינג, איז זײַן עקוויוואַלענטער בייגונג־שטאַרקייט־רעטענשאַן־ראַטע געפֿאַלן צו 50.22% (עפֿעקטיוו האַלבירנדיק זײַן שטאַרקייט); אין די שפּעטערע סטאַגעס, זענען קלאָר געוואָרן באַזונדערע לאָקאַליזירטע ראָסט־פֿאַראורזאַכטע יקספּאַנשאַן־מוסטערן און ריסן.

III. א מיקראָסקאָפּישע קאַמף: פארוואס פאַלט שטאָל צוזאַמען בשעת באַזאַלט בלייבט סטאַביל?

בילדער וואָס זענען געכאפט געוואָרן דורך סקאַנינג עלעקטראָן מיקראָסקאָפּיע (SEM) אַנטפּלעקן גלייך די יסודותדיקע נאַטור פון די פאָרשטעלונג דיווערדזשענס צווישן די צוויי מאַטעריאַלן:

דער קאַטאַסטראָפֿישער דורכפֿאַל פֿון שטאָל פֿאַזערס: ים־וואַסער און זויערשטאָף דורכדרינגען גרינג דורך מיקראָסקאָפּישע ליידיקייטן אין בעטאָן צו קאָנטאַקטירן דעם שטאָל, וואָס פֿאַראורזאַכט שווערע עלעקטראָכעמישע קעראָוזיע. דער באַנד פֿון דעם רעזולטירנדיקן רויטלעך־ברוינעם אייַזן־ראָסט יקספּאַנדירט צו צווישן 2 און 6.5 מאָל זײַן אָריגינעלער גרייס. דער ריזיקער אינערלעכער דרוק "שטופּט" גלייך קעגן דער אַרומיקער צעמענטירטער מאַטריץ, וואָס דזשענערירט אַ נעץ פֿון ראַדיאַלע מיקראָ־ריסן. ווי אינערלעכער שאָדן פֿאַרשטאַרקט זיך, פֿאַרשווינדט די פֿאַרבינדונג צווישן די שטאָל פֿאַזערס און דער בעטאָן־מאַטריץ גאָר; לעצטנס, אונטער לאַסט, זענען די פֿאַזערס אונטערטעניק צו לייכט אַרויסגעצויגן ווערן אָדער צו גליטשן — אָדער גאָר אָדער טיילווײַז — און דערמיט פֿאַרלירן זייער סטרוקטורעלע ברידזשינג־שטײַפֿקייט.

די מילדע אַדאַפּטאַציע פון באַזאַלט פֿײַבערסבאַזאַלט פֿאַזערס ווײַזן גאָר נישט קיין וואָלומען־אויסברייטונג ווען זיי ווערן אויסגעשטעלט צו ים־וואַסער. זייער הידראָליז־פּראָצעס – וואָס ווערט כאַראַקטעריזירט דורך דער זאַפֿטיקער אויפֿלעזונג פֿון די Si-O-Si פֿאַרבינדונגען – גייט פֿאָר מיט אַן עקסטרעם לאַנגזאַמע גאַנג, וואָס רעזולטירט בלויז אין אַ קליינער, לאָקאַליזירטער פּיטינג און אויבערפֿלאַך־ראָפֿקייט אויף דער נאַנאָסקאַלע. ווײַט פֿון שאַטן די מאַטריץ, פֿאַרשטאַרקט די סאַטאַל אויבערפֿלאַך־ראָפֿקייט טאַקע די פֿאַרבינדענע רייַבונג צווישן די פֿאַזערס און דעם אַרומיקן בעטאָן.

דערצו, קאנקרעט מישונג דיזיינס נעמען אָפט אריין אינדוסטריעלע בייפּראָדוקטן - ווי פלי-אַש און שלאַק - צו טיילווייז פאַרבייטן טראַדיציאָנעלן צעמענט. כאָטש די פּראַקטיק רעדוצירט טשאַד ימישאַנז בעת פּראָדוקציע מיט 27%, לאָזט עס אויך באַדייטנד רעדוצירן די לאַנג-טערמין אַלקאַליניטי פון דעם קאנקרעט. דאָס שאַפט עפעקטיוו אַ מילדע, "אַלקאַלי-קעגנשטעליקע פּראַטעקטיוו קאַפּסל" פֿאַר די באַסאַלט פיבערס, ווייטער סאַפּרעסינג זייער דיסאַלושאַן קורס.

IV. פונקציאָנירן מיט ריסן? עס קען אויך פאַרהיטן צוקונפֿטיקע שאָדן

אין רעאַלע אינזשעניריע אַפּליקאַציעס, אַרבעטן סטרוקטורעלע קאָמפּאָנענטן אונטער "פאַרוואונדעטע" באַדינגונגען. כּדי צו סימולירן די רעאַליטעט, האָט די פֿאָרשונג־מאַנשאַפֿט קינסטלעך געפֿירט מיקראָ־ריסן, וואָס זענען ברייטער פֿון 0.1 מ״מ ביז 0.3 מ״מ, אין די טעסט־מוסטערן:

אין דער שטאָל פֿאַזער גרופּע, האָט די בייַזייַן פֿון די מיקראָ-ריסן דערלויבט פֿײַכטקייט צו גלייך אינפֿילטרירן די טענסאַל זאָנע; דאָס האָט געפֿירט צו אַ שנעלן פֿאַרלוסט פֿון די שטאָל פֿאַזערס בריקן קאַפּאַציטעט און אַ שטאַרקן אַראָפּגאַנג אין דער מאַטעריאַלס דאַקטילאַטי. די האָמאָגענע מולטי-וואָג באַסאַלט פֿאַזער גרופּע דעמאָנסטרירט אויסערגעוויינטלעכע שאָדן טאָלעראַנץ אין אַ ריס עפֿענונג קייט פֿון 0.1 מם ביז 0.2 מם, דערגרייכט דורך דער סינערגיסטישער אַקציע פֿון "פּינינג" דורך פֿײַנע פֿאַזערס און "טטענשאַן" דורך גראָבע פֿאַזערס. אפילו ווען פֿאַר-עקזיסטירנדיקע ריסן פֿאַרברייטערן זיך צו 0.3 מם, האַלט דער מאַטעריאַל אַ הויך מדרגה פֿון פֿלעקסוראַל-טענסאַל לאַסט-טראָגן קאַפּאַציטעט, דערמיט מצליח פֿאַרלענגערן די זיכערהייט שוועל פֿאַר געשעדיגטע סטרוקטורן אין מאַרינע אינזשעניריע אַפּלאַקיישאַנז.

מסקנא

פֿון די פּערספּעקטיוון פֿון "לעבנס־ציקל קאָסטן (LCC)" און נידעריק־קוילנשטאָף־סביבה־סאַסטיינאַביליטי, כאָטש באַסאַלט־פֿײַבערס קענען פֿאַראורזאַכן אַ ביסל העכערע ערשטע קויפֿער־קאָסטן צוליב זייער ספּעציאַליזירטן צייכענונג־פּראָצעס, זייער כּמעט "אויפֿהאַלטונג־פֿרײַער" נאַטור איבער זייער לעבן אָפֿערט ​​באַדײַטנדיקע לאַנג־טערמין מעלות. איבער אַ פּראָיעקטס אָפּעראַציאָנעלן שפּאַן – טיפּיש פֿון 50 ביז 100 יאָר – עלימינירט זייער באַנוץ ניט נאָר די באַדײַטנדיקע, אומפֿאָרזיכטיקע גאַנצע קאָסטן פֿאַרבונדן מיט אָפֿטע רעפּאַראַציעס און די אַפּליקאַציע פֿון אַנטי־קעראָוזיע־קאָוטינגס, נאָר אויך ראַדוסירט באַדײַטנדיק די סטרוקטורעלע זעלבסט־וואָג, דערמיט שפּאָרן אויף טראַנספּאָרטאַציע־הוצאות און די טשאַרטער־פֿיז פֿאַר גרויס־וואָגיקע אָפֿשאָר־אינסטאַלאַציע־שיף.

אין אן עפאכע וואו גלייכע דגוש ווערט געלייגט אויף רעדוצירן קוילן-שטאף אויסשטויסן איבער א פראיעקט'ס לעבנס-ציקל און זיכער מאכן אינזשעניריע זיכערהייט, קומט דאס "אנטי-קעראזיע פאנצער" - געמאכט פון וואולקאנישן שטיין - ארויס אלס א זיכערער און מער עקא-פריינדלעכער היטער פאר מארינע ריינע ענערגיע פראיעקטן, ווי למשל קראס-ים טראנספארטאציע פארבינדונגען און אפשור ווינט פארמס.