211service.com
Stiprinošs betons
Profesionāļiem, kuru uzdevums ir novērtēt infrastruktūru, ir skaidrs, ka valsts plašā ceļu un tiltu sistēma ir steidzami jāremontē. 2007. gadā amatpersonas pie Federālā autoceļu pārvalde novērtēti 25 procenti ASV tiltu strukturāli nepilnīgi vai funkcionāli novecojuši. Un tikai šogad, Amerikas Būvinženieru biedrība izdeva ikgadējo infrastruktūras pārskata karti, piešķirot kopējam tiltu stāvoklim C un ceļu D-.
Cementējamais betons: Jauns paņēmiens padara betonu mazāk uzņēmīgu pret korozīvām vielām, piemēram, ceļu sāli. Šī rentgena attēla augšpusē tikko redzamais zili zaļais laukums parāda, ka apstrādātajā betonā (zilā krāsā) ir iekļuvuši ļoti maz hlorīda jonu (zaļā krāsā). Sarkanās daļiņas norāda uz smilšu graudiņiem, kas sajaukti ar cementu.
Lielākā daļa šo konstrukciju ir izgatavotas no betona, daudzas celtas pagājušā gadsimta 40. un 50. gados. Mūsdienās šie tilti un brauktuves drūp nolietojas, daļēji vecuma un daļēji ziemas atledošanas dēļ. Lai gan ceļu sāls kausē ledu no virsmām, tas var iekļūt arī daudzās betona mikroporās, atkausējot tajā esošās ūdens molekulas. Šī straujā atkausēšana var izraisīt betona izplešanos un plaisāšanu no iekšpuses, tādējādi pagarinot tā kalpošanas laiku.
Tagad inženieri Nacionālajā standartu un tehnoloģiju institūtā ( NIST ) ir izstrādājuši un patentējuši jaunu paņēmienu, ko sauc par VERDiCT (Viskozitātes pastiprinātāji, kas samazina difūziju betona tehnoloģijā), kas potenciāli varētu dubultot betona gabala kalpošanas laiku. Sajaucot nanoizmēra piedevu ar cementu, viņi izstrādāja metodi, kas palēnina ceļu sāls infiltrāciju. Viņi sprieda, ka jo ilgāks laiks nepieciešams, lai bojājošie līdzekļi iekļūtu, jo ilgāk betons kalpos bez plaisāšanas.
Tradicionālajā betona ražošanā sauso cementu, kas parasti sastāv no kaļķakmens, māla un citiem minerāliem, sajauc ar ūdeni, lai izveidotu pastu, un apvienotu ar pildvielām, piemēram, akmeņiem vai smiltīm. Žāvējot, pasta salīmē pildvielas kopā betona plāksnē. Pēdējā laikā ir bijuši centieni radīt stiprāku, augstas veiktspējas betonu, galvenokārt palielinot materiāla blīvumu. Lai to izdarītu, pētnieki vai nu pievieno dažādas stiprinošas ķimikālijas, vai sasmalcina cementa ražošanā izmantotos sausos materiālus, lai tie būtu vēl smalkāki par parastajiem maisījumiem. Savienojot ar ūdeni, pasta un iegūtā plāksne ir daudz blīvāka un stiprāka nekā tradicionālais betons.
Tomēr zinātnieki ir atklājuši būtisku mīnusu šādām augstas veiktspējas alternatīvām. Ātrajā būvniecībā visi izvēlas agrīnas stiprības betonu, jo vēlas atjaunot satiksmi, saka Deils Bencs , NIST ķīmijas inženieris un projekta vadošais pētnieks. Lai iegūtu šo stiprību, jūs varat smalkāk sasmalcināt betonu [lai padarītu to] reaktīvāku, bet tas arī rada vairāk siltuma, un, kad tas atdziest un saraujas, tas var izraisīt plaisāšanu. Tātad jūs iegūstat augstas veiktspējas betonu starp plaisām, kas nav tas, ko vēlaties.
Bentz un viņa kolēģi izmantoja nano mēroga pieeju betona uzlabošanai. Viņi atzina, ka betonā ir miljoniem sīku mikroporu, kas piepildītas ar ūdens molekulām. Ir zināms, ka ceļu sāls hlorīda un sulfāta joni iekļūst betonā, difundējot šajā ūdens šķīdumā, tāpēc viņi izvirzīja hipotēzi, ka šķīduma viskozitātes palielināšana šajās mikroporās var palēnināt ceļu sāls un citu bojājošo vielu iekļūšanu un pagarināt betona kalpošanas laiku.
Ja šie joni peld apkārt, ja tie pārvietojas caur medu, nevis ūdeni, tie ievērojami palēnināsies, saka Bentz. Viltība ir atrast pareizo ķīmisko vielu, kas mainīs šķīduma viskozitāti.
Pētnieki ņēma piemēru no pārtikas rūpniecības, kas izmanto piedevas kā biezinātājus it visā, sākot no salātu mērcēm līdz gāzētiem dzērieniem. Bentz meklēja līdzīgas piedevas, kas gan palielinātu betonā atrodamā ūdens šķīduma viskozitāti, gan palēninātu jonu difūziju; viņš pat mēģināja izmantot pārtikas biezinātājus, tostarp ksantuma sveķus, ko izmanto mērcēs un saldējumā.
Pēc vairāku piedevu pārbaudes ūdens šķīdumā, lai modelētu jonu uzvedību betonā, komanda atklāja, ka tiem, kuriem ir mazāks molekulārais izmērs, veiksmīgāk palēnināja jonu difūzijas ātrumu. Piedevas, kas sastopamas mazās molekulārās ķēdēs ar ūdeņraža un skābekļa zariem, bija īpaši labas, lai palielinātu šķīduma viskozitāti. Bentz saka, ka tas varētu būt saistīts ar faktu, ka šādi ūdeņraža un skābekļa zari var mijiedarboties ar ūdens molekulām, veidojot barjeru pret infiltrējošiem joniem, padarot tos grūtāk iekļūt.
Komanda arī pārbaudīja dažādas piedevas nelielos cementa javas cilindros – būtībā betonā bez pildvielām. Bentz sajauca piedevas ar cementu, ļāva javām nožūt un katru javu ievietoja hlorīda šķīdumā līdz vienam gadam. Pēc javas izņemšanas no šķīduma viņš un viņa komanda sadalīja katru javu un analizēja, cik tālu hlorīda joni spēj iekļūt. Salīdzinājumā ar javām bez piedevām, javas ar piedevām uzrādīja būtisku hlorīda difūzijas samazināšanos.
Tomēr tehnika var nebūt pilnībā gatava izmantošanai nozares mērogā, galvenokārt iespējamo izmaksu dēļ. Bentz saka, ka, lai iegūtu šādus rezultātus, viņam bija jāsagatavo piedeva līdz 10 procentiem no cementa šķīduma. Nozare ir apmierināta ar vienu procentu, tāpēc pastāv izmaksu faktors, jo tas maksās par 10 procentiem vairāk, saka Bentz. Mēs esam pierādījuši koncepcijas pierādījumu, un tagad mēs vēlētos atrast piedevu, kas darbojas 3 līdz 5 procentu koncentrācijā.
Džeisons Veiss , Purdjū universitātes inženierzinātņu profesors, strādā pie betona maisījumu uzlabošanas un materiāla ilgtermiņa darbības uzlabošanas. Viņš saka, ka šāds paņēmiens kādu dienu var padarīt tiltus un ceļus mazāk jutīgus pret koroziju. Tam ir milzīgs potenciāls, saka Veiss. Tas nozīmētu, ka tilts, kas varētu ilgt 30 gadus, tagad izturēs 40 līdz 45 gadus tāda paša veida ķīmiskā uzbrukuma ietekmē.