Neden Betonda Tungsten Karbüre İhtiyacımız Var?

Beton genellikle en çok kullanılan yapı malzemesidir. Kullanıcı dostu, ekonomik, şekillendirilmesi kolay ve verimli bir yapı malzemesidir. Bununla birlikte, düşük elastik modülü, küçük elastik aralığı, düşük çekme ve eğilme mukavemeti ve zayıf geçirgenlik (dolayısıyla korozyona eğilimli) gibi bazı dezavantajları da vardır. Bu nedenle, bu eksikliklerin üstesinden gelmek için betonu güçlendirmek için genellikle metal, polimer ve fiber kullanılır. Betonun performansını toz ve kaba parçacıklar şeklinde güçlendirmek için çeşitli metal karbürler gibi çelik dışındaki sert malzemeleri araştırmak gerekir.

Metal karbürler doğal olarak bulunabileceği gibi farklı endüstrilerin yan ürünleri olarak da üretilebilir. Ancak karbürlerin sertlik, aşınma direnci, çekme mukavemeti, nötron zayıflaması, ısı direnci ve kimyasal atalet gibi benzersiz özellikleri vardır. Kompozitleri sert, korozyona dayanıklı ve kimyasallara dayanıklı hale getirmek ve farklı aletler yapmak için metallere eklenirler. Metal seramiklere karbür ilavesinin daha iyi etkisini elde etmek için. Araştırmacılar bu karbürleri beton katkı maddeleri olarak incelemeye başladılar. Bazı makaleler, SCM boyunca karbür cüruf kullanımının betondaki çimento tüketimini azaltabileceğini göstermektedir. Diğer makaleler de bu tür karbürün daha iyi dayanıklılığa sahip olduğunu doğruladı. Araştırmacılar, nanoparçacıklar, tozlar, pullar veya lifler gibi farklı karbür formları kullandılar. Karbürlerin boyutu ve şekli, kompozitlerdeki özelliklerini etkiler.

Tungsten karbür (WC), radyasyon koruyucu bir malzeme olduğu için faydalıdır. Nano toz formundaki WC, daha yüksek radyasyon koruması ve daha iyi basınç dayanımı sağlar. Ayrıca mükemmel aşınma direncine, sertliğe ve kimyasal stabiliteye sahiptir. Ek olarak, WC yüksek sıcaklık refrakterdir. 18 – 22 GPA'lık bir sertlik ve 700 GPa'lık bir genç modülü ile çok zordur. WC ağı, yüksek sertliği korurken belirli bir plastisite ve yüksek aralıklı süneklik üretebilir. Yüksek korozyon direncine sahiptir. Havaya maruz kaldığında, WC 600 °C'yi aşan sıcaklıklarda korozyon belirtileri gösterecektir. WC aynı zamanda bir elektromanyetik radyasyon emicidir.

WC, mukavemeti arttırmak için tek başına veya farklı metal kompozitlerle karıştırılarak kullanılır. Mukavemeti, kimyasal kararlılığı, sertliği ve yüksek sıcaklık direnci nedeniyle bu seramik karbür, farklı kompozitlerin mekanik özelliklerini geliştirmek için de kullanılır. WC, sinterlenmiş karbür metalin atığıdır ve SiC de bir atıktır.

Tungsten ve tungsten karbür, mükemmel gama radyasyon koruması ve nötron emilimi sağlar. WC, kompozitlerin aşınması ve korozyonu üzerinde sinerjik bir etkiye sahiptir ve kompozitlerin hizmet ömrünü uzatmak için kullanılır. Bilim adamları, alüminyum kompozitlere eklendiğinde, silisyum karbür ve tungsten karbürün karıştırılmasının, her iki karbür de daha sert ve daha güçlü malzemeler olduğu için basınç mukavemetini, çekme mukavemetini ve aşınma direncini iyileştireceğini bulmuşlardır.

Bu makale, karbürlerin (silisyum karbür ve tungsten karbür) beton kompozitlerin mekanik özellikleri ve geçirgenliği üzerindeki etkisini tanıtmakta ve bunların betonla uyumluluğunu belirlemektedir. Bu iki tür karbür, betondaki çimento ağırlığının sırasıyla 1%, 2%, 3% ve 4%'si ile eklenir. İki karbürün 2% ve 4%'sinin karışık bir kombinasyonu da kullanıldı. Betonun yoğunluğu, basınç dayanımı, korozyon direnci ve eğilme dayanımı test edilmiştir.

Yoğunluk 

Şekil 1, tüm beton numunelerin yoğunluğunu göstermektedir. Şekil 4'te gösterildiği gibi, tungsten karbür ve silisyum karbür yüzdesinin artmasıyla betonun yoğunluğu artar. Yoğunluk 4% olduğunda tekli ve karışık karbürlerin ve karışık karbürlerin yoğunluğu maksimuma ulaşır.

Betondaki tungsten karbür yüzdesini artırarak yoğunluk biraz artar. Daha düşük yüzdede tungsten karbür kullanılması nedeniyle yoğunlukta önemli bir değişiklik olmaz. Ancak yine de betonda SiC kullanmanın yoğunluğu artırabileceğini bulduk. WC'nin tipik yoğunluğu, beton bileşiminden daha yüksektir. Kullanılan yüzde çok düşük olsa bile karbürlerin betonun yoğunluğunu artırmasının nedeni bu olabilir.

Şekil 1. Çimento numunelerinin yoğunluğu

basınç dayanımı

Şekil 2, karbonatlı beton kompozitlerin basınç dayanımını göstermektedir. Tek karbür ve karışık karbür oranı 4%'ye yükseldikçe betonun basınç dayanımı biraz artar. WC içeriği 4% olduğunda, basınç dayanımı 17% artar. Basınç dayanımındaki artış, çalışmada kullanılan WC'nin küçük lifli yapısına bağlanabilir. WC küçük elyafın verimlilik ve maliyet açısından çelik elyaf ile karşılaştırılabileceği sonucuna varılabilir. Tipik olarak, araştırmacılar beton hacminin 1 – 3%'si kadar bir lif içeriği kullanırlar. Ancak bu çalışmada kullanılan karbürler, çimentonun ağırlığına göre katkı maddeleridir; Bu nedenle, miktarları sıradan liflerinkinden çok daha düşük olabilir. Bu yöntem, belirli bir oranda çimento içeren malzemelerin kullanımı daha uygun ve daha kolay olduğu için tasarlanmıştır.

Şekil 2. Numunelerin 28 gündeki Basınç Dayanımı. 

Karışık WC'nin betonun basınç dayanımını önemli ölçüde iyileştirebileceği bulunmuştur. Bunun nedeni, karbürlerin daha iyi bir arayüz oluşturması, parçacıkların daha iyi birikmesi, daha az boşluk bırakarak daha yüksek yoğunluk sağlaması olabilir. Basınç dayanımındaki artış, betonun bir bileşeni olarak karbürlerin doğal basınç dayanımına da bağlanabilir.

Bükülme mukavemeti

Mukavemet betonun en önemli özelliğidir. Betonun eğilme dayanımı genellikle zayıftır. Eğilme dayanımı, beton kaplama tasarımında çok önemli bir rol oynar. Çekme / eğilme mukavemetinin arttırılması, araştırmacıların ulaşmayı umduğu hedeftir. Yüksek çekme / eğilme mukavemetine sahip beton, çatlak ve dayanıklılık sorunlarına daha az eğilimlidir. Ayrıca, beton kaplama tasarımında eğilme dayanımı en önemli performanstır. Şimdi araştırmacılar, farklı katkı maddeleri, lifler ve diğer kaplama beton teknolojilerini kullanarak eğilme mukavemetini iyileştirmeye çalışıyorlar.

Betondaki farklı karbür yüzdelerinin eğilme kalitesi üzerindeki etkisi Şekil 3'te gösterilmektedir.

Şekil 3. Numunenin 28 gündeki eğilme mukavemeti.

Bireysel ve karışık karbürler eklenerek betonun eğilme dayanımı önemli ölçüde iyileştirilir. WC yüksek çekme mukavemetine sahiptir ancak küçük lifler şeklinde kullanılır. Kullanım miktarı çok az olsa bile eğilme mukavemetini önemli ölçüde artırabilir. Silisyum karbür levhalar prizmaların kolayca zarar görmesine izin vermez. Betonun eğilme mukavemetini artırmak için yeterli takviye sağlarlar. WC yüksek çekme / eğilme mukavemetine sahip olmasına rağmen, küçük boyutu (3 ila 4 mm) nedeniyle çekme gerilimini etkin bir şekilde aktaramaz. Karbürlerin doğal mukavemeti ne kadar yüksek olursa, kompozitlerin eğilme mukavemeti de o kadar yüksek olur. Ayrıca aşınma direnci kompozit partiküllerin kolayca hareket etmesine izin vermez. Bu, kompozitin mukavemetini daha yüksek hale getirir.

WC ve diğer karbürlerin karışımı yüksek eğilme mukavemetine sahiptir. WC, sinerjik etkisinden dolayı genellikle diğer metallerle karıştırılır. Bazı bilim adamları, WC ve SiC'nin kompozitler üzerinde sinerjik etkileri olduğunu bulmuşlardır. Kompozitlerin güçlendirilmesinde iki karbür arasında sinerjik bir etki buldular. WC + SiC kompozitlerinin daha iyi sonuçları, karbür kompozitlerin daha iyi arayüze ve sinerjik etkisine bağlanabilir. ANOVA analizi, bükülme mukavemetini iyileştirmede fiber yüzdesinin rolünün, iki karbür yüzdesinin eğilme mukavemeti üzerindeki önemli etkisini de doğruladığını buldu.

Şekil 4. WC yüzdesindeki artışla Eğilme Dayanımı Değişimi. 

Hızlı Klorür Geçirgenlik Testi 

Betonun geçirgenliği, diğer dayanıklılık problemlerini kontrol etmek için anahtar özelliktir. Daha yüksek geçirgenlik, daha düşük dayanıklılık, daha yüksek korozyon potansiyeli ve diğer dayanıklılık sorunları ile ilgilidir. RCPT testi, çeliğin klorür geçirgenliğini ve korozyon olasılığını gösteren standart bir test yöntemidir. 4% tekli ve karışık karbürler için en iyi sonuçları elde ettikten sonra, bu beton karbürler için hızlı bir klorür tayini yapıldı.

Şekil 5, arabanın içinden geçen kompozit ve sıradan betonun ortalama yüklerini karşılaştırarak RCPT sonuçlarını göstermektedir. Test, minimum şarjın WC 4%'yi geçtiği sonucuna vardı.

Şekil 5. Numunelerin Hızlı Klorür Geçirgenlik Testi. 

Sonuçlar, WC'nin klorür iyonu penetrasyonuna karşı en büyük dirence sahip olduğunu göstermektedir. Tek başına veya karıştırıldığında WC, beton kompozitlerin geçirgenliğini azaltır. WC çok yoğundur ve iyonların geçmesine izin vermez. Bu nedenle, az miktarda WC bile iyonların betondan geçmesine engel teşkil edebilir. Ancak silisyum karbür daha yüksek geçirgenlik gösterir. Hibrit karbür kompozitler, sinerjik etkileri ve daha iyi yoğunlukları nedeniyle geçirgenliği azaltır.

Alan emisyon taramalı elektron mikroskobu

Şekil 6, kontrol (a), wc4% (B – d) ve sic4% (E, f) numunelerinin alan emisyon taramalı elektron mikroskobu görüntülerini göstermektedir.

Şekil 6. (a) kontrol numunesi, (b–d) WC4% numunesi ve (e,f) SiC4% numuneleri için FESEM sonuçları. 

Şekil 10B'de, hidrasyon ürünü altındaki sivri metalik parlaklık, WC tüylerinin varlığını göstermektedir. Açıkçası, iğne çatlağı kapatmak için çok ince bir çatlaktan geçer. WC bariz ITZ göstermiyor, bu da WC eklenmesinin daha iyi mukavemete yol açmasının nedeni olabilir. Tungsten karbür bıyıkları katı metallere benzer ve belirgin gözenekleri yoktur. WC ayrıca hidrasyon ürünlerini de çekiyor gibi görünüyor. Şekil 10d'de, WC iğnesinin ucunda oluşabilen beyaz tuz hidrasyon ürünlerinden oluşan bir daire görülmektedir. İyi ara katman ve net olmayan ITZ, WC'nin betonla daha iyi uyumlu olduğunu ve bunun daha iyi dayanım sağladığını göstermektedir. Belirgin bir gözeneklilik, düşük geçirgenliğe yol açmaz.

çözüm

Bu çalışmada, dünyanın en sert malzemelerinden biri olan tungsten karbürün (WC) betonun basınç dayanımı, eğilme dayanımı ve geçirgenliği üzerindeki etkileri incelenmiştir. Karbür beton kompozitleri üretmek için tek başına tungsten karbürü kullanmak ve çimento ağırlığının 4%'sine karışık halde eklemek çok iyi bir seçim olacaktır.

Bireysel ve karışık formlarda karbür yüzdesinin artması betonun basınç dayanımını ve eğilme dayanımını arttırır. Basınç dayanımının artmasıyla WC beton kompozitinin (yani 17%) basınç dayanımı SiC kompozitinkinden daha yüksektir (basınç dayanımı 6% artar). WC özellikle kaldırım betonu için uygundur.

Dozaj 4% olduğunda, WC ve hibrit kompozitlerin geçirgenliği nispeten düşüktür. FESEM görüntüleri de sonuçları doğruladı. Açıkçası, hem tungsten hem de karbür performansı iyileştirebilir ve betonla uyumlu olabilir. Bununla birlikte, hibrit karbür kompozitler, mekanik mukavemeti, özellikle eğilme mukavemetini geliştirerek ve geçirgenliği azaltarak sinerjik etkiler sağlar.

gelecek için öneriler

Kompozitlerin özellikleri 4% eklenerek doğrudan iyileştirilir. Bu, daha yüksek bir tungsten karbür yüzdesinin araştırılabileceği anlamına gelir. Bu çalışma, nötron koruyucu, kurşun geçirmez, nükleer reaktörler için elektromanyetik radyasyon bariyerleri ve 3D baskı dahil olmak üzere kurucu karbürlerinin diğer benzersiz özelliklerini elde etmek için beton kompozitlere daha da genişletilebilir. Olumlu sonuçlar alınırsa özel niteliklere sahip çimento ve beton üretiminin önünü açabilir.