Korrosionskänslighet hos potentiella bergbultar i luftat multijoniskt simulerat koncentrerat vatten

Abstrakt

Bergbultar som används för förstärkning av underjordiska gruvor, tunnlar och kärnavfallsförvar består av låg- och medelkolstål och höghållfasta låglegerade stål. Typiska bergbultsystem som används för bergförstärkning är mekaniskt förankrade bultar, injekteringsbruk förankrade, friktionsbergstabilisatorer och strängankare. För kärnavfallsförvar som Yucca Mountain (YM) samt för gruvor och tunnlar är, förutom mekaniska egenskaper, även korrosionsegenskaper viktiga på grund av potentiellt läckage av vatten genom sprickorna eller porerna i berget.

Under en tillfällig bergstödsperiod på 50–100 år bör temperaturen i tunneln vid YM hållas vid omgivningsförhållanden. Om bergbultarna av någon anledning utsätts för YM-vatten och höga temperaturer i tunneln finns det risk för korrosion av stålbultar. I denna studie har ett försök gjorts att studera korrosionsegenskaperna hos olika potentiella bergbultar för YM-tunnelstöd med hjälp av elektrokemisk korrosionsprovning. Vid omgivningstemperatur (25 C) visade alla bergbultar som studerades god korrosionsbeständighet i dessa vatten.

Vid högre temperaturer, 60 C och 90 C, minskade korrosionsbeständigheten hos bergbultar, men på grund av speciell spänningsavlastande värmebehandling av en av friktionsbergstabilisatorerna (Swellex Mn 24) var korrosionshastigheterna lägre än alla andra testade bergbultar. Obs: Swellex, Split set och Williams är de egna namnen för Atlas Copco, International Roll Forms, Inc. och Williams Form Engineering Corp.

Introduktion

Yucca Mountain (YM) betraktas som förvarsplats för permanent slutförvaring av upp till 70 000 ton högaktivt radioaktivt avfall. De underjordiska utgrävningarna stöds med bergförstärkning som bergbultar och I-balkar. Avdriftsdesignen för Yucca Mountains kärnavfallsförvar visas i fig. 1 (http://www.ocrwm.doe.gov/ym_repository/studies/engdesign/tunneldesign.shtml). Utvecklingen av interna bergstödssystem började i början av 1900-talet. År 1936 använde blygruvan St. Joseph i Missouri för första gången delade kilar för förstärkning av gruvtak (USBM, 1987) och i mitten av 1940-talet utvecklades expansionsankarbulten.

1960 användes hartsbaserade injekteringsbultar för underjordisk bergförstärkning och i mitten av 1970-talet hade friktionsstabilisatorerna, deformerbara stålrör, använts för bergstöd. Nu, runt om i världen, används olika typer av bergbultar såsom mekaniskt förankrade, injekteringsbruksförankrade, friktionsstabilisatorankare, strandankare och andra sekundära bergtillbehör för bergförstärkning i gruvdrift, tunnlar och kärnkraftsförvar (Leedy, 1993). Vanligt använda bergbultssystem visas i fig. 2 (http://www.williamsform.com/ Ground_Anchors/ground_anchors.html;http://www.splitset.com/ rock-bolts.html).

Bergbultar är i första hand konstruerade för god mekanisk hållfasthet och styvhet för att upprätthålla bergbelastningen (Brady och Brown, 2006; Pariseav, 2007). Bergbultens hållbarhet kan dock också bero på andra egenskaper såsom korrosion på grund av temperatur och miljö som bergbulten utsätts för. YM ligger i en torr ökenregion med en nuvarande genomsnittlig årlig nederbörd plus snöfall på totalt 19 cm, läckage av en bråkdel av detta vatten i drivorna kan eventuellt angripa bergbultarna (Gordon, 2002). Men det totala vattnet på grund av regn och snöfall är trivialt jämfört med vatten i mättad stenzon i YM, porös sten (Gordon, 2002). På grund av förskjutningar i bergmassan finns risk för att porvatten kommer i kontakt med bergbultarna. Den potentiella skadan av bergbultar på YM-platsen kan bero på våtkorrosion. Baserat på bergets kemi och brunnsvattnen i YM-tuffar kan olika typer av vattenkemi med olika nivåer av anjoner som klorid, nitrat, sulfat, silikater och bikarbonat och katjoner som natrium, kalcium, kalium och magnesium stöta på ( Gordon, 2002). Med tanke på alla ovan nämnda anjoner och katjoner simulerades multijoniskt vatten, kallat YM-vatten vid University of Nevada, Reno (UNR). Detta YM-vatten designades med både de korrosionsförbättrande jonerna (t.ex. klorider) och de korrosionsinhiberande jonerna (t.ex. silikater).

Swellex friktionsbergbult är en av bergbultar som anses vara bergförstärkningsmaterial. Olika typer av Swellex-bultar finns tillgängliga såsom standard Swellex, super Swellex, Swellex Mn 24 och Swellex Pm 24. Super Swellex™ installerades vid YM underjordiska laboratoriet, Exploratory Studies Facility (ESF) för berginformantstudie (http://www. .noov.com/old-mining/arch/feat/auni.htm). Split set™ stabilisator är också en välkänd friktionsrörstabilisator som används vid många underjordiska gruvor (Ranasooriya, 1999). Andra bergbultar som Williams bergbult (http://www.williamsform.com/Ground_Anchors/ground_anchors.html) används också ofta för underjordisk förstärkning och stöd. I denna studie utfördes en kort elektrokemisk korrosionsstudie på tre Swellex bergbultar, spilld set, Williams bergbult av medium kolstål och I-balk av lågkolstål (Yilmaz, 2003; Deodeshmukh et al., 2004). Den slutliga brottbelastningen för bergbultar som används i denna studie anges i tabell 1 (Stimpson, 1998; http://sg01.atlascopco.com/SGSite/default_prod.asp?redirpage= products/product_group.asp&redirid=Rock%20bolts). Den kemiska sammansättningen av bergbulten och vattenkemin som används i denna studie anges i tabell 2 respektive 3.

Slutsatser

Vid omgivningstemperatur är det ingen skillnad i korrosionsbeständighet bland de testade bergbultarna. Ökning av temperaturen upp till 60 C har ingen större effekt på korrosionshastigheten för bergbultar, förutom Split set. Nedbrytningen av bergbultar är allvarlig vid 90 C på grund av påverkan av klorider och löst syre. Bland alla bergbultar verkar Swellex Mn 24 vara mer tillförlitlig när det gäller korrosionsbeständighet vid alla temperaturer.

Referens

Suresh Divi; Dhanesh Chandra; Jaak Daemen (2011).Korrosionskänslighet hos potentiella bergbultar i luftat multijoniskt simulerat koncentrerat vatten. , 26(1), 124–129.doi:10.1016/j.tust.2010.07.003