авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального

образования

Пензенский государственный университет

архитектуры и строительства

УДК 624.69.72 УТВЕРЖДАЮ

№ госрегистрации 01200964015 Ректор Ю.П. Скачков

Инв. № «_» 2010 г.

ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ УПРАВЛЕНИЕ СТРУКТУРОЙ И СВОЙСТВАМИ РАДИАЦИОННО ЗАЩИТНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ РАСПЛАВОВ. МЕТОДОЛОГИЯ СИНТЕЗА, ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА КОМПОНЕНТОВ, ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАПРАВЛЕННОГО СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ (заключительный) Начальник НИС к.т.н., доцент _ Е.Н. Тамбовцев подпись, дата Руководитель темы д.т.н., профессор, советник РААСН _ Е.В. Королёв подпись, дата Пенза – СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ Руководитель темы, д.т.н., профессор, Е.В. Королёв _ советник РААСН подпись, дата Исполнители темы А.П. Самошин _ подпись, дата В.А. Смирнов _ подпись, дата А.Н. Гришина _ подпись, дата О.В. Королёва _ подпись, дата М.И. Кувшинова _ подпись, дата Д.Г. Киселёв _ подпись, дата А.С. Иноземцев _ подпись, дата С.С. Иноземцев _ подпись, дата Нормоконтролер Н.В. Гусева _ подпись, дата Реферат Отчет 248 с., 1 ч., 81 рис., 69 табл., 165 источников, 4 прил.

РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ РАСПЛАВОВ, МЕТОДОЛОГИЯ СИНТЕЗА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ, ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Объектом исследования являются радиационно-защитные композиты на основе расплавов.

Цель исследования изучение особенностей структурообразования, разработка – математической модели радиационно-защитного композита и разработка технологии изготовления композита.

На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны эффективные составы композитов вариатропно-каркасной структуры на основе расплавов, обладающих высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами (линейным коэффициентом ослабления гамма-излучения - 0,265…0,890 см-1, коэффициентом выведения нейтронов 0,019…0,02 см-1, средней плотностью - 6300...8250 кг/м3, пределом прочности при сжатии – 13,1…16,3 МПа, ударной прочностью - 6,26…16,66 Дж/см3, максимальной рабочей температурой C, коэффициентом химической стойкости в растворах кислот - 0,37…1,0) и 80… предназначенные для изготовления защитных конструкций бункеров и хранилищ радиоактивных отходов, а также для изготовления строительных изделий, эксплуатирующихся в условиях гамма и смешанного гамма-нейтронного излучения.

В результате исследования впервые получены экспериментально-статистические модели влияния основных рецептурных и технологических факторов на физико-механические и эксплуатационные свойства, определяющие качество радиационно-защитных композитов на основе расплавов.

Выполнено моделирование структурных уровней композитов вариатропно-каркасной структуры, показано, что виброуплотнение композиции сокращает время реализации кубической укладки частиц на 25%. Исследовано влияние вязкости пропиточной композиции на динамику и полноту пропитки, показано, что при пропитке каркаса расплавом свинца повышение температуры расплава от 500 до 600 0С приводит к возрастанию включенной в контакт площади с 91 до 97%. Найдены температурные поля, развивающиеся в композите при облучении.

Степень внедрения – промышленная апробация разработанных металлобетонов проведена на предприятии ООО «Новые технологии» (г. Пенза). Экономический эффект оценивается в рублей на 1 м2 поверхности пола в ценах на начало 2007 года.

Содержание ТРАДИЦИОННЫЕ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫЕ И КАРКАСНЫЕ БЕТОНЫ................ Ионизирующие излучения и требования к материалам защиты.................................... 1. Традиционные радиационно-защитные материалы....................................................... 1. Металлобетоны: разновидности, составы, физико-механические свойства, способы 1. получения Свойства и технология изготовления каркасных бетонов............................................ 1. МЕТОДИКИ И АЛГОРИТМ СИНТЕЗА РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ.......................................................................................................................... Полиструктурная теория................................................................................................... 2. Преодоление неопределённостей целей при многокритериальной оптимизации...... 2. Определение химического состава радиационно-защитного материала..................... 2. Выбор типа структуры радиационно-защитного материала......................................... 2. Декомпозиция системы критериев качества радиационно-защитного 2. композиционного материала и его структурных составляющих.................................................... Методика определения управляющих рецептурных и технологических факторов... 2. Методики уменьшения количества альтернатив............................................................ 2. Выбор вида вяжущего вещества............................................................................. 2.7. Выбор вида наполнителя......................................................................................... 2.7. Выбор вида заполнителя.......................................................................................... 2.7. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ВАРИАТРОПНО-КАРКАСНОЙ СТРУКТУРЫ.................................................................................... Модели процессов структурообразования...................................................................... 3. Модель формирования крупнопористого каркаса................................................ 3.1. Модель пропитки каркаса...................................................................................... 3.1. Модель процессов переноса.................................................................................. 3.1. Особенности коммерческих реализаций в пакетах CAM/CAE................................... 3. Свободные пакеты процедур численного моделирования.......................................... 3. Архитектура и реализация авторского программного обеспечения.......................... 3. Платформа и архитектура программного обеспечения...................................... 3.4. Реализация расчётных алгоритмов....................................................................... 3.4. Численный эксперимент................................................................................................. 3. Формирование крупнопористого каркаса............................................................ 3.5. Пропитка каркаса................................................................................................... 3.5. Внутренние напряжения........................................................................................ 3.5. Радиационный разогрев......................................................................................... 3.5. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРУПНОПОРИСТЫХ КАМЕННЫХ КАРКАСОВ............................................................................................................................................. Средняя плотность и пустотность.................................................................................. 4. Прочностные и деформативные свойства..................................................................... 4. Теплофизические свойства............................................................................................. 4. Многокритериальная оптимизация составов каркасов................................................ 4. СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ МЕТАЛЛОБЕТОНОВ ВАРИАТРОПНО–КАРКАСНОЙ СТРУКТУРЫ........................................................................................................................................... Проектирование состава радиационно-защитных металлобетонов вариатропно 5. каркасной структуры.......................................................................................................................... Смачиваемость поверхности заполнителя расплавом свинца.................................... 5. Средняя плотность и пористость................................................................................... 5. Прочностные и деформативные свойства..................................................................... 5. Теплофизические свойства............................................................................................. 5. Химическая стойкость..................................................................................................... 5. Сопротивление удару...................................................................................................... 5. Термическая прочность................................................................................................... 5. Радиационно-защитные свойства................................................................................... 5. Заключение.............................................................................................................................................. Список использованных источников.................................................................................................... Приложение А......................................................................................................................................... Приложение Б.......................................................................................................................................... Приложение В......................................................................................................................................... Приложение Г.......................................................................................................................................... Введение Экспертные оценки запасов природных углеводородов указывают, что при существующих темпах экономического и промышленного роста их природные запасы будут исчерпаны к середине XXI века. Это заставляет мировое сообщество обратить особое внимание на атомную энергетику, которая, как предполагается, станет лидером в производстве электроэнергии.

Приоритет в развитии атомной энергетики установлен и в России: Правительством РФ одобрена программа «Стратегия развития атомной энергетики России в первой половине XXI века». Это потребует создания новых эффективных строительных материалов для защиты от радиации.

Для обеспечения радиационной безопасности на объектах атомной энергетики и других отраслей промышленности широкое применение получили металлические, полимерные и композиционные строительные материалы. Металлические материалы применяют в основном для изготовления ответственных узлов и агрегатов ядерных энергетических установок, эксплуатирующихся в условиях повышенных радиационных нагрузок и температур.

Композиционные строительные материалы используются для изготовления биологической защиты реакторов, контейнеров и хранилищ радиоактивных материалов и отходов, а полимерные материалы – для изготовления электроизоляционных материалов проводов и кабелей, а также различных уплотнителей.

В научной школе А.П. Прошина создаются новые эффективные строительные материалы, предназначенные для защиты от радиации. Для обеспечения радиационной защиты на объектах атомной энергетики перспективными являются также металлобетоны, сочетающие свойства пластичных металлических матриц и каменного заполнителя. В научной школе профессора Ю.Б.

Потапова разработаны научные основы создания конструкционных металлобетонов. Однако существующие литейные технологии изготовления таких материалов не обеспечивают однородного распределения заполнителя по объёму изделия и, следовательно, высокого качества металлобетона. Решить эту задачу можно путём создания металлобетона вариатропно-каркасной структуры (МБВКС).

Эффективным методом анализа сложных систем, позволяющим исследовать процессы структурообразования материала при различных сочетаниях рецептурно-технологических факторов изготовления и условий эксплуатации, является математическое моделирование. Как «третий метод» познания математическое моделирование сочетает достоинства теоретических и экспериментальных методов и даёт возможность принятия решений о выборе рациональных сочетаний управляющих воздействий на этапе разработки.

Теоретической и методологической основой исследований являются разработки отечественных и зарубежных учёных в области строительного материаловедения, механики разрушения композитов, современного бетоноведения, системного анализа.

1 ТРАДИЦИОННЫЕ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫЕ И КАРКАСНЫЕ БЕТОНЫ Ионизирующие излучения и требования к материалам защиты 1. При ядерных реакциях образуются различные элементарные частицы: нейтроны, электроны, протоны, альфа-частицы, атомные осколки деления, гамма-кванты, мезоны и др. Проникающая способность этих частиц не одинакова. Электроны, протоны, альфа-частицы и осколки деления имеют электрический заряд, что обеспечивает их быстрое торможение в сравнительно тонких слоях вещества. Так, например, пробег наиболее проникающей из перечисленных частиц – электрона с энергией 5…6 МэВ – в алюминии равен приблизительно 1 см [1].

Основную опасность для окружающей среды и трудность в организации инженерной защиты представляют нейтральные частицы – нейтроны и гамма-кванты. Поток нейтронов, проходя через вещество, взаимодействует в основном только с ядрами атомов. Столкновение нейтрона с ядром может привести к одному из следующих процессов: упругому рассеянию, неупругому рассеянию, расщеплению с вылетом заряженных частиц, делению ядер и радиационному захвату. Защита от нейтронного потока с инженерной точки зрения представляет трудную задачу. Если при прохождении -лучей в веществе интенсивность их ослабления пропорциональна плотности и атомному номеру вещества, то при ослаблении нейтронного потока такой зависимости не существует.

Замедление и поглощение нейтронов различных энергий являются многостадийными процессами. Быстрые нейтроны плохо поглощаются ядрами, поэтому их замедляют до тепловых, а тепловые поглощаются за счёт реакций (n, ), (n, p), (n, ).

Замедление быстрых нейтронов высоких энергий до средних энергий интенсивно производится элементами, обладающими способностью неупругого рассеяния нейтронов. К их числу относятся, например, барий и железо [2]. Замедление нейтронов средних энергий до малых энергий интенсивнее осуществляется лёгкими элементами. Хорошим замедлителем является вода, в частности содержащийся в ней водород, который не только замедляет, но и захватывает медленные нейтроны. Поэтому наличие водорода в материале, предназначенном для защитного сооружения, является весьма желательным. К числу эффективных элементов для захвата и по глощения медленных нейтронов относятся бор, литий и кадмий.

Расчёт защиты для ослабления и поглощения нейтронного излучения производится в -излучения. Ослабление узкого пучка основном по тому же принципу, что и расчёт защиты от нейтронов материалом выражается уравнением:

x N = Noe, где No – доза нейтронного излучения, полученная в данной точке при отсутствии защитного экрана;

N – доза нейтронного излучения, полученная в данной точке после прохождения через защитный экран, толщиной х, см;

– макроскопическое поперечное сечение захвата, см-1.

Эмпирические коэффициенты макроскопического поперечного сечения захвата, по данным [2], равны: для воды – 0,1 см-1;

для бетона – 0,09 см-1;

для железобетона – 0,16 см-1..

Гамма-лучи представляют собой поток электромагнитных волн, испускаемых ядрами атомов. Они отличаются от лучей видимого света длиной волны. Если лучам видимой части спектра соответствует диапазон длин электромагнитных волн (4…8)10-7 м, рентгеновским =10-9…10-11 м, то -лучам – =10-10…10-13 м [3]. Диапазону длин волн -лучей лучам – соответствует энергия фотонов от десятков тысяч электронвольт (кэВ) до нескольких мегаэлектронвольт (МэВ). При прохождении -лучей через вещество их ослабление происходит в результате ряда процессов, важнейшими из которых являются: фотоэффект, рассеяние на атомных электронах или эффект Комптона и образования пар электронов и позитронов. Наряду с этими явлениями наблюдаются и другие, например когерентное рассеяние и ядерный фотоэффект, однако их доля в суммарном эффекте ослабления потока -лучей незначительна.

Как известно, защитные свойства материалов характеризуются линейным коэффициентом ослабления пучка -квантов. Интенсивность пучка -квантов при прохождении через вещество изменяется по закону I = I o e µx, где Iо– интенсивность падающего на материал пучка -лучей;

х – толщина образца;

µ – линейный коэффициент ослабления;

I – интенсивность пучка после прохождения через слой материала.

Линейный коэффициент ослабления µ учитывает толщину материала, ослабляющую интенсивность потока -лучей в e раз, и рассчитывается как сумма трёх слагаемых: коэффициента µф, µнк фотоэлектрического ослабления коэффициента комптоновского ослабления и коэффициента парного ослабления µп:

µ = µф + µнк + µп.

Линейный коэффициент ослабления зависит от плотности вещества и порядковых номеров элементов, из которых состоит вещество. Например, в случае фотоэффекта линейный коэффициент ослабления выражается следующим соотношением:

4, z µ ф = 0,0089, h А где плотность вещества поглотителя;

z и А – соответственно, порядковый номер и атомная масса элемента;

длина волны -кванта;

h – эмпирический коэффициент.

Микроскопическое сечение комптон-эффекта к пропорционально порядковому номеру элемента материала защиты:

к z.

Если энергия падающего излучения достаточно велика, то при взаимодействии с материалом защиты возникает эффект образования электрон-позитронных пар, микроскопическое сечение которого пропорционально квадрату порядкового номера элемента п z E и монотонно возрастает с E = 1,022 до 50 МэВ для веществ с большим z.

Таким образом, чем выше плотность поглотителя и больше порядковые номера элементов, из которых состоит поглотитель, тем выше будут его защитные свойства по отношению к излучению [4, 5].

В тех случаях, когда толщина защиты, по условиям технологии не ограничена, оптимальным вариантом оказываются защиты из местного материала. При этом низкие защитные свойства материалов компенсируются габаритами защитных сооружений [3, 6].

Для возведения защитных экранов могут использоваться практически все природные материалы: горные породы, пески, глины, грунты, вода, а также традиционные строительные материалы: металлы, бетоны, строительные растворы, керамика, силикатные бетоны и др. В случае, когда, по технологическим условиям, толщина защитного экрана ограничена или должна быть выполнена минимально возможной вне зависимости от стоимости и других технико экономических характеристик, применяются материалы, наиболее эффективные по химическому составу и плотности: свинец, сталь, чугун, особо тяжёлые бетоны (магнетитовый, гематитовый, бетоны на чугунном или стальном ломе и др. [7]).

Материалы, используемые для устройства защиты от излучений, должны иметь или обеспечивать [3, 6]:

1) максимально возможную плотность;

способствующую максимальному ослаблению первичного и вторичного -излучения и замедлению быстрых нейтронов;

2) минимальное образование и минимальную энергию вторичных излучений, в частности минимальный выход -излучений с минимальной энергией, возникающей при захвате фотонов;

3) высокую радиационную и термическую стойкость;

4) низкую наведённую радиоактивность в защите, то есть минимальное накопление долгоживущих радионуклидов в материале защиты при воздействии излучений: это требование особенно важно для доступа к установке, остановленной при ремонтных работах;

5) механическую прочность материала, прежде всего при сжатии, так как защита от излучений в большинстве случаев является одновременно и несущей конструкцией;

6) относительно низкий модуль упругости, способствующий уменьшению напряжений на растяжение, возникающих в результате нагрева внутренних слоёв защиты;

7) минимальное тепловое расширение, обеспечивающее монолитность конструкции и уменьшающее величину напряжений;

8) минимальную усадку при монтаже и эксплуатации защиты для предотвращения образования трещин;

9) жаро- и огнестойкость, водо- и газонепроницаемость, коррозионную стойкость;

10) технологичность (т.е. простоту монтажа и демонтажа) и невысокую стоимость.

Многие из этих требований в значительной мере взаимно исключающие. Поэтому при выборе строительного материала для сооружения защиты от излучений должны быть тщательно взвешены все технико-экономические преимущества и недостатки различных материалов.

Предпочтение должно быть отдано материалам, обладающим свойствами, наиболее важными для работы данной конструкции и условий строительства.

В радиационной защите наибольшее распространение по сравнению с другими строительными материалами получили бетон и железобетон на минеральной основе, поскольку применение различного вида добавок и заполнителей позволяет в широких пределах модифицировать структуру, изменять физико-механические свойства и долговечность защитного бетона [8].

Традиционные радиационно-защитные материалы 1. Бетоны на портландцементе. Часто для изготовления защитных бетонов применяется портландцемент, марка по прочности которого выбирается из условия обеспечения заданной прочности бетона. Выбор заполнителя определяется требованиями, предъявленными к бетону, местными условиями и технико-экономическими показателями.

Для обычного тяжёлого бетона крупный заполнитель (фракции 540 мм) может быть получен из различных горных пород: эффузивных и интрузивных магматических, силикатных и карбонатных осадочных, а также метаморфических. Мелкий заполнитель (фракции 0,155,0 мм) получают дроблением горных пород или используют естественные отложения речных или горных песков. Подбор составов, гранулометрического состава заполнителей, параметров бетонных смесей, а также выбор технологии их приготовления и укладки осуществляются в соответствии с действующими нормами и правилами.

К недостаткам бетона относится его относительно низкая теплопроводность, вследствие которой температура бетона повышается примерно на 1 оС на каждый милливатт энергии, падающей на квадратный сантиметр внутренней поверхности защиты [9]. Поглощение излучений бетоном сопровождается радиационным тепловыделением, вызывающим повышение температуры в бетоне защиты более 60 оС при интенсивности излучения выше 80 Вт/м2 [10]. При интенсивности излучения (1,6…3,2)103 Вт/м2 температура повышается до 1000…1200 оС.

Поэтому для защиты часто требуются жаростойкие бетоны, так как предельная температура применения обычного бетона не более 300 оС.

Воздействие излучения вызывает обезвоживание бетонных элементов, что приводит к уменьшению количества свободной воды и, как следствие, к снижению защитных свойств и прочности [11].

В настоящее время на атомных электростанциях и других установках для защиты от ионизирующих излучений наряду с обычным бетоном используются бетоны с добавками и на специальных заполнителях, защитные свойства которых улучшены благодаря особому химическому составу и повышению средней плотности.

Бетоны с добавками бора. В мощных энергетических ядерных реакторах происходит большая утечка радиации из активной зоны в защиту, в результате чего образуются значительные радиационные нагрузки, вызывающие в защите высокие температуры. Поэтому защиту ядерных реакторов целесообразно выполнять из жаростойких бетонов. К таким бетонам относятся бетоны, содержащие бор. Введение бора в состав таких бетонов обосновывается следующим образом:

1) при высоких температурах происходит обезвоживание бетонов, что ухудшает их защитные свойства. Бор – хороший поглотитель низкоэнергетических нейтронов, и наличие его в обезвоженном бетоне в некоторой степени компенсирует отсутствие водорода [12];

2) бор имеет большое сечение захвата тепловых нейтронов и изменяет величину распределения тепловыделений, а следовательно, и температуру в сечении защиты [13].

Однако все минералы, содержащие бор, замедляют схватывание и твердение цементного раствора и часто снижают его прочность [14]. Количество этих минералов в бетонной смеси не должно превышать 15 % от массы цемента. Чтобы избежать вредного влияния природных соединений бора на процессы схватывания и твердения бетона, применяют соединения бора в виде его карбидов В6С, В4С, В3С или обрабатывают их различными смолами. Использование борсодержащих бетонов в каждом конкретном случае должно обосновываться экономическими расчётами, так как карбиды бора являются очень дорогими материалами.

Серпентинитовый бетон. Основным заполнителем такого бетона служит серпентинит, который является одним из лучших носителей воды. Это метаморфическая горная порода, состоящая из минерала серпентинита Mg3(OН)4Si2O5 или 3MgО2SiO22H2O с примесями окислов железа, магнезита, талька, небольших количеств хромистого железняка и силикатов никеля [4].

Плотность серпентинита составляет от 2400 до 2900 кг/м3. Положительные свойства данного заполнителя – большое содержание химически связанной воды (10…15 % по массе), а также достаточно высокая стойкость против воздействия высоких температур [15]. По сравнению с бетонами на граните, гематите, стальном и чугуном скрапах бетон на серпентинитовом заполнителе имеет минимальное значение коэффициента термического расширения и относительной линейной деформации.

При необходимости повышения средней плотности бетона производят замену части серпентинитового заполнителя стальным ломом или магнетитовым заполнителем.

Железосерпентинитовый бетон со средней плотностью 3360 кг/м3 можно использовать для сооружения защит от нейтронов и -излучений при температурах до 450 оС [16].

К недостаткам бетонных смесей с применением серпентинитов относится плохая удобоукладываемость (Ж=90…100 с вместо Ж=7…17 с для обычных бетонных смесей).

Баритовый бетон. Основной компонент баритовых бетонов – баритовая руда. Она состоит из минерала барита BaSO4, называемого также тяжёлым шпатом, с примесями кремнезёма SiO2, оксида железа Fe2O3, оксида магния MgO, оксида алюминия Al2O3 и оксида кальция CaO.

Плотность сульфата бария о=4500 кг/м3, а плотность баритовой скальной породы находится в пределах 3000…4700 кг/м3 при различном содержании BaSO4.

Защитные свойства баритовых бетонов от -излучения практически аналогичны свойствам бетонов с заполнителями из железных руд (магнетит, гематит) при той же толщине с разницей в том, что баритовые бетоны почти не вызывают образования вторичного -излучения [12]. Однако они несколько хуже ослабляют нейтронное излучение при таком же содержании воды [1, 4, 8].

Баритовые бетоны нестойки при воздействии повышенных температур и особенно температур, действующих циклично. Это результат большой и неодинаковой во всех направлениях температурной деформации кристаллов BaSO4 и её отличия от температурной деформации цементного камня. Поэтому использование баритовых бетонов для устройства защиты ограничивается температурой 80 оС [17, 18]. К недостаткам баритовых бетонов относится также низкая морозостойкость.

Лимонитовые бетоны. Лимонитовая руда (бурый железняк) состоит из двух минералов:

гётита Fe2O3H2O и лимонита Fe2O32H2O. Насыпная плотность лимонитовой руды от 3000 до кг/м3, а плотность в куске (средняя плотность) 3960 кг/м3 [4]. Вследствие малой плотности лимонитовой руды на одном только лимонитовом заполнителе можно получить бетон со средней плотностью 2500…2900 кг/м3. Бетоны на лимоните применяются в основном для защиты от нейтронных излучений вследствие высокого содержания химически связанной воды.

Недостатки лимонитовых бетонов – относительно небольшая прочность при сжатии и высокие значения усадочных деформаций. Повышение защитной эффективности достигается добавкой заполнителя большей плотности – чугуна или стального скрапа [1].

Гематитовые бетоны. Гематит (Fe2O3) представляет собой минерал, содержащий 70 % Fe, а также примеси Ti, Mg, Si и Al. Плотность гематита 5000…5300 кг/м3. Средняя плотность бетона на гематитовом заполнителе составляет 3500…3800 кг/м3. Гематитовый бетон может быть использован в защите при температуре до 800 оС [19, 20].

Защитные свойства гематитовых бетонов по сравнению с обычными бетонами более эффективны. Однако возникающее в железе при поглощении нейтронов вторичное -излучение с высокой энергией (до 7,7 МэВ) требует увеличения толщины защиты из гематита на 18…20 % по сравнению с толщиной защиты из материала с такой же плотностью, но без железа. Кроме того, из-за повышенной твёрдости и хрупкости гематитовой руды возникают трудности при получении требуемого гранулометрического состава заполнителя.

Магнетитовые бетоны. Магнетит (Fe3O4) представляет собой минерал, содержащий двух- и трёхвалентную окись железа (31 % FeO и 69 % Fe2O3), а также примеси Cr2O3, MnO, TiO2, Al2O3 и др. [4]. Плотность магнетита – 4900…5200 кг/м3. Магнетитовые бетоны обладают стабильной структурой, большой плотностью и высокой прочностью. Они стойки к воздействию высоких температур. Средняя плотность магнетитового бетона может достигать 4200 кг/м3 [17].

Магнетитовые бетоны характеризуются хорошей теплопроводностью;

поэтому в защитах из данного бетона не возникают слишком большие температурные градиенты и, следовательно, температурные напряжения.

Недостатки магнетитовых бетонов аналогичны недостаткам бетонов на гематите.

Бетоны на заполнителях с большим содержанием металла. Наряду с природными железными рудами в защитных бетонах широко применяют заполнители с высоким содержанием металлов. Данные заполнители можно классифицировать на следующие группы:

а) различного рода отходы и специально приготовленные обрезки, шарики и цилиндры из углеродистой стали. Эти материалы в зависимости от химического состава и степени коррозии содержат 93…98 % Fe;

б) чугунная дробь и куски чугуна с содержанием железа 94…98 %;

в) дроблёный шлак из мартеновских печей (70…85 % Fe);

г) крица, представляющая собой металлургическое сырье, полученное при обогащении железной руды. Она может быть в виде пыли, песка, гравия с содержанием железа 90…95 %;

д) пыль, получаемая из обеспыливающего оборудования в металлообрабатывающей промышленности (75…93 % Fe);

е) свинцовая дробь или болванки (90…95 % Pb).

На основе стального заполнителя можно получить бетон с плотностью до 6200 кг/м2, но такие бетоны довольно дороги и имеют невысокие показатели механических свойств по сравнению с обычными бетонами. Поэтому чаще применяются бетоны с плотностью 3000… кг/м3, в которых часть природного заполнителя заменена сталью [8, 17].

Основные свойства некоторых защитных бетонов приведены в табл. 1.1.

Для защиты от радиационного воздействия применяют и металлы. Часто для ослабления излучения используются следующие тяжёлые металлы [21]: свинец, висмут, тантал, вольфрам и железо (стали различного состава).

В стеснённых условиях применяют свинец, так как он отличается большой плотностью. Он очень эффективен при ослаблении гамма- и рентгеновского излучения. Несомненное достоинство свинца – лёгкость обработки. Но, так как температура плавления свинца 327,4 оС, его можно использовать только для изготовления защиты, эксплуатирующейся при невысоких температурах.

Кроме того, применение свинца в чистом виде нежелательно из-за того, что защита из него изменяет магнитное поле. С целью ослабления -излучения, а также рентгеновских лучей используют железо, которое менее эффективно, чем свинец, однако его стоимость значительно меньше. Поэтому основным материалом корпусов реакторов, различных коммуникаций и арматуры является сталь. Как защитный материал от нейтронного излучения сталь более эффективна, чем свинец.

Таблица 1. Некоторые свойства традиционных защитных бетонов [15, 19…21] Толщина слоя половинного Предел Линейная ослабления при энергии прочности Минеральный Средняя Модуль усадка, № Вид МэВ, см- состав плотность, при сжатии, упругости, Примечания п/п бетона мм/м кг/м3 для -из МПа заполнителя МПа для нейтронов лучения Лимонитовый Fe2O3 ·H2О + 2400…3700 18…30 21000…29000 0,58…0,6 - 6,41…8, + Fe2O3 ·2H2O Серпен 2 Mg3(OН)4Si2O тинитовый или 2300…3200 10…35 21000…26000 0,25…0,28 5,7…5,9 7,4…8, MgО·2SiO22Н2O Баритовый Не вызывает вторичного BaSO4 2900…3600 16…50 26500…33000 0,23…0,25 4,8 7,3…10, излучения Магне Fe3O4 3250…4100 30…45 30000…58000 0,21…0,36 5,5…5,7* 6,7…7,5** титовый Жаростоек П р и м е ч а н и е. * для энергии -квантов 3 МэВ;

** для энергии нейтронов 2…6 МэВ.

К недостаткам железа следует отнести его способность активизироваться под действием тепловых нейтронов с образованием радионуклида железа, излучающего -кванты с энергиями 1, и 1,29 МэВ. При поглощении тепловых нейтронов образуется захватное -излучение с энергией фотонов 7,5 МэВ. Для снижения захватного излучения в сталь вводят добавки бора (борные стали). Снижение наведённой -активности достигается использованием стали с наименьшим содержанием марганца, тантала, кобальта и других примесей, способных легко активироваться под действием тепловых нейтронов. Недостатком применения конструкций защиты из стали является необходимость обеспечения коррозионной стойкости, которая особенно актуальна при эксплуатации конструкции в условиях повышенной температуры и влажности воздуха [22, 23].

Хорошими защитными материалами являются также торий, висмут, вольфрам, золото, платина, ртуть, но их использование оправданно только в тех случаях, когда функцию защиты они выполняют совместно с другими материалами. Коэффициенты ослабления -лучей некоторыми металлами в зависимости от мощности источника приведены в табл. 1.2.

При устройстве защит ядерных сооружений широко применяются композиты на полимерных связующих, отличающихся повышенной прочностью, стойкостью к агрессивным средам, водо- и газонепроницаемостью, технологичностью, а также высоким содержанием водорода. В тех случаях, когда желательно, чтобы защитные материалы обладали изоляционными свойствами, используют полимерные композиции с введением в них порошков металлов с большой плотностью, таких, как вольфрам, свинец, бор, кадмий, железо [24…26]. В качестве полимерной основы часто применяют эпоксидные смолы. Радиационная стойкость этих смол достаточна высока. Так, по данным, приведенным в работах [27…31], эпоксидные смолы выдерживают облучение без ухудшения свойств до поглощённой дозы излучения не менее 9,5 МГр. В то же время отмечается, что некоторые свойства эпоксидных смол существенно изменяются уже при поглощённой эквивалентной дозе 100 кГр. Эффекты действия ионизирующих излучений на физико-механические свойства эпоксидных смол различного молекулярного строения представлены в работах [26…31].

В качестве материала для экранов нейтронной защиты используются композиции из шарообразных гранул полиэтилена или пропилена, связанных быстротвердеющей синтетической смолой с наполнителями из баритового порошка. В качестве поглотителей тепловых нейтронов в смеси с гранулами полиэтилена могут быть применены литий, бор, кадмий.

Из полиэтилена с добавлением свинца изготавливаются блоки для биологической защиты реакторов [32…34].

Все виды излучений вызывают в полимерах химические изменения, в результате которых разрушаются имеющиеся и образуются новые химические связи. В основном радиационно индуцированные изменения в органических материалах связаны с разрывом ковалентных связей.

В простых органических соединениях радиационные эффекты невелики, но в полимерах они выражены более значительно. Радиационно-индуцированные изменения в каучуках и пластиках отражаются на их внешнем виде, химическом и физическом состояниях и механических свойствах. В качестве внешних изменений можно рассматривать временные или постоянные изменения цвета, а также образование пузырей и вздутий. К химическим изменениям относятся образование двойных связей, выделение продуктов деструкции, сшивание, окислительная деструкция, полимеризация, деполимеризация и газовыделение. Физические изменения – это изменения вязкости, растворимости, электропроводности, флюоресценции и кристалличности.

Об изменениях кристалличности судят по изменениям плотности, теплоты плавления, по дифракции рентгеновских лучей и другим свойствам. Из механических свойств изменяются прочность при растяжении и сжатии, модуль упругости, твёрдость, гибкость [26].

Во время облучения в полимерах протекает одновременно несколько реакций, но типы и скорости преобладающих реакций зависят от химической природы материала. Для многих пластиков и каучуков эффект сводится к процессу вулканизации, характеризующемуся увеличением твёрдости, уменьшением растворимости и иногда повышением прочности на начальной стадии облучения [24].

Эффект вулканизации (сшивание) преобладает у полиэтилена, полистирола, силикона, натурального каучука, неопрена, бутадиен-стирольного и акрилонитрилкаучуков. С другой стороны, в таких материалах, как тефлон, полифторхлорэтилен, метилметакрилат, целлюлозные пластики и полисульфидные эластомеры, изменения сопровождаются главным образом разрывом цепей, что приводит к размягчению этих материалов [24, 25, 37]. В целом среди полимеров пластики обладают более высокой радиационной стойкостью по сравнению с эластомерами. По отношению к металлам и керамическим материалам полимеры отличаются меньшей радиационной стойкостью. Ионизирующие излучения вызывают в полимерах необратимые изменения [24…26, 36].

Таблица 1. Коэффициенты ослабления -лучей некоторыми материалами [22, 23, 35] Линейный коэффициент ослабления -излучения, см- Энергия фотонов, Бетон* Вода Барий Алюминий Олово Железо Медь Висмут Свинец Платина МэВ 0,1 0,171 0,378 8,64 0,444 13,4 2,82 3,94 52,0 60,0 102, 0,5 0,0967 0,194 0,35 0,228 0,67 0,66 0,73 1,58 1,72 3, 1,0 0,0706 0,141 0,21 0,166 0,42 0,47 0,52 0,68 0,79 1, 1,5 0,0576 0,116 0,16 0,137 0,34 0,38 0,4 0,50 0,58 1, 2,0 0,0493 0,1 0,14 0,117 0,3 0,33 0,37 0,44 0,51 0, 3,0 0,04 0,08 0,13 0,094 0,27 0,28 0,32 0,4 0,46 0, 4,0 0,034 0,071 0,13 0,084 0,26 0,26 0,29 0,41 0,47 0, 5,0 0,03 0,064 0,13 0,075 0,26 0,25 0,28 0,43 0,49 0, 6,0 0,028 0,061 0,13 0,072 0,26 0,24 0,27 0,44 0,51 0, П р и м е ч а н и е. * – бетон с плотностью 2700 кг/м3.

Металлобетоны: разновидности, составы, физико-механические свойства, 1. способы получения Впервые композиционные материалы, совмещающие металлический слой с каменным, были предложены в 30-е годы прошлого столетия. Тогда были разработаны двухслойные изделия, изготовляемые заливкой расплавленным металлом твёрдых каменных масс, полученных литьём.

Процесс получения таких изделий назвали камнирование, а изделия – сталекамни. Использовать сталекамни предполагалось в качестве массивных станин.

Дальнейшее развитие это направление получило только в 70-е годы XX столетия, когда возникли проблемы с эксплуатацией аэродромных покрытий для самолетов с вертикальным взлётом [37] и с созданием высокопрочных несущих конструкций для подземных сооружений [38]. Для решения данных задач был предложен новый эффективный композиционный материал – металлобетон, или метон, по определению В.И. Соломатова, Ю.Б. Потапова с сотрудниками, которым принадлежит приоритет разработки данного композита, или, по определению Г.А.

Задворнева, алюмогранит (по названию компонентов).

Металлобетоны – это искусственные макрогетерогенные композиционные материалы, включающие пластичную металлическую матрицу и твёрдые неметаллические включения (заполнители и наполнители). В зависимости от области применения в качестве матриц могут использоваться чистые (технические) металлы: алюминий, свинец, медь, олово, железо, цинк – или их сплавы. Металлические матрицы имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными вяжущими, используемыми в строительных материалах, – полимерными, цементными и др. Эти преимущества обеспечиваются высоким уровнем прочностных характеристик, пластичности, вязкости, низкой чувствительностью к колебаниям температур и высоким качеством поверхности, хорошими технологическими и литейными свойствами металла.

Внесение в металлическую матрицу заполнителей и наполнителей разного состава в определённых соотношениях не только позволяет достичь значительной экономии металла, но и создаёт возможность целенаправленного изменения физико-механических и декоративных свойств металлобетонного изделия. Для заполнения матриц можно применять крупные гранулы горных пород и минералов, отходы камнепиления, стекольный и керамический бой, отходы минераловатного и стекловатного производств, металлургические шлаки, а также специально изготовленные армирующие элементы – шарики и волокна из стекла, керамики, фарфора и т.д.

Наполнители представляют собой мелкодисперсные фракции (порошки) заполнителей, отходы абразивов и др.

Исследования по разработке технологии металлобетонов различных составов и определению их свойств были проведены В.И. Соломатовым, Ю.Б. Потаповым, Б.М. Лаптевым [37, 39…41], Г.А. Задворневым [38, 42, 43] и др.

В соответствии с теорией композиционных материалов [44] структура и свойства металлобетонов определяются следующими факторами:

1) физико-химическими и механическими свойствами металлических матриц и армирующих компонентов, характером взаимодействия между ними в процессе изготовления и эксплуатации;

2) геометрическими факторами (размеры и форма компонентов, их соотношение, размеры изделия);

3) технологическими факторами – процедурами подготовки компонентов и изготовления изделия (предварительная обработка поверхности армирующих элементов, температура и внешние воздействия при изготовлении металлобетонов).

В работах [37, 40, 41] приведены отрывочные и противоречивые сведения о влиянии всех трёх групп факторов на свойства металлобетонов. В частности, в работе [41] рассматривается влияние на прочность металлобетонных композитов обработки поверхности заполнителей поверхностно-активными веществами или веществами-добавками – растворами неорганических и органических кислот, щелочей, солей, жиров, жидкого стекла и некоторых других – и делается вывод (на основе экспериментальных данных по исследованию прочностных характеристик), что вещества-добавки не только очищают поверхность заполнителей, но и способствуют образованию химических связей на границе раздела: возникает переходная тонкая прослойка, через которую происходит взаимодействие разнородных материалов матрицы и заполнителей, что обеспечивает увеличение прочности на границе раздела фаз и в целом всего композита [37, 41, 45…60]. При проведении металлографического анализа установлено образование на границе раздела фаз «алюминиевый сплав – гранит» нового соединения Al2O3, не обнаруженного в исходных компонентах методом рентгенофазового анализа [61]. Также в указанной работе отмечается, что при совмещении пластичной матрицы (алюминия) и каменного заполнителя (гранита) образуется плотный контакт без пор и трещин, формирование которого обеспечивается физико-химическими процессами смачивания. Краевой угол смачивания зависит от природы металла и каменной подложки: при плохом смачивании на границе раздела фаз образуются только физические связи, а при хорошем смачивании – химические соединения (например, при взаимодействии расплавов МЛ 3 и ЦА4М1 с гранитом и мрамором [61]). Однако анализ представленных данных показывает, что многие явления, которые автор работы [61] объясняет протеканием физико-химических процессов на границе раздела фаз, могут быть истолкованы в рамках физики сплошных сред, а именно: образование плотного, бездефектного контакта на границе раздела фаз – термической усадкой пластичной матрицы (также в случае плохого смачивания), а образование новых соединений на границе раздела фаз – окислением компонентов в процессе изготовления.

Термическая усадка компонентов металлобетона, имеющих различные деформативные и теплофизические свойства, приводит к возникновению внутренних напряжений. Для определения величины внутренних напряжений авторы [61] применили математическую модель Л.П.

Каширцева, которая описывается системой уравнений:

Е1 + Е2 2 Е1 с ЕЕ 1 ехр + 1 2 c t при s 2 (Е1 + Е2 )2 Е1 + Е =, s А(1 ехр[ а (t t 0 )]) B(1 ехр[ b(t t 0 )]) при s bc a где A = c 1 ;

B = c c 1 ;

ab a b 1 c E1 + E1 E 2 c t 0 (E1 + E 2 ) s ;

1 с= ab 2 2 1/ 1 E1 1 E1 E 1 E1 1 a, b = + (E1 + E 2 ) m + (E1 + E 2 ) ;

2 1 2 4 1 2 1 где E1, E2 модули Юнга двухфазной зоны, Па;

1, 2 коэффициенты вязкости при растяжении, Па·с;

с скорость деформирования, определяется скоростью кристаллизации, с-1;

линейный коэффициент термического расширения двухфазной зоны, К-1;

s предел текучести расплава, Па;

t0 время, при котором = s, с.

На основе анализа полученных расчётных данных авторы [61] делают вывод, о том что в металлобетонах на основе композиций «свинец – стекло 3С-4», «алюминий – кварц» и «алюминий – кварцевое стекло» величина внутренних напряжений не достигает предела прочности на растяжение матрицы и поэтому горячих трещин не образуется. Кроме того, установлено, что снижение внутренних напряжений достигается подбором заполнителя, обладающего высокой термоаккумулирующей способностью, повышением температуры заполнителя при его совмещении с расплавом металла и уменьшением количества заполнителя. Так, например, нагрев заполнителя до 200 °С и увеличение толщины прослойки матрицы от 3 мм и выше снижает уровень внутренних напряжений в температурном интервале хрупкости на 10…45 % [62].

В работах [39…42] практически нет сведений о влиянии размеров компонентов и их формы на свойства металлобетонов. Данные о влиянии состава и степени заполнения на физико механические свойства изделий, полученные по результатам анализа патентов [48…63], не позволяют установить чёткую закономерность влияния соотношения компонентов на свойства металлобетонов, так как подбор их составов осуществлялся только эмпирически (табл. 1.3).

Для металлобетонов с матрицами на основе алюминиевого сплава АЛ-9В, стали 35Л и чугуна СЧ-24-44 В.И. Соломатовым с сотрудниками [41, 44] методами регрессионного анализа были получены закономерности влияния на предел прочности при сжатии количества заполнителя (базальтовый щебень фракции 5…10 мм), наполнителя (песок), веществ-добавок (перманганат калия или гидросульфат натрия):

• на алюминиевом сплаве Rсж = 226 - 37,5X1 - 15,5Х2 + 14,5 Х3 - 43 X12 + 7Х22 + 2Х32 ;

• на стальной матрице Rсж = 199,4 -15,5X1 - 72,5Х2 + 30Х3 + 58,7 X12 +11,7Х22 + + 11,2Х32 +30X1X2 ;

• на чугунной матрице Rсж = 187,2 - 48,5Х1 - 20,5Х2 + 40Х3 + 30Х12 + 85X22 - 32,5Х3.2, где Х1 – содержание металлической матрицы;

Х2 – содержание наполнителей и заполнителей;

Х3 – содержание добавок.

Авторы [41, 44], анализируя представленные уравнения, делают вывод: введение веществ добавок повышает прочность металлобетонов, а увеличение количества заполнителей и наполнителей несколько снижает её значения.

Металлобетоны являются типичными упругопластичными телами. На диаграмме «напряжение – деформация» выделяют три участка: I – участок упругих деформаций;

II – участок пластических деформаций;

III – участок накопления поперечных деформаций и разрушение.

Согласно исследованиям Г.А. Задворнева [38], введение в металлы крупных гранул заполнителей не только не уменьшает прочность металлобетонов при сжатии, но и в ряде случаев повышает её. Автор относит металлобетоны к типичным упругопластически упрочняющимся материалам с высокими прочностными характеристиками (на гранитных заполнителях от 250 до 310 МПа). Высокую прочность композита при сжатии, которая в 1,5…2 раза выше, чем прочность при сжатии у щебня и металла, автор объясняет тем, что при деформации пластически деформирующаяся матрица со всех сторон обжимает заполнитель. Для расчёта прочности при сжатии Г.А. Задворнев предлагает использовать классическую формулу аддитивности, применяемую для волокнистых композиционных материалов с введением коэффициента упрочнения kу (для металлобетонов с алюминиевой матрицей и гранитным заполнителем kу = 1,5):

Rм/б=ky (·Rсв+(1-)·Rзп), где Rм/б – сопротивление металлобетона при сжатии;

Rсв – прочность металла-связующего при сжатии;

Rзп – прочность заполнителя при сжатии;

– объёмная доля металлической матрицы.

Таблица 1. Составы и свойства традиционных металлобетонов [45…61] Состав металлобетона, % Свойства № Вид заполнителя Rсж, Rизг, Матрица Заполнитель Добавка п/п МПа МПа Металлобетоны на алюминии Щебень 1 50 50 200 Песок 2 50 50 250 Гравий 3 50 50 160 Щебень 4 32 68 230 Щебень 5 32 67 1 250 Песок 6 32 68 – 240 Песок 7 32 67 1 320 Щебень / песок 8 30 50/20 170 Щебень 9 30 70 150 Песок 10 30 70 180 Щебень 11 25 75 280 Стеклянные волокна 12 20 16/62 2 200 Стальная стружка 13 20 78 2 340 Металлобетоны на основе чугуна Щебень 14 40 60 280 Металлобетоны на основе олова Древесный наполнитель 15 30 68 2 25 Металлобетоны на основе цинка Древесный 16 48 49 3 130 наполнитель Металлобетоны на основе свинца Песчано-гравийная смесь 17 30 64 6 28 Песчано-гравийная 18 26 37/37 35 смесь/магнетит Песчано-гравийная смесь/барит 19 32 34/34 Стекло 3С- 20 60 40 105 Г.А. Задворнев также приводит графики зависимости напряжений при сжатии от деформации для металлобетона алюминий – гранит и отдельных составляющих: алюминиевой матрицы и гранитного щебня (рис. 1.1).

, МПа 0, 0, 0, Рисунок 1.1 – Зависимость напряжений при сжатии от деформации для металлобетона на основе алюминия и гранита Испытания алюминиевых металлобетонных образцов с различным содержанием заполнителей при растяжении показали, что их прочность в 4…7 раз меньше прочности на сжатие (см. табл. 1.3). Установлено также, что на начальном этапе деформирования при напряжении до МПа проявляется упругая деформация, далее (при напряжении свыше 10 МПа) зависимость становится нелинейной. Эту нелинейность авторы объясняют пластическими Rсж=f() деформациями матрицы.


Исследование металлобетонных балочек при изгибе [40] показало, что их разрушение происходит с образованием наклонных трещин и начинается в растянутой зоне, тогда как в сжатой области напряжения не достигают предела прочности при сжатии. По данным, приведенных в работах [38, 40] прочность металлобетона при изгибе составляет от 70 до 120 МПа (табл. 1.3).

Механизм работы композитного материала при изгибе полностью ещё не изучен, но Г.А.

Задворнев [38] предполагает, что высокие прочностные характеристики металлобетона при изгибе определяются подбором компонентов.

Для более эффективного использования металлобетонных изделий в изгибаемых конструкциях зоны, подвергающиеся растяжению, предложено армировать высокопрочной арматурой с предварительным натяжением [37, 38, 40], что даёт возможность повысить более чем в 3 раза несущую способность конструкции. Сопоставление свойств армированного и неармированного металлобетона показало высокую эффективность и экономичность армирования и целесообразность использования металлобетонных конструкций взамен железобетонных [40].

Анализ других механических и физических свойств (модуль упругости, средняя плотность, истираемость и др.) металлобетонов разного состава [45…61] позволяет сделать вывод о значительном разбросе значений, что затрудняет прогнозирование указанных свойств и установление принципов подбора компонентов и составов металлобетонов различного назначения.

Одним из перспективных матричных металлов является свинец, имеющий сравнительно низкую температуру плавления и высокую текучесть в расплавленном состоянии [40].

Металлобетоны таких составов характеризуются высокой стойкостью к воздействию агрессивных сред и радиации и рекомендуются к применению в конструкциях защитных сооружений атомных реакторов или в конструкциях хранилищ радиоактивных отходов. Расчёты величины средней плотности по методу абсолютных объёмов для металлобетонов составов №17…20 (см. табл. 1.3) показывают, что её величина изменяется в диапазоне от 3400 до 5100 кг/м3. При этом объёмная доля свинца в указанных составах варьируется от 0,09 до 0,13 (для состава №20 объёмная доля свинца 0,27). В соответствии с перколяционной теорией минимальная объёмная доля фазы равна 0,16 [63]. Отсюда очевидно, что предлагаемые составы металлобетонов имеют неоднородное распределение компонентов по объёму.

Большое значение для получения металлобетонов с плотной структурой и заданными свойствами имеют технологические режимы изготовления этих композитов. Наиболее распространены технологии, основанные на совмещении каменных компонентов с расплавленным металлом. Такие технологии требуют наличия некоторого перегрева металлического расплава для повышения текучести и смачивающей способности металла. Однако высокие температуры, обусловленные перегревом, и особенно их резкое изменение, могут вызвать растрескивание заполнителей вследствие протекания в них полиморфных превращений [61]. Большие градиенты температур при изготовлении металлобетонов могут привести к возникновению высоких внутренних напряжений, отрицательно влияющих на свойства композитов, и к образованию горячих трещин в металлической матрице вследствие торможения свободной термической усадки металла заполнителями и локализации возникающих деформаций.

Вероятность возникновения трещин зависит от температуры в температурном интервале хрупкости и от скорости кристаллизации металлической матрицы. Поэтому большое значение при разработке металлобетонов приобретает определение оптимальных тепловых режимов заливки и охлаждения – температур нагрева металла, заполнителей и формы бортоснастки, скорости охлаждения.

Согласно работе Е.Г. Рубцовой [62] подобная технологическая задача решается на основе вычисления количества микрохолодильников, необходимых для снятия перегрева расплава [64].

Охлаждение расплава в металлобетонах осуществляют зёрна заполнителя, объёмную концентрацию которых можно рассчитать по формуле [61]:

(Т о Т н ) К з = 1 +, К с (Т з Т о ) ср р где К з коэффициент заполнения;

К с = ( ср,сз теплоёмкости соответственно расплава и сз з заполнителей;

р, з плотности расплава и заполнителей);

Т о заданная температура расплава (температура ликвидуса);

Т н начальная температура заполнителей;

Т з температура заливки матричного расплава.

Для металлобетонных композитов оптимальную температуру заливки обычно находят опытным путём, так как некоторые авторы [40] считают существующие расчётные способы определения оптимальных температурных режимов неприемлемыми. Величина температуры заливки, как считают авторы указанной работы, является полуфункциональной величиной и зависит от вида заполнителя, его формы, состояния поверхности, габаритов изделия, способов литья и т.д.

После заливки металлобетонные изделия охлаждаются до температур, при которых их можно извлекать из формы.

Известно несколько способов изготовления металлобетонов:

1) литьевой способ, заключающийся в заливке металлическим расплавом формы с заполнителем [41];

2) метод укладки в формы и уплотнение смеси заполнителей (наполнителей) и металлического порошка (стружка, гранулы и т.д.) с последующим нагревом до температур выше температуры плавления металла [45];

раздельная технология, при которой форма с подготовленным заполнителем 3) (наполнителем), обработанным поверхностно-активными веществами, высушенным и нагретым до определённой температуры, заливается металлическим расплавом с наложением внешних воздействий (вибрация, давление и т.д.) или без них. Формы могут быть песчаными, металлическими (кокиль открытый и закрытый), пресс-формы. Разработка раздельной технологии, как одного из примеров использования полиструктурной теории строительных композиционных материалов на практике, была выполнена В.И. Соломатовым с сотрудниками [40].

4) плазменные технологии с различным расположением плазменной струи, при которых плавление металла осуществляется низкотемпературной плазмой в специально сконструированных формах, предварительно заполненных армирующими компонентами [38, 42, 43].

Каждый из этих технологических приёмов имеет свои преимущества и недостатки.

Например, при изготовлении металлобетонов литьевым способом затруднительно обеспечить равномерное распределение заполнителей по объёму изделия, последующий качественный пролив расплавом и бездефектную структуру металлобетона. Это подтверждается расчётами, в основу которых положена схема представленная на рис. 1.2.

Рисунок 1.2 – Схема действующих сил В соответствии с данной схемой на зерно заполнителя, помещённого в расплав металла, одновременно действуют сила тяжести и выталкивающая сила Архимеда. Результирующая сила равна:

R = mg м gVз.

Предположим, что зерно заполнителя имеет сферическую форму, тогда d g ( з м ), R= 6f где d f – диаметр зерна заполнителя;

g – ускорение свободного падения;

м – плотность металла;

з – плотность заполнителя. При м з направление действия результирующей силы совпадает с ориентацией силы Архимеда, то есть заполнитель вытесняется из расплава металла (табл. 1.4).

При этом скорость всплытия частиц равна:

g ( з м ), 2r v= При м з направление действия результирующей силы совпадает с ориентацией силы Архимеда, то есть заполнитель вытесняется из расплава металла (табл. 1.4). При этом скорость всплытия частиц равна:

g ( з м ), 2r v= где r – радиус зерна заполнителя;

– динамическая вязкость.

Таблица 1. Относительные значения результирующей силы R/Fg и скорости всплытия частиц заполнителя Заполнитель Металл Кварц Известняк Стекло Магнетит Барит 1,94 1,89 1,89 0,53 0, 8,26 8,18 8,18 4,33 5, Сталь 1,94 1,89 1,89 0,53 0, 33,02 32,70 17,31 21, 32, 3,28 3,2 1,22 1, 3, 21, 21,19 15,22 16, 21, Свинец 3,28 3,2 3,2 1,22 1, 84,28 84, 84,77 60,87 67, П р и м е ч а н и е. В числителе – относительное значение результирующей силы, в знаменателе – скорость всплытия, м/с;

температура расплава свинца – 350 оС, стали – 1277 оС.

Второй и третий способы являются производными от литьевого способа и позволяют решить ряд технологических задач, но при этом не полностью разрешённой остаётся проблема получения однородной, бездефектной структуры изделия. Эта проблема в значительной степени решается при использовании плазменной технологии [42]. Однако оценка экономической эффективности уровня техники и технологий, используемых в строительной индустрии и металлургической промышленности, позволяет предположить, что литьевой способ является наиболее приемлемым при производстве радиационно-защитных металлобетонов.

Анализ литературных источников показывает, что эффективность металлобетонных изделий (конструкций) по сравнению с металлоконструкциями определяется экономией металла, который замещается заполнителем. Установлено, что металлобетон с коэффициентом заполнения по объёму 0,60...0,65 экономит в изделии 60...65 % металла. Кроме того, введение в металлическую матрицу заполнителей (наполнителей) позволит получить материал с более высокими прочностными характеристиками, теплостойкостью, сопротивляемостью радиационным воздействиям, а также снизить плотность [37].

Исходя из вышеизложенного можно отметить, что наиболее рационально применение металлобетонов в изделиях и конструкциях, испытывающих ударные, динамические, сжимающие нагрузки с одновременным воздействием агрессивной среды, температуры и радиации. Это могут быть несущие конструкции горизонтальных подземных сооружений (метро, шахты и т.д.), колонны и стойки зданий, отделочные декоративные плитки, конструкции хранилищ радиоактивных отходов, агрессивных и абразивных жидкостей, плиты полов в сварочных и металлургических цехах, станины, аэродромные покрытия, броневые материалы и т.д. [38, 40].


Свойства и технология изготовления каркасных бетонов 1. В настоящее время перспективным направлением является получение бетонов с заданным комплексом свойств и направленной макроструктурой, к которым относятся каркасные бетоны, предложенные школой В.И. Соломатова [65].

По каркасной технологии зёрна заполнителя предварительно обрабатывают наполненным или ненаполненным вяжущим и укладывают в форму. В результате твердения формируется каркас крупнопористого бетона, соответствующий очертаниям изделия. В качестве вяжущих для склеивания зёрен заполнителя могут быть использованы термореактивные смолы, полимербитумные материалы, латексы, минеральные вяжущие (портландцементы, стекло, гипс и др.). Эффективны также вяжущие термопластичного твердения, позволяющие резко сократить длительность технологического процесса. Пустоты каркаса заполняют полимерным или иным связующим с применением вибрирования, давления или вакуумирования. При этом реологические и другие свойства связующих (мастик) регулируются введением пластификаторов, ПАВ, разжижителей или нагревом.

Каркасная технология особенно эффективна для производства штучных изделий и монолитных покрытий из лёгких композиционных строительных материалов с пористыми и полыми заполнителями. В этом случае исключается необходимость использования пригруза смеси при формовании изделий. Новая технология снижает на 10…15% расход связующего, обеспечивая повышенные конструкционные и эксплуатационные свойства изделий.

Структура каркасного композита представляет собой совокупность склеенных друг с другом зёрен крупного заполнителя или волокон, пустоты между которыми заполнены мастикой. Физико технические свойства каркасных композитов определяются: свойствами клея, заполнителей и мастики;

особенностями взаимодействия на границах «заполнитель – клеевой слой» и «каркас – мастика»;

характером геометрической упаковки заполнителей в каркасе [66].

Основными требованиями к клею каркаса наряду с бездефектностью, высокой прочностью при растяжении, сжатии, сдвиге и долговечностью являются также высокая адгезия клея к поверхности заполнителей и способность релаксировать напряжения, возникающие от усадочных и температурных деформаций мастики, а также при механическом нагружении композита. Этим требованиям в большей степени отвечают ненаполненные и малонаполненные композиты.

К пропиточным композициям (матрицам) наряду с высокой адгезионной прочностью к поверхности каркаса и долговечностью в условиях воздействия различных агрессивных сред при изготовлении некоторых изделий могут предъявляться высокие требования в части усиления прочности и жёсткости. В качестве пропиточных матриц пригодны композиции с различной степенью наполнения.

В каркасных композитах зёрна заполнителя контактируют между собой через тонкие прослойки связующего. В объёме изделия заполнители располагаются хаотично с разными числами контактов. Хаотическая укладка образуется элементарными регулярными упаковками:

гексагональными, кубическими и т.д. Основным показателем, определяющим качество структуры каркаса, служит пропускная способность, позволяющая заполнить поровое пространство связующим. Пропускная способность каркаса определяется из отношения размеров заполнителя каркаса к размеру наполнителя связующего, а также вязкостью связующего. Качественная пропитка каркаса будет возможна только тогда, когда размеры наполнителя связующего (матрицы) будут находиться в определённом соотношении с размерами поровых каналов каркаса.

В работе [66] предложена зависимость, позволяющая подбирать заполнители и наполнители каркасного композита по известной толщине оболочки на зёрнах каркаса:

r = 0,14 R 2 + 0,9(R + к.с ), где r и R соответственно радиусы наполнителя и заполнителя;

к.с толщина оболочки на зёрнах.

Поступление вяжущего в поровые каналы каркаса можно отождествить с фильтрацией вязкой жидкости в пористой среде. Способность пористой среды пропускать через себя жидкость зависит от её вязкости и диаметра пор. Процесс пропитки каркаса при использовании вязких матриц можно описать известным уравнением Пуазейля:

Рr в =, 8Ql где в вязкость жидкости;

Р капиллярное давление;

r радиус поры в каркасе;

Q расход жидкости;

l длина капилляра.

Вязкость связующих зависит от формы, размера и массы частиц, функции распределения частиц по размерам, объёмного содержания частиц и т.д.

Прочность каркасных композиционных материалов определяется многими факторами:

прочностью каркаса и мастики, соотношением их прочностных и упругих свойств, степенью адгезионного взаимодействия между заполнителем, клеем каркаса и матрицей и т.д. [66].

В качестве показателя, характеризующего действительную прочность бетона в конструкции, рассматривают призменную прочность. Известно, что призменная прочность бетонов ниже, чем прочность, получаемая при испытании кубов. При этом соотношение Rпр /Rкуб изменяется от 0, до 1,0 и зависит от свойств и вида бетона (табл. 1.5). Большое разнообразие связующих и заполнителей позволяет получать каркасные композиты с различными физико-механическими показателями. Анализ результатов ранее проведённых исследований [67] свидетельствует о высокой прочности каркасных композитов (табл. 1.6). Этот показатель в зависимости от прочности, формы и шероховатости поверхности крупного заполнителя и варьируется в широких пределах. Более высокая прочность при сжатии соответствует композитам на эпоксидных связующих и гранитном заполнителе.

Деформативность регулируется также толщиной клеевого слоя каркаса и матрицей. Жёсткие клеи позволяют получать композиты с повышенными значениями модуля упругости, а вязкоупругие – с пониженными. Увеличить жёсткость каркасных композитов можно введением в состав каркаса дисперсной арматуры и кварцевого песка, а также добавлением в состав матрицы кварцевого наполнителя. Наибольший эффект в этом случае достигается при введении жёстких углеродных волокон в количестве от массы заполнителей. При введении 2,5 % пластифицирующих добавок как в каркас, так и в мастику модуль упругости понижается.

Изготовление композиционных строительных материалов и изделий по каркасной технологии включает несколько этапов: первый – подготовка компонентов каркаса, приготовление смеси заполнителей, формование и отверждение каркаса;

второй – подготовка компонентов пропиточной матрицы, приготовление смеси и пропитка каркаса;

третий – отверждение, распалубка и складирование изделий.

Таблица 1. Прочность каркасного полимербетона на различных вяжущих [66, 67] Вид вяжущего Прочность на основе смолы ПН - на основе компаунда К - на основе компаунда ЭКР 1 153 Призменная 40,2 38,4 40, Кубиковая 38,5 35,4 39, Таблица 1. Прочность (МПа) каркасных композитов [66, 67] Вид крупного заполнителя Вяжущее гранитный щебень термилит керамзит фторопласт Гипс 10 – 8 Цемент 39 – 35 Полимерцемент 42 – 38 ПН-1 91 59 42 – ЭД-20 97 67 51 – Эпилок – – – Особенности изготовления композиционных материалов по каркасной технологии, которые заключаются в предварительном изготовлении каркасов из крупнопористых смесей с последующим заполнением пустот в отвердевшем каркасе мастикой (причём каркас и мастика могут быть сформованы на различных связующих и заполнителях), позволяют получать композиты, сочетающие самые разные и даже несовместимые, по традиционной технологии, компоненты.

В работе [66] предложены некоторые рациональные виды строительных материалов и изделий, получаемые по каркасной технологии. Конструкционный каркасный бетон обладает оптимальной структурой и повышенной статической и динамической прочностью. Это позволяет применять его для изготовления надёжных строительных изделий и конструкций.

Теплоизоляционный каркасный бетон, получаемый на основе пористых заполнителей, является эффективным в конструкциях трёхслойного поперечного сечения. В данном случае необходимо принять меры, предотвращающие впитывание клея в поры заполнителей при изготовлении каркаса.

Изделия трёхслойного поперечного сечения изготавливают за два цикла формования [66]. В зависимости от назначения они могут включать как комплекс связующих, так и одно из них.

Плиты состоят из двух крайних плотных бетонных слоёв и среднего, из крупнопористого бетона.

Полимербетонные каркасные полы. Технология устройства покрытий полов из каркасных полимербетонов включает следующие операции: грунтовку (пропитку) поверхности бетонного основания пола, нанесение гидроизоляции (эластичного подслоя) и каркасной смеси, пропитку каркаса с одновременным нанесением декоративного лицевого слоя [66].

Облицовочные плитки. Их готовят следующим образом: обрабатывают поверхность крупного заполнителя связующим раствором в количестве 3…6 % от его массы, укладывают смесь в форму и подвергают вибрации до образования нижнего лицевого и верхнего крупнопористого слоёв. После отверждения плитку крупнопористой стороной укладывают в мастику соединительной прослойки, которая заполняет пустоты крупнопористого слоя, а также в заполнители различного цвета для получения плиток декоративного назначения.

Каркасные полимерцементные бетоны. При изготовлении данного вида материалов заполнители склеиваются полимерными клеями, а в качестве матрицы используется цементный или полимерцементный раствор. Причём наиболее эффективно применение для склеивания полимерных соединений, твердеющих во влажных средах одновременно с цементной матрицей.

Электропроводящие каркасные композиты для защиты от электромагнитных излучений. В этом случае получают композиты с большей долей токопроводящих компонентов в материале, обеспечивающих цепочную проводимость. При строительстве специальных зданий и сооружений наряду с электропроводящими композитами требуются бетоны с высокими диэлектрическими свойствами.

Электропроводность бетонов может быть резко снижена при их изготовлении по каркасной технологии. Сначала зёрна заполнителя склеивают в каркас тугоплавким битумом, а затем обрабатывают легкоплавким битумом, а после отверждения последнего пустоты каркаса заполняют цементным раствором [66].

2 МЕТОДИКИ И АЛГОРИТМ СИНТЕЗА РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ Полиструктурная теория 2. Единый подход к формированию структуры и свойств композиционных строительных материалов, изготовленных на различных вяжущих веществах, достаточно полно сформулирован в полиструктурной теории, полученной на основе теоретических и практических знаний об отдельных материалах и технологиях. Создание такой обобщающей теории, по мнению академика В.И. Соломатова, позволит осуществить переход от описательного изложения результатов исследований к теоретическим обобщениям, дальнейшему прогрессу в технологии композиционных строительных материалов [68], то есть перейти от первого этапа ко второму – этапу развития технологии строительных материалов.

В соответствии с этой теорией композиционные строительные материалы (в частности бетоны) представляются полиструктурными, то есть составленными из нескольких структур, переходящих одна в другую по принципу «структура в структуре» [68, 69]. Такое разделение носит не формальный, а объективный характер и оказывается исключительно плодотворным при направленном структурообразовании, формировании свойств материала и обосновании его технологии. При этом предполагается, что для практической технологии и установления объективных закономерностей структурообразования и формирования свойств композита его структуру (а именно полиструктуру) достаточно рассматривать на двух характерных уровнях – уровнях микро- и макроструктуры.

В рамках полиструктурной теории чётко определены основные структурообразующие для каждого масштабного уровня полиструктуры и получены обобщённые факторы закономерности формирования свойств композита в зависимости от этих факторов.

Основные закономерности формирования микроструктуры композитов.

Микроструктура (связующее) образуется при совмещении низковязких вяжущих веществ и наполнителей (тонкомолотых дисперсных фаз). Преобладающее влияние на структуру и свойства этого масштабного уровня композита оказывают поверхностные явления, протекающие на границе раздела фаз «вяжущее вещество – наполнитель» и зависящие от физико-химической активности поверхности, дисперсности и количества наполнителя, то есть от величины общей поверхности раздела фаз:

S f = C f S уд, где C f – количество наполнителя, кг;

S уд – удельная поверхность наполнителя, м2/кг.

Для выявления закономерностей влияния рецептурно-технологических факторов на структуру и свойства композитов методически правильно принимать количество наполнителя, содержащегося в единице объёма материала, в объёмном выражении, то есть Cf = ff, где f – объёмная доля наполнителя, f = V f Vcв ( V f – объём, занимаемый частицами наполнителя;

Vcв – объём связующего);

f – средняя плотность наполнителя.

Подобные представления f применимы для композитов на полимерных и асфальтовых вяжущих. Для портландцементов и других вяжущих веществ, в которых меньшая часть активно взаимодействует с водой, образуя клеящее вещество, а остальная часть (клинкерный фонд) выполняет функции наполнителя, f можно вычислить по формуле Ц+ В f =, (1 )Ц где, – коэффициенты, 1, 1;

Ц, В – соответственно, расходы цемента и воды.

На практике установление закономерностей влияния f и S уд на прочность связующих () проводят по отдельности (рис. 2.1 и 2.2). Важнейшей особенностью Rсв = f f (при S уд = const ), многократно подтверждённой экспериментально для различных композиционных материалов, является экстремальный характер этой зависимости. При малом содержании наполнителя влияние поверхностных явлений незначительно, и поэтому прочность материала близка к прочности затвердевшего вяжущего вещества Rm. Может также наблюдаться явление снижения прочности связующего по сравнению с Rm. Увеличение степени наполнения материала приводит к постепенному повышению прочности, максимум которой наблюдается при формировании оптимальной (по прочности) структуры связующего. При дальнейшем введении наполнителя возникает дефицит вяжущего вещества (особенно при высоких значениях f ), что приводит к частичному смачиванию поверхности дисперсной фазы, значительному увеличению пористости материала и снижению прочности связующего.

Rсж Rmax Rm f f f f,opt 1 – экспериментальная зависимость R =f( );

Рисунок 2.1 – Зависимость прочности композиционных материалов от количества наполнителя:

() 1 – экспериментальная зависимость Rсж = f f ;

( ) 2 – теоретическая зависимость Rсж = a + b f + c f для f I f,opt ± f ( ) имеет единственный экстремум, соответ-ствующий оптимальной Зависимость Rсв = f f структуре, которая отражает состояние вяжущего вещества в виде тонких ориентированных пленок, полностью обволакивающих частицы наполнителя. При этом распределение частиц дисперсной фазы является неоднородным: наблюдается самопроизвольное образование агрегатов кластеров различных размеров, существующих одновременно с неагрегированными частицами.

Такое метастабильное состояние связующего при максимальном насыщении кластерами обеспечивает экстремальное упрочнение материала [68].

В полиструктурной теории агрегирование обусловливает (кластерообразование) термодинамическую неоднородность структуры связующего. Установлены значительное уплотнение вяжущего вещества внутри агрегатов-кластеров и разуплотнение в периферийных областях, оказывающее существенное влияние на трещинообразование материала. Роль процессов агрегирования существенно увеличивается при одновременном образовании и сращивании кластеров из структурных элементов вяжущего вещества и частиц наполнителя, что приводит к неаддитивному упрочнению структуры связующего.

( ) несимметрична относительно экстремума (см. рис.

В общем случае кривая Rсв = f f I ( ± ) симметрия практически соблюдается и f Однако в области 2.1). f,opt f удовлетворительно описывается полиномом второй степени (отметим, что полиномы для научных целей малопригодны).

Оптимизация микроструктуры по параметрам деформативности, эксплуатационной стойкости и другим физико-техническим свойствам (по каждому свойству в отдельности) даёт идентичные f,opt, что фактически является подтверждением «правила створа». Однако значения оптимизация структуры по подвижности смеси, как правило, дает другие значения f,opt.

() Зависимость прочности от дисперсности наполнителя Rсв = f S уд (при f = const ) описывается экспоненциальной функцией рис. Результаты многочисленных (см. 2.2).

исследований показывают, что с увеличением S уд наблюдается рост прочности.

Rсж f Rсж = Ro e R S уд1 S уд 2 S уд R R Sуд2 Sуд Sуд f,opt1 f,opt 2 f,opt 3 f Рисунок 2.2 – Зависимость прочности композиционных материалов от дисперсности наполнителя Необходимо отметить, что при увеличении дисперсности наполнителя значения f,opt смещаются в область меньшей степени наполнения материала.

Поверхностные явления, протекающие на границе раздела фаз, оказывают влияние на структуру и свойства граничных слоёв вяжущего веще-ства. Интенсивность указанных процессов регулируют введением различных поверхностных веществ, изменяющих условия смачивания поверхности наполнителя, адгезионную прочность на границе раздела фаз и т.д. Это приводит к () смещению экстремума функции Rсв = f f в область больших расходов вяжущего при одновременном увеличении прочности связующего.

Из изложенного следует важный вывод о том, что основополагающая зависимость ( ) Rсв = f f, S уд с экстремумом при f,opt характерна только для связующих. Переносить эти представления на макроструктуру нельзя, так как на её формирование влияют также другие факторы, и оптимизация микроструктуры по прочности является необходимым, но не достаточным условием.

Представления о формировании кластерной структуры связующих и основные положения теории перколяции плодотворно использованы при разработке методов прогнозирования влияния рецептуры на физико-механические свойства микроструктуры и проектировании составов, обладающих заданными свойствами [70].

Основные закономерности формирования макроструктуры композитов. Связующие в строительстве самостоятельно применяют в виде клеев, мастик, замазок, композиций для различных покрытий и инъекций. Макроструктура композиционных материалов (бетонов) формируется при совмещении связующего с природными или искусственными заполнителями.

При этом микроструктура является только одним из компонентов бетона.

При постоянной температуре зависимость свойств бетонов от структурных факторов представляется в виде R Rб = f св, св, св, f зап, R зап зап зап св Rсв где – соответственно, соотношение прочностных и деформативных свойств, Rзап зап связующего и заполнителей;

св, зап – объёмные доли связующего и заполнителей;

f зап – фактор, характеризующий прочность сцепления на границе раздела фаз «связующее – заполнитель».

При выбранных видах заполнителя и известном составе связующего отношения прочностных и деформативных свойств этих компонентов бетона являются постоянными св величинами. Фактором, регулирующим свойства макроструктуры, является соотношение ;

и зап в этом случае зависимость свойств бетонов (рис. 2.3) может быть записана в виде R Rб = f св, f зап (при св, св = const ).

Rзап зап зап Прочность макроструктуры меньше прочности связующего. При распределении малых количеств заполнителя по объёму материала формируется макроструктура с «плавающими»

заполнителя. Для такого типа структуры характерно отсутствие контактного зёрнами взаимодействия между зёрнами заполнителя;



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.