О применении углеродных нанотрубок в производстве металлических мостов.

В России успешно развиваются нанотехнологии, в частности технологии получения различных наномодификаций углерода. Приоритетной остается задача внедрения этих материалов в дорожную отрасль, в том числе при строительстве искусственных сооружений.

О применении углеродных нанотрубок в производстве металлических мостов рассказал руководитель направления неорганических наноматериалов Национального исследовательского института цифрового материаловедения и технологий (НИИЦМиТ) Егор Шестаков.

Типы стальных мостов

Существуют различные типы стальных мостов, которые могут быть классифицированы по нескольким критериям:• По виду транспортной нагрузки: пешеходные, автомобильные, железнодорожные, комбинированные.

• По типу конструкции: балочные, распорные (арочные, вантовые), подвесные, комбинированные.
• По протяженности: малые (до 25 м), средние (25–100 м) и длинные (свыше 100 м). 

Для возведения тех или иных типов мостовых конструкций используются различные материалы, такие как стальные и алюминиевые сплавы, железобетон и камень. Последующее добавление в состав стали и бетона нанотрубок может повысить их качество и улучшить характеристики.

Конструктивные особенности

В любом исполнении моста есть две главные составляющие: 

1) опорная часть, которая передает статическую и динамическую нагрузку всей конструкции на грунт;

2) пролетное строение, размещенное на опорах и занимающее пространство между ними, – оно принимает на себя все нагрузки от движущегося транспорта и пешеходов, передавая их на опоры.

Пролетные сооружения включают в себя различные элементы, такие как балки, ригели, фермы, перила, тротуары, дорожные покрытия, водосливы и другие элементы, которые подбираются индивидуально для каждого мостового сооружения в зависимости от его технических особенностей и методов строительства.Опоры моста состоят из трех основных компонентов: фундамента, тела и оголовка. Фундамент представляет собой нижнюю часть опоры, которая опирается на грунт. Тело опоры – это средний участок, а оголовок – верхняя часть опоры,которая принимает на себя нагрузки от пролетного строения.

Проектирование и обслуживание

По мере эксплуатации элементы конструкции моста испытывают разное нагружение, кроме того, они подвержены различному влиянию окружающей среды – все это приводит к разнице в долговечности. В настоящее время используют так называемый метод иерархического модульного деления стальных конструкций. Индивидуальный расчет срока службы каждого компонента обеспечивает соответствие долговечности каждого уровня необходимым требованиям, что позволяет оптимизировать общую конструкцию, снижая затраты на строительство и техническое обслуживание, продлевая время эксплуатации мостовых конструкций.Для оптимизации мероприятий по ремонту конструкций проектируется весь жизненный цикл эксплуатации моста – при этом используется метод анализа изменяющейся во времени надежности. Для каждой конкретной конструкции  предлагается оптимальный с точки зрения надежности метод проектирования моста на весь срок службы.

Будет рациональным нанесение углеродного покрытия на элементы моста, находящиеся в агрессивных средах.

Полотно наноматериала «зачехлит» основной металл отисточников коррозии. Также целесообразно использовать нанотрубки в элементах моста, отвечающих требованиям жесткости и легкости одновременно. Сами нанотрубки почти ничего не весят, и их удельный вес в составном материале будет незначительным.

Правильный выбор

При выборе стали для мостостроения учитываются следующие качества.

ПРОЧНОСТЬ. Конструкционные стальные сплавы должны обладать высокой прочностью, чтобы выдерживать большие нагрузки как в растяжении, так и в сжатии и скручивании металла.

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ. Выбранная сталь должна обладать длительным сроком службы, чтобы обеспечить надежность и безопасность мостовой конструкции на протяжении многих лет.

ВЯЗКОСТЬ ПРИ УДАРНЫХ НАГРУЗКАХ. Металл должен обладать достаточной вязкостью для поглощения ударной энергии без разрушения.

ВЫНОСЛИВОСТЬ. Сталь должна быть способна выдерживать возникающие напряжения в течение длительного времени без потери прочности.

УСТОЙЧИВОСТЬ К НИЗКИМ ТЕМПЕРАТУРАМ. Мосты часто работают в условиях с низкими температурами, поэтому сталь должна быть устойчивой к холоду, не теряя своих характеристик.

Влияние нанотрубок на параметры стали

Углеродные нанотрубки представляют собой аллотропную модификацию углерода в виде полой цилиндрической структуры диаметром от десятых до нескольких десятков нанометров и длиной от одного микрометра до нескольких сантиметров, состоящую из одной или нескольких свернутых в трубку графеновых плоскостей.

Углеродные нанотрубки (УНТ) обладают стабильными химическими свойствами, высокой прочностью на сжатие, высоким модулем упругости, сильной коррозионной стойкостью и хорошей электропроводностью. Кроме

того, УНТ как наноразмерные материалы оказывают тормозящее действие на расширение микротрещин и обладают хорошими связующими свойствами, которые могут изменить способ передачи нагрузки.

С давних пор для ответственных конструкций исполь зуют сложные сплавы, состоящие в основном из железа и углерода (то, что мы называем коротким словом «сталь»). Стали отличаются от нанокомпозитов лишь тем, что углерод в них содержится в виде фазы твердого раствора внедрения – феррита, а также в виде хрупкой фазы цементита.

Концентрация углерода, особенно в конструкционных сталях, играет решающую роль в их свойствах. Влияние углерода зависит как от структурного состояния стали, так и от ее термической обработки.

Количество цементита, который характеризуется высокой твердостью и хрупкостью, увеличивается с повышением концентрации углерода. Следовательно,с ростом содержания углерода повышается прочность и твердость, но уменьшается пластичность и вязкость стали. Увеличение концентрации углерода также снижает ударную вязкость и увеличивает верхний предел хладноломкости, расширяя температурный диапазон, в котором сталь становится хрупкой. Влияние углерода особенно заметно в случае неравновесной структуры стали. После закалки на мартенсит легированных сталей временное сопротивление растет с увеличением концентрации углерода и достигает максимума при 0,4 % углерода. При более высокой концентрации углерода временное сопротивление становится нестабильным из-за хрупкого разрушения стали, что проявляется в низкой ударной вязкости.Углерод также влияет на технологические свойства стали. Увеличение его содержания приводит к снижению способности стали к деформации в горячем и особенно в холодном состоянии, а также затрудняет свариваемость.

Однако введение углерода в металл в виде химически стабильных нанотрубок преобразует сталь в композитный материал. Нанотрубки можно включать либо в сам состав стали при изготовлении, либо наносить на поверхность готового стального изделия. Первый способ является энергоемким и затратным. Наиболее доступными и широко используемыми методами получения металломатричных композитов с нанотрубками являются твердофазные методы порошковой металлургии. Типовой технологический процесс изготовления образцов состоит из смешивания компонентов и их консолидации. Смешивание проводят с применением механического легирования в мельницах различного типа, а консолидацию проводят путем искрового плазменного спекания. Самым сложным остается вопрос ограничения агломерации нанотрубок в другую модификацию углерода при технологических операциях. Это условие лимитирует содержание нано трубок в металле.При втором способе нанотрубки осаждаются на поверхность металла, образуя сплошной слой нанопокрытия. Адгезия трубок происходит благодаря свободным валентностям атомов углерода, который схватывается с атомами железа, выступающими в роли катализатора.

Толщина нанопокрытия здесь также ограничена деактивацией наружного слоя металла. Проблема нанесения УНТ таким способом заключается в разработке технологии покрытия конструкций сложной формы.

Использование дополнительного покрытия из нанотрубок на металлоконструкции моста способно уменьшить ее массу. При этом эффективность уменьшения массы будет зависеть от нескольких факторов, включая тип и количество нанотрубок, метод их введения в материал, требования к конструкции моста и условия его эксплуатации.

Важно отметить, что применение нанотрубок в строительстве мостов является относительно новым исследовательским направлением и многие аспекты их использования требуют дальнейших исследований и разработок.Для точного расчета уменьшения массы металлоконструкции и оценки эффективности использования нанотрубок в конкретных условиях требуется проведение подробных исследований и испытаний.

В настоящее время отечественные ученые проводят физические эксперименты с новыми материалами. Путем полуэмпирического подхода они находят оптимальную концентрацию нанотрубок в их составе, моделируют жизненный цикл эксплуатации мостов и валидируют их с пилотными испытаниями.

Фото: shutterstock.com