Miten välikappaleet kestävät vettä ja kosteutta?

Materiaalitiede: Miksi ei-metalliset välikappaleet toimivat erinomaisesti kosteissa olosuhteissa

Polymeeri-komposiitin elektrokemiallinen stabiilisuus suolavedessä

Ei-metalliset välikappaleet on valmistettu erityisistä polymeerikomposiiteista, jotka kestävät hyvin sähkökemiallisia ongelmia meriympäristöissä. Metallit reagoivat usein huonosti suolaveden kanssa galvaanisten reaktioiden kautta, joista kaikki tiedämme, mikä johtaa ruostumiseen ja lopulta koko rakenteen hajoamiseen ajan myötä. Näillä polymeerivaihtoehdoilla on molekyylinen rakenne, joka ei vain salli kloridi-ionien päästä läpi – ongelma, joka on merkittävä betonirakenteiden raudoitukselle. Lisäksi ne säilyttävät muotonsa, vaikka olisivatkin olleet vuosikausia vedessä. Laboratoriokokeissa, jotka simuloidaan todellisia meriolosuhteita, on osoitettu, että nämä välikappaleet voivat kestää selvästi yli puolen vuosisadan vedenalaisissa sovelluksissa useimpien valmistajien mukaan, vaikka jotkut asiantuntijat edelleen kyseenalaistavat, vastaako todellisen maailman suorituskyky täysin laboratoriotuloksia.

Miksi sinkittyjen metallivälikappaleiden korroosio tapahtuu nopeammin kuin ei-metallisten vaihtoehtojen korroosio klooripitoisissa vyöhykkeissä

Sinkillä päällystetyt metalliset välikappaleet kestävät huomattavasti huonommin kloori-ionien runsaissa alueilla, kuten rannikkoalueilla tai silloilla, joissa tienpäällysteeseen kertyy suolaa. Suojakerros sinkistä auttaa aluksi suojaamaan terästä sen alla, mutta se kulutetaan nopeasti suolavesipilvessä tai kosteissa olosuhteissa. Tutkimukset osoittavat, että nämä välikappaleet korrodoituvat noin kolme kertaa nopeammin verrattuna vastaaviin sisämaassa käytettyihin. Kun sinkkisuoja lopulta pettää, paljastunut teräs alkaa ruostua, mikä laajenee ja lopulta halkeuttaa ympäröivät betonirakenteet. Ei-metalliset vaihtoehdot toimivat täysin eri tavalla, koska ne on valmistettu erityispolymeereistä, jotka luonnostaan kestävät veden imeytymistä (imeytymä alle 0,8 %). Nämä materiaalit estävät myös elektrokemialliset reaktiot, jotka aiheuttavat korroosion. Tarkasteltaessa todellisia asennuksia vuorovesialueilla havaitaan myös selvä malli: useimmat metalliset välikappaleet on vaihdettava joka 7–10 vuoden jälkeen, kun taas muoviversiot toimivat asianmukaisesti hyvin yli kaksikymmentä vuotta.

Vedenkestävä teknologia: Pinnoitteet ja nanomuokatut välijäset

Hydrofobiset silaani-siloksaanipinnoitteet: parantavat kapillaarirajan tehokkuutta 73 %

Uudet pinnoitustekniikat tekevät välikappaleista huomattavasti paremmin toimivia, kun niitä altistetaan kosteudelle. Viimeisimmät silaani- ja siloksaanipohjaiset hydrofobiset pinnoitteet luovat molekyylitasolla pieniä esteitä, jotka työntävät veden pois sen sijaan, että antaisivat sen tarttua. Tämä tarkoittaa, että huomattavasti vähemmän vettä imeytyy materiaaleihin niiden kapillaareiksi kutsumiemme mikroskooppisten kanavien kautta. Viime vuoden Rakennusvaipan tutkimusraportissa julkaistujen testien mukaan nämä erityispinnoitteet parantavat materiaalien kykyä vastustaa veden tunkeutumista noin kolmanneksella verrattuna tavallisiin käsittämättömiin pintoihin. Mitä tämä käytännössä tarkoittaa rakentamisessa? Betonirakenteisiin kertyy vähemmän suolaa ja likaa, mikä pitää sillat pidempään pystyssä, suojaa meriseiniä eroosiota vastaan ja säilyttää tunnelien ja muiden maan alla olevien rakenteiden eheyden, joissa kosteus on aina ongelma.

Nanomuokatut polypropeenivälikappaleet: veden absorptio vähentynyt <0,8 %:iin (vertailukohtana 4,2 %)

Aineistotekniikan viimeaikaiset läpimurrot ovat tehneet materiaaleista huomattavasti kosteudenkestävämpiä nanoalueen muutosten ansiosta. Kun valmistajat upottavat pieniä piidioksidipartikkeleita polypropeeniin, he luovat pinnoille erittäin hyvän veden hylkivyyden. Veden absorptio laskee alle 0,8 prosenttiin, mikä on noin viisi kertaa parempi kuin vanhojen materiaalien, jotka tyypillisesti imaisivat noin 4,2 prosenttia. Vuoden 2024 ASTM-raportti vahvistaa nämä tulokset. Nämä erityisesti käsitellyt materiaalit säilyvät stabiileina, vaikka niitä altistettaisiin pitkäksi aikaa vesipaineelle. Ne täyttävät myös kaikki ASTM C1712 -standardin vaatimukset tuotteille, joiden tulee toimia vedessä tai kosteissa olosuhteissa.

Tämä kaksinkertainen strategia – pintatekniikka ja massamateriaalin muokkaus – takaa välikappaleille kompromissittoman suorituskyvyn vuorovesialueilla, jätevesilaitoksissa ja muilla korkean kosteuspitoisuuden ympäristöillä.

Käytännön vahvistus: Välikappaleiden pitkän aikavälin suorituskyky upotetuissa ja maanalaisissa sovelluksissa

Hongkong–Zhuhai–Macau-silta: 8-vuotinen kenttäsuoritus betonieristeissä meriympäristössä

Hongkong–Zhuhai–Macau-silta on vankka todiste siitä, kuinka hyvin ei-metalliset eristeet kestävät kovia meriympäristöjä. Vuonna 2018 avatun sillan polymeerikomposiittieristeet, jotka sijaitsevat veden alla, ovat joutuneet jatkuvan suolaisen veden altistukseen, säännöllisten vuorovesiliikkeiden sekä normaalia korkeamman klooripitoisuuden vaikutuksiin noin 35 000 osaa miljoonaa kohti. Useiden vuosien jälkeen tehdyt tarkastukset eivät osoita lainkaan korroosion oireita, ja kaikkien siltaan kuuluvien kantavien rakenteiden 50 mm:n betonipeite on pysynyt ehjänä. Tämä on melko erilaista kuin vastaavissa laboratorio-oloissa tehtyjen testien tulokset metallisilla vaihtoehdoilla, joissa syöpymisilmiöt alkoivat jo paljon aiemmin. Saadut tulokset antavat suunnittelijoille luottamusta käyttää näitä materiaaleja muissa rannikkoalueiden infrastruktuuriprojekteissa, jotka kohtaavat samankaltaisia haasteita.

• 98 % puristuslujuuden säilyttäminen kahdeksan vuoden altistumisen jälkeen
• <0,5 mm mitallinen vaihtelu huolimatta toistuvista kosteus- ja kuivumisjaksoista
• Kloridin tunkeutumista ei voida mitata betoni-etäisyttimen rajapinnoissa

Mitallinen stabiilius hydrostaattisessa paineessa: täyttää ASTM C1712 -vaatimukset maanalaisia rakenteita varten

Maahan asennettuja rakenteita varten etäisyyttimien on kestettävä muodonmuutoksia jatkuvan hydrostaattisen kuorman alaisena. Kiihkeät testit ASTM C1712 -standardin mukaan vahvistavat, että epämetalliset etäisyyttimet säilyttävät kriittiset mitalliset toleranssit, kun niitä kohdellaan 15 metrin vesipatsaan paineekvivalentilla. Validointituloksiin kuuluu:

• ±0,2 % tilavuuden laajeneminen 500 tunnin painejakson jälkeen
• 100 % noudattaminen raudoitustankojen asettelun toleransseissa upotetuissa tunneliosissa
• Ei lainkaan vesiväylän muodostumista betoni-etäisyttimen rajapinnoissa

Nämä tulokset vahvistavat luotettavan pitkän aikavälin suorituskyvyn jätevesilaitoksissa, merenalaisissa putkistoissa ja muissa paineistetuissa ympäristöissä, joissa mitallinen stabiilius estää rakenteellisia heikkouksia ja takaa suunnitteluelinkaaren eheyden.

UKK

• Miksi ei-metalliset välikappaleet suositellaan metallivälikappaleiden sijaan kosteissa olosuhteissa?

  Ei-metalliset välikappaleet, jotka on valmistettu erikoisista polymeerikomposiiteista, kestävät elektrokemiallisia reaktioita ja kloridi-ioneja paremmin kuin metallit, mikä estää korroosion ja rakenteellisen hajoamisen kosteissa olosuhteissa.

• Miten hydrofobiset päällysteet parantavat välikappaleiden suorituskykyä?

  Hydrofobiset päällysteet, kuten silaani- ja siloksaanipohjaiset, työntävät veden pois molekyyliasemassa, vähentäen materiaalien vesimäärän absorptiota ja pidentäen niiden eheyttä.

• Mitä etuja nano-modifioidut polypropeenivälikappaleet tarjoavat?

  Nämä välikappaleet imevät huomattavasti vähemmän vettä upotettujen piidioksidipartikkelien ansiosta, tarjoten suurempaa kosteuden kestävyyttä perinteisiin materiaaleihin verrattuna.

• Onko ei-metallisia välikappaleita validoitu käytännön sovelluksissa?

  Kyllä, tutkimukset ja käytännön hankkeet, kuten Hongkong–Zhuhai–Macao-silta, osoittavat, että ei-metalliset välikappaleet voivat säilyttää rakenteellisen eheyden ja kestää korroosiota rajoissa meriympäristöissä.