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:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |

«Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ...»

-- [ Страница 4 ] --

3.5.4 Радиационный разогрев Как известно, под действием ионизирующего излучения происходят структурные изменения в материале, которые сопровождаются его разогревом [135]. Количество выделившегося тепла зависит от поглощённой дозы ионизирующего излучения, которая, в свою очередь, определяется активностью источника, расстоянием от источника до слоя защиты, энергией квантов излучения, теплофизическими и радиационно-защитными свойствами материала защиты, продолжительностью облучения, тепловым режимом работы конструкции защиты и т.д.

Анализ научно-технической литературы показал, что в открытой печати нет работ, посвящённых исследованию разогрева металлобетонов вариатропно-каркасной структуры под действием ионизирующих излучений. В работе [135] представлена модель для определения величины разогрева радиационно-защитных серных материалов в зависимости от индивидуальных характеристик источника излучения и различных рецептурных и эксплуатационных факторов.

Величина радиационного разогрева композиционного материала может быть определена из соотношения t (1 e )1 e, Ao eo µx c m x T = Tc + (3.74) 4R где Ao активность источника;

eo усредненное значение энергии -квантов;

µ коэффициент линейного ослабления -излучения материалом защитного слоя;

х толщина защитного слоя;

R – расстояние между слоем защиты и источником;

Тс – температура окружающей среды;

c m – теплоёмкость материала;

– коэффициент теплопроводности;

– средняя плотность материала;

– коэффициент теплоотдачи;

t – продолжительность облучения.

Результаты аналитического исследования радиационного разогрева приведены в табл. 3.11.

При расчёте приняты следующие значения: h=50 мм, R=1 м.

Результаты аналитического исследования (см. табл. 3.11) показывают, что радиационный разогрев материала можно регулировать тепловым режимом работы конструкции. Так как радиационно-защитные металлобетоны вариатропно-каркасной структуры на основе свинца нежелательно нагревать выше 300 оС, то при активности источника более 1017 Бк необходимо проводить принудительное охлаждение конструкции.

Соотношение (3.74) непригодно для отыскания температурных полей в гетерогенном материале. Последняя задача может быть решена численно. Моделью процесса в каждой подобласти непрерывности функций µ( x, y ), c m ( x, y ) и ( x, y ) является уравнение (3.38), дополненное слагаемым, отражающим ненулевую плотность мощности внутренних источников тепла (обусловлено поглощением излучения в материале). Краевые условия на линиях разрыва функций µ( x, y ), cm ( x, y ) и ( x, y ) выражают постоянство тепловых потоков.

Таблица 3. Результаты аналитического исследования радиационного разогрева Температура разогрева T, оС Активность Коэффициент теплоотдачи, Дж/(м2К) источника, Бк 1,0 5,0 10, 1013 0,08 0,02 0, 1014 0,86 0,17 0, 1015 8,62 1,72 0, 1016 86,2 17,2 8, 1017 862,1 172,4 86, Численное моделирование динамики изменения температурного поля выполнено для элемента металлобетона, представляющего собой сферическое зерно м) (радиуса 0, ферроборового шлака, окружённое свинцом (размер расчётной области 0,050,050,05 мм).

Активность источника равна 1016 Бк, расстояние до источника 1 м. Начальная температура расчётной области равна T = 20 оС. Температура на границах расчётной области фиксирована на T = 20 о уровне С;

выбранное краевое условие определяет коэффициент теплоотдачи, пропорциональный температуре (что соответствует принудительному охлаждению конструкции).

Изолинии температуры (для времени t=0,3;

2;

10 и 30 мин) приведены на рис. 3.35...3. (облучаемой стороной является нижнее ребро).

Время t=30 мин соответствует полю температур, близкому к установившемуся состоянию.

Результаты численного исследования температурных полей согласуются с приведённой в табл.

3.10 аналитической оценкой величины радиационного разогрева.

h, мм l, мм Рисунок 3.27 – Распределение температур в элементе металлобетона, t=0,3 мин h, мм l, мм Рисунок 3.28. Распределение температур в элементе металлобетона, t=2 мин h, мм l, мм Рисунок 3.29. Распределение температур в элементе металлобетона, t=10 мин h, мм l, мм Рисунок 3.30. Распределение температур в элементе металлобетона, t=30 мин Проведённые исследования показывают, что радиационно-защитные металлобетоны вариатропно-каркасной структуры целесообразно использовать для облицовки ограждающих конструкций могильников, бункеров и хранилищ радиоактивных отходов, активность которых не более 1017 Бк. Кроме того, такие материалы могут применяться для изготовления защитных покрытий в рентгенкабинетах, кабинетах дефектоскопии, лечебных учреждениях, а также в других промышленных и гражданских зданиях и сооружениях, в которых проводятся работы с источниками ионизирующих излучений.

4 ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРУПНОПОРИСТЫХ КАМЕННЫХ КАРКАСОВ Средняя плотность и пустотность 4. При моделировании влияния геометрических размеров формы изделия на плотность упаковки зёрен заполнителя (см. раздел 2) установлено, что для получения максимальной степени наполнения заполнитель должен иметь определённый диаметр, изменяющийся в узком интервале значений и зависящий от типа укладки зёрен. Так, при кубической упаковке частиц dopt=1,47…2, мм, а при гексагональной – dopt=4,04…5,74 мм. Кроме того, показано, что насыпная плотность возрастает при уменьшении высоты формы.

Экспериментальное определение справедливости полученных теоретических решений проводили в ёмкостях, имеющих различные геометрические размеры (табл. 4.1). Результаты исследования подтверждают адекватность моделирования (рис. 4.1).

Таблица 4. Геометрические размеры форм Форма L, мм B, мм H, мм V, л №1 100 100 100 1, №2 100 200 50 1, №3 100 200 75 1, №4 100 200 100 2, Анализ полученных результатов показывает, что увеличение площади основания формы (переход от формы №1 к №2) приводит к повышению насыпной плотности заполнителя как в рыхлонасыпном, так и в виброуплотненном состоянии. Увеличение объёма формы (переход от формы №2 к №4) не повышает величину насыпной плотности.

На среднюю плотность закономерное влияние оказывают вид и рецептура клеевой композиции.

Для цементной клеевой композиции управляющими рецептурными факторами являются водоцементное отношение и количество суперпластификатора, увеличивающего подвижность клея (табл. 4.2) а) Насыпная плотность, кг/м3 10– 5– 2,5–5 Фракция, мм Форма Форма Форма №1 Форма № № № б) Насыпная плотность, кг/м 1100 10– 5– 2,5–5 Фракция, мм Форма Форма Форма №1 Форма № № № Рисунок 4.1 – Влияние геометрических размеров формы и зерна заполнителя на насыпную плотность ферроборового шлака:

а – в рыхлонасыпном состоянии;

б – в виброуплотненом состоянии Таблица 4. Составы каркасов на цементном вяжущем № со- Вид и количество компонентов, мас.% става Ферроборовый шлак Цемент Вода Добавка С- 1,3·10- 1 86,96 9,80 3, 1,3·10- 2 86,96 9,12 3, 2,6·10- 3 86,96 9,76 3, 4,0·10- 4 86,96 9,12 3, 1,3·10- 5 86,96 9,95 3, 1,7·10- 6 86,96 9,00 4, 3,9·10- 7 86,96 9,45 3, 3,3·10- 8 86,96 9,45 3, 1,7·10- 9 86,96 9,45 3, Результаты проведённых исследований представлены в табл. 4.3.

Таблица 4. Результаты эксперимента Средняя плотность Пустотность, % Номер,, %, кг/м3 П, % П, % эксперимента П, % кг/м 1 1285 5,0 0,39 48,0 2,00 4, 2 1350 36,95 2,74 48,8 0,71 1, 3 1320 79,06 5,99 46,6 1,50 3, 4 1300 53,85 4,14 46,8 1,41 2, 5 1450 21,21 1,46 41,5 1,58 3, 6 1340 47,43 3,54 45,0 0,71 1, 7 1390 14,14 1,02 43,5 0,50 0, 8 1340 31,62 2,36 45,3 1,58 3, 9 1330 20,31 1,53 45,8 0,72 1, П р и м е ч а н и е :, П – средние значения;

, П – среднеквадратические отклонения;

, П – коэффициенты вариации.

Математические модели влияния состава цементной клеевой композиции на среднюю плотность и пустотность каркасов имеют вид:

В ср = 1230,1 + 225,0 340,9С С3 ;

Ц В П = 64,475 20,5 193,18С С3, Ц В ( В Ц I[0,33;

0,43] );

С С3 – где водоцементное отношение концентрация – Ц суперпластификатора С-3, % от массы цемента( С С3 I[0,009;

0,031] ).

Графические интерпретации полученных уравнений приведены на рис. 4.2 и 4.3.

Анализ экспериментально-статистических моделей (см. рис. 4.2 и 4.3) показывает, что В/Ц отношение оказывает очевидное влияние на среднюю плотность и пустотность каркасов: средняя плотность увеличивается, а пустотность уменьшается. Это можно объяснить следующим образом.

При низких В/Ц и малом содержании суперпластификатора клеевая композиция имеет высокую вязкость, что предопределяет формирование слоя цементного теста большой толщины. Это способствует получению каркасов с большой раздвижкой зёрен, а следовательно, большей пустотностью. Увеличение В/Ц или концентрации суперпластификатора повышает пластичность смеси и снижает величину раздвижки зёрен. При этом цементное тесто распределяется неравномерно: при осмотре образцов каркасов таких составов в нижней части наблюдается образование уплотнений из цементного теста (камня).

Пустотность, % 0, 0, 0, 0, 0, 0, В/Ц 0,37 0, 0, 0, 0, Спл, % от массы 0,33 0, цемента 0, Рисунок 4.2 – Зависимость пустотности каркасов от содержания добавки и В/Ц-отношения Средняя плотность, кг/м 0, 0, 0, Спл, % от массы 0, 0, 0, цемента 0, 0, 0, 0, 0, В/Ц 0, 0, 0, Рисунок 4.3 – Зависимость средней плотности каркасов от содержания добавки и В/Ц-отношения Значения средней плотности для каркасов (табл. 4.4 и 4.5), склеенных жидкостекольной клеевой композицией, представлены в табл. 4.6.

Таблица 4. Составы каркасов на жидкостекольном клее Вид и количество компонентов, мас.% № со Жидкое става Ферроборовый шлак ОПОС Отвердитель стекло 1 84 8,6 6,6 0, 2 84 8,6 6,6 0, 3 81 8,1 10,1 0, 4 81 8,1 10,1 0, 5 84 8,6 6,6 0, 6 84 8,6 6,6 0, 7 81 8,1 10,1 0, 8 90 9,0 – 0, П р и м е ч а н и е. Содержание модификатора в мас.% от массы жидкого стекла. Модификатор имеет химический состав (% по массе As2O3 – 0,30;

Na2O – 0,50;

K2O – 1,27;

SiO2 – 27,27;

PbO – 70,93), обеспечивающий его расплавление и однородное совмещение с жидким стеклом при Т=800…900 °С.

Таблица 4. Технологические параметры изготовления каркасов на модифицированной жидкостекольной клеевой композиции Продолжительность Температура изотермической выдержки, № состава изготовления, С мин 1 820 2 880 3 820 4 880 5 820 6 880 7 820 8 800 Таблица 4. Результаты эксперимента Средняя плотность Пустотность, %, № состава, %, кг/м3 П, % П, % П, % кг/м 1 1500 34,64 2,31 46,0 2,00 4, 2 1410 35,36 2,51 50,0 0,71 1, 3 1450 30,00 2,07 47,6 1,50 3, 4 1360 29,15 2,14 56,0 1,41 2, 5 1370 31,62 2,31 49,0 1,58 3, 6 1410 29,15 2,07 53,0 0,71 1, 7 1440 15,81 1,10 51,5 0,50 0, 8 1350 22,36 1,66 48,0 1,58 3, П р и м е ч а н и е :, П – средние значения;

, П – среднеквадратические отклонение;

, П – коэффициенты вариации.

Разница значений средней плотности каркасов на жидкостекольной клеевой композиции при одинаковом массовом содержании компонентов (рис. 4.4 и 4.5) объясняется различием в технологическом режиме изготовления каркасов (температура изготовления, время выдержки).

Такое влияние рецептурно-технологических факторов на среднюю плотность каркасов, склеенных модифицированной жидкостекольной композицией, объясняется изменением её вязкости, на которую оказывают влияние физический (температура) и рецептурный (содержание модификатора) факторы. Повышение величин этих факторов приводит к снижению вязкости, уменьшению толщины прослойки клея между зёрнами заполнителя и удалению клеевой композиции, в результате падают значения средней плотности крупнопористых каркасов.

Увеличение продолжительности изотермической выдержки также снижает среднюю плотность каркасов, что также объясняется удалением клеевой композиции вследствие повышения периода температурного воздействия (см. рис. 4.4 и 4.5).

Средняя плотность, кг/м ср = -1,5714Т + 2795, ср = -1,6071Т + 2781, 800 820 840 860 880 Температура, оС – количество ОПОС- 125% от массы жидкого стекла – тоже, 75% от массы жидкого стекла Рисунок 4.4. Зависимость средней плотности каркасов от температуры изотермической выдержки 1480 ср = -0,8333t + 1464, Средняя плотность, кг/м ср = -1,2727t + 14 16 18 20 22 24 Продолжительность изотермической выдержки, мин – при температуре изотермической выдержки 880оС – при температуре изотермической выдержки 820оС Рис.4.5. Зависимость средней плотности каркасов от продолжительности изотермической выдержки Средняя плотность, кг/м ср = -1,0091Vопос + 1575, ср = -Vопос + 1480, 70 80 90 100 110 120 Количество ОПОС, % от массы жидкого стекла – при температуре изотермической выдержки 820оС;

– при температуре изотермической выдержки 880оС Рисунок 4.6. Зависимость средней плотности каркасов от количества модификатора в жидкостекольной композиции Прочностные и деформативные свойства 4. Исследования, направленные на установление влияния различных рецептурно технологических факторов на формирование структуры и прочности каркасных бетонов, проводили многие отечественные и зарубежные учёные: А.Т. Татевосян, Ю.Л. Воробьев, И.С.

Николодошев, В.Т. Ерофеев, К.П. Чалкин, С.М. Ицкович и др. [69, 80, 84,136…139].

С.М. Ицковичем [140] предложена теория прочности крупнопористого бетона (каркаса), основанная на зависимости его прочности от количества и прочности контактов между зёрнами заполнителя. Моделью крупнопористого бетона (каркаса) является тело, состоящее из зёрен сферической формы с нанесённым на их поверхность слоем клея равной толщины;

прочность контакта зависит от его площади и прочности клея. Для цементной клеевой композиции прочность цементного камня достаточно точно описывается формулой О. Графа, согласно которой прочность равна [140]:

2 d Ц R = A, D В d где А – коэффициент пропорциональности (для крупнопористых бетонов А=4,5 МПа [106]);

– D структурный показатель (табл. 4.7).

С применением указанной формулы проведён расчёт прочности каркасов на основе ферроборового шлака, результаты которого приедставлены в табл. 4.7.

Таблица 4. Результаты расчётов прочности каркасов № Прочность, МПа 2 Ц d, мм В состава (по формуле) D 1 0,570 0,7225 9,25 30, 2 0,561 0,7056 5,32 16, 3 0,570 0,7225 9,09 29, 4 0,561 0,7056 5,35 17, 5 0,572 0,7225 10,34 33, 6 0,563 0,7056 4,96 15, 7 0,563 0,7056 6,95 22, 8 0,575 0,7225 6,96 22, 9 0,569 0,7225 6,95 22, Результаты исследования влияния рецептуры цементной клеевой композиции на прочность каркасов приведены в табл. 4.8, экспериментально-статистическая модель имеет вид:

В Rсж = 12,51 31 + 0,91С С3.

Ц Сопоставление значений прочности, полученных расчётным путём (см. табл. 4.7) и экспериментально (см. табл. 4.8, рис. 4.7), указывает на неадекватность предложенной теоретической модели и требует уточнения эмпирического коэффициента А каждый раз при изменении активности цемента, вида заполнителя и условий твердения. Если эти факторы не изменяются, то его можно определить как аналитически, так и экспериментально из серии опытов.

Таблица 4. Результаты эксперимента Прочность при сжатии Номер эксперимента R, МПа R, % Rсж, МПа 1 2 3 1 0,88 0,064 7, 2 0,71 0,081 11, 3 1,04 0,091 8, 4 0,59 0,078 13, 5 0,82 0,086 10, 6 0,42 0,049 11, 7 0,82 0,015 1, 8 1,10 0,189 17, 9 0,68 0,025 3, R – среднеквадратическое отклонение;

R – П р и м е ч а н и е : Rсж– среднее значение;

коэффициент вариации.

Анализ экспериментально-статистической модели и рис. 4.7 показывает, что В/Ц-отношение оказывает закономерное влияние на прочность каркасов: с увеличением В/Ц-отношения прочность закономерно снижается. Значения прочности каркасов, склеенных модифицированной жидкостекольной клеевой композицией, представлены в табл. 4.9 и на рис. 4.8…4.10.

1, Предел прочности при сжатии, МПа 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, Сд, % от 0, 0,33 0, массы 0,36 0,0145 цемента 0, 0, 0, 0, В/Ц 0, 0, 0, Рисунок 4.7 – Зависимость прочности каркасов от содержания добавки и В/Ц-отношения Предел прочности при сжатии, МПа 1,9 Rсж = -0,0121T+ 11, 1, 1, 1, 1, 1,4 Rсж = 0,0056T - 3, 1, 1, 1, 810 820 830 840 850 860 870 880 Температура, оС – количество ОПОС - 125% от массы жидкого стекла – тоже, 75% от массы жидкого стекла Рисунок 4.8 – Зависимость прочности каркасов от температуры изотермической выдержки 1, Предел прочности при сжатии, МПа 1, 1,4 Rсж = -0,0024t + 1, 1, 1, 1, 1, 1, Rсж = 0,0145t + 0, 1, 1, 14 16 18 20 22 24 Продолжительность изотермической выдержки, мин – при температуре изотермической выдержки 880оС – при температуре изотермической выдержки 820оС Рисунок 4.9 – Зависимость прочности каркасов от продолжительности изотермической выдержки 1, Предел прочности при сжатии, МПа 1,8 Rсж = 0,0144Vопос 1, 1, 1, 1, Rсж = -0,007Vопос + 1, 1, 1, 1, 70 80 90 100 110 120 Количество ОПОС, % от массы жидкого стекла – при температуре изотермической выдержки 820оС – при температуре изотермической выдержки 880оС Рисунок 4.10 – Зависимость прочности каркасов от количества ОПОС в жидкостекольной композиции Анализ экспериментальных данных и экспериментально-статистических моделей, представленных на рис. 4.8…4.10, показывает, что значительное влияние на физико-механические свойства крупнопористых каркасов оказывает концентрация модификатора ОПОС: при прочих равных условиях с увеличением его количества максимальные значения прочности и энергии разрушения достигаются при более мягком режиме изготовления. Это можно объяснить уменьшением вязкости клеевой композиции с введением ОПОС;

такой же эффект для композиций, содержащих малое количество модификатора, достигается при повышенных температуре (Т=880оС) и продолжительности изотермической выдержки (t=25 мин).

Оценку деформативных свойств каркасов проводили на основе анализа диаграмм «нагрузка – деформация» (табл. 4.9). Типичная зависимость диаграмм «относительная нагрузка относительная деформация» представлена на рис. 4.11, а результаты экспериментальных исследований – в табл. 4.10.

отн 1, I 0, I 0, отн = с3 f отн + с2 f отн + с1 f отн + со 3 0, 0, 1,00 fотн 0,00 0,20 0,40 0,60 0, Рисунок 4.11 – Типичная диаграмма «относительная нагрузка относительная деформация»

крупнопористых каркасов на ферроборовом шлаке Анализ табл. 4.9 показывает, что основные параметры диаграммы деформирования крупнопористых каркасов – значения границ I1, I2 и относительная энергия разрушения – зависят от рецептурно-технологических факторов. Так, с увеличением толщины клеевой прослойки возрастают прочность каркаса и его относительная энергия разрушения.

Значения границ I1, I2 позволяют оценить характер разрушения. На участке «0 – I1»

происходит деформирование материала без значительного разрушения его структуры.

Разрушаются только перенапряжённые связи, общее количество которых характеризует величину внутренних напряжений. На участке «I1 – I2» наблюдается интенсивное поглощение материалом внешней энергии вследствие зарождения и развития микротрещин (в том числе их ветвления на дефектах). На участке «I2 – 1» (объединение микротрещин в макротрещины и зарождение магистральной трещины) интенсивно разрушается каркас.

Обработка экспериментальных данных проводилась по методике, представленной в работе [141].

Таблица 4. Результаты испытаний Эмпирические коэффициенты отн = f ( f отн ) max ·10- № состава I1 I2 Eотн С3 С2 С1 С Цементная клеевая композиция 1 -0,342 1,0245 0,2934 -0,0065 0,26 1,0 0,40 9, 2 -0,2778 0,1139 1,1923 -0,0237 0,30 1,0 0,54 12, 3 -1,2635 0,9072 1,3694 -0,0129 0,29 1,0 0,66 12, 4 -0,0161 -0,1528 1,1645 0,0023 0,45 1,0 0,53 11, 5 0,3287 -0,3834 1,0267 0,0150 0,27 1,0 0,48 8, 6 0,3161 -0,4247 1,1222 -0,0245 0,31 1,0 0,47 8, 7 -0,4529 0,6636 0,8004 -0,0155 0,27 1,0 0,49 8, 8 0,4862 -0,3051 0,8543 -0,0004 0,28 1,0 0,45 14, 9 0,4943 -0,6600 1,1724 -0,0047 0,29 1,0 0,49 3, Жидкостекольная клеевая композиция 1 1,6270 -3,3556 2,6817 0,0564 0,27 0,87 0,69 7, 2 1,5749 -3,4636 2,8648 0,0282 0,30 0,91 0,70 8, 3 2,3096 -4,482 3,1218 0,0740 0,25 0,80 0,72 10, 4 1,3750 -2,9378 2,5549 0,0218 0,29 0,90 0,66 7, 5 2,1756 -4,0527 2,7810 0,1081 0,23 0,79 0,69 11, 6 2,1982 -4,206 2,9169 0,1102 0,24 0,80 0,72 9, 7 1,8170 -3,5753 2,7424 0,0232 0,27 0,84 0,66 9, 8 2,2274 -3,9799 2,6944 -0,0059 0,25 0,79 0,57 10, Теплофизические свойства 4. В работе [140] предложена зависимость = + + для определения теплопроводности крупнопористого бетона, структура которого является аналогичной структуре каркаса для каркасных бетонов. Теплопроводность крупнопористого бетона слагается из теплопроводности:

d 2 d = з Vз + 2 + 1, зёрен заполнителя D D d = 1,8 к + клеевой композиции DD = вVпуст, и воздуха находящегося межзерновых пустотах.

Здесь з – теплопроводность заполнителя;

– эмпирический коэффициент;

Vз – объём к – заполнителя;

диаметр контакта;

средний диаметр зерна заполнителя;

d– D– теплопроводность клеевой композиции;

– толщина клеевой композиции;

Vпуст – объём в – эффективная теплопроводность воздуха, межзерновых пустот в единице объёма;

в = 0,026 + 3,78D.

Результаты расчётов теплопроводности каркасов на цементной и жидкостекольной клеевых композициях приведены в табл. 4.10 и 4.11.

Таблица 4. Результаты расчёта коэффициента теплопроводности каркасов, склеенных модифицированной цементной клеевой композицией Объёмные доли Коэффициенты теплопроводности, Вт/(м·К) №, d ·10 со- заполни к мм клея воздуха D D става теля 1 0,350 0,170 0,480 0,570 0,080 0,85 0,57 1,1 0,15 2,53 1, 2 0,374 0,178 0,488 0,561 0,079 0,84 0,58 1,17 0,15 2,36 1, 3 0,360 0,174 0,466 0,570 0,080 0,85 0,57 1,13 0,15 2,46 1, 4 0,360 0,172 0,468 0,561 0,079 0,84 0,58 1,12 0,15 2,47 1, 5 0,394 0,191 0,415 0,572 0,080 0,85 0,57 1,24 0,15 2,19 1, 6 0,372 0,178 0,450 0,563 0,080 0,84 0,58 1,16 0,15 2,37 1, 7 0,362 0,183 0,435 0,563 0,080 0,84 0,58 1,19 0,15 2,29 1, 8 0,368 0,179 0,453 0,575 0,081 0,85 0,58 1,16 0,16 2,39 1, 9 0,365 0,176 0,458 0,569 0,080 0,85 0,58 1,14 0,15 2,42 1, П р и м е ч а н и е. в = 5,27·10-2 Вт/(м·К), з =1,37 Вт/(м·К).

Таблица 4. Результаты расчёта коэффициента теплопроводности каркасов, склеенных модифицированной жидкостекольной клеевой композицией Объёмные доли Коэффициенты теплопроводности, Вт/(м·К) №, d ·10 со- заполни к мм клея воздуха D D става теля 1 0,452 0,216 0,484 0,309 0,044 0,604 0,66 1,07 0,084 2,26 1, 2 0,425 0,111 0,464 0,309 0,044 0,604 0,66 1,01 0,084 2,44 1, 3 0,419 0,122 0,459 0,342 0,048 0,640 0,65 1,03 0,090 2,42 1, 4 0,393 0,114 0,493 0,342 0,048 0,640 0,65 0,97 0,090 2,60 1, 5 0,413 0,108 0,479 0,309 0,044 0,604 0,66 0,98 0,084 2,53 1, 6 0,425 0,111 0,464 0,309 0,044 0,604 0,66 1,01 0,084 2,44 1, 7 0,416 0,121 0,463 0,342 0,048 0,640 0,65 1,03 0,090 2,44 1, 8 0,418 0,092 0,489 0,260 0,037 0,550 0,70 0,93 0,070 2,58 1, Анализ табл. 4.10 и 4.11 показывает, что теплопроводность каркасов на цементной клеевой композиции варьируется от 1,28 до 1,42 Вт/(м·К). Наибольшей теплопроводностью обладает композиция (состав №5), содержащая, мас.%: ферроборовый шлак – 86,96;

цемент – 9,95;

вода – 3,09;

добавка С-3 – 1,3·10-5. Теплопроводность каркасов на модифицированной жидкостекольной клеевой композиции от 1,03 до 1,18 Вт/(м·К);

наибольшим коэффициентом теплопроводности обладает композиция (состав №1), включающая, мас.%: ферроборовый шлак – 84;

жидкое стекло – 8,6;

ОПОС – 6,6;

отвердитель – 0,8.

Многокритериальная оптимизация составов каркасов 4. Для проведения многокритериальной оптимизации рецептуры и технологии изготовления каркасов из ферроборового шлака использовали критериальный подход. Качество каркасов в соответствии с декомпозицией системы критериев качества каркасов (см. раздел 2) оценивали по следующим выделенным факторам: пустотности, средней плотности, коэффициенту теплопроводности, прочности, коэффициенту выведения нейтронов (табл. 4.12).

Таблица 4. Показатели качества каркасов и формулы для их вычисления Формула для Показатель Примечание вычисления 1 2 Критерий плотности к – средняя плотность каркаса;

– к k = плотность шлака, =2800 кг/м Критерий пустотности (пропиточной П к – пустотность каркаса;

П max – способности) пустотность идеального каркаса Пк kП = П max ( П max = 0,48, для структуры с кубическим типом упаковки зёрен) Критерий прочности Rк – прочность каркаса;

Rmax – Rк kR = Rmax максимальная прочность каркаса µ – коэффициент поглощения Критерий радиационно-защитных свойств нейтронов материалом каркаса;

µ max – µ k = µ max коэффициент поглощения нейтронов бором Окончание табл. 4. 1 2 к – коэффициент теплопроводности Критерий теплопроводности к k = каркаса;

max – теплопроводность max свинца Технико-экономический критерий Tt –энергетический параметр про Tt k ek = изводства каркаса;

T0t0 – энергия T t производства эталонного каркаса Выделенные частные критерии (свойства) сгруппированы в функционале качества следующего вида:

Fк = 1 K фм + 2 K эк + 3 k ek = 1 3 k k П k R + 2 k k + 3 k ek, где K фм – коэффициент, характеризующий физико-механические свойства (средняя плотность, пустотность и прочность), вычисляемый по формуле K фм = 3 k k П k R ;

K эк – коэффициент, характеризующий эксплуатационные свойства (радиационно-защитные свойства и коэффициент теплопроводности), рассчитываемый по формуле K эк = k k ;

kek – технико-экономический критерий;

1, 2, 3 – коэффициенты весомости факторов.

Расчёт технико-экономического критерия проводился суммированием величин Titi пооперационно (табл. 4.13).

Таблица 4. Технологический регламент изготовления каркасов Основные параметры Titi, оС·Ч Операция Температура, Продолжительность, Ч о С Цементная клеевая композиция Выдержка каркаса 24 20 Подъём температуры до температуры 55 4 изотермической выдержки Изотермическая выдержка 90 10 Итого: Жидкостекольные клеевые композиции Выдержка каркаса 24 20 Подъём температуры до температуры 420…450 2 840… изготовления Изотермическая выдержка 820…880 15…25 123… Итого: 1443… Результаты расчёта обобщённого критерия качества для каркасов на цементной клеевой композиции и на модифицированной жидкостекольной клеевой композиции с различными значениями коэффициентов весомости приведены в табл. 4.14.

Таблица 4. Результаты многокритериальной оптимизации составов каркасов Значения коэффициентов весомости 1 = 0,5 1 = 0,25 1 = 0,25 1 = 0, № состава 2 = 0,25 2 = 0,25 2 = 0,5 2 = 0, 3 = 0,25 3 = 0,5 3 = 0,25 3 = 0, Цементная клеевая композиция 1 0,361 0,256 0,257 0, 2 0,347 0,249 0,251 0, 3 0,376 0,264 0,266 0, 4 0,317 0,234 0,235 0, 5 0,360 0,257 0,260 0, 6 0,288 0,220 0,222 0, 7 0,339 0,246 0,248 0, 8 0,367 0,260 0,262 0, 9 0,330 0,243 0,244 0, Модифицированные жидкостекольные клеевые композиции 1 0,377 0,259 0,260 0, 2 0,409 0,276 0,275 0, 3 0,434 0,287 0,288 0, 4 0,387 0,265 0,264 0, 5 0,387 0,265 0,264 0, 6 0,394 0,271 0,269 0, 7 0,416 0,280 0,280 0, 8 0,369 0,256 0,254 0, По результатам проведённой многокритериальной оптимизации для изготовления вариатропно-каркасного радиационно-защитного металлобетона целесообразно использовать каркасы – состав №3 на модифицированной жидкостекольной клеевой композиции и состав №3 на цементной клеевой композиции. Физико-технические характеристики предложенных составов представлены в табл. 4.15.

Таблица 4. Основные свойства разработанных каркасов Значение Наименование показателя показателя Жидкостекольные клеевые композиции Средняя плотность, кг/м3 Пустотность, % 48, Предел прочности при сжатии, МПа 1, Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К) 1, Линейный коэффициент ослабления -излучения (см-1) при энергии фотонов (1,0 МэВ) 0, 5,48·10- Коэффициент выведения быстрых нейтронов (2…10 МэВ), см- Цементная клеевая композиция Средняя плотность, кг/м3 Пустотность, % 52, Предел прочности при сжатии, МПа 1, Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К) 1, Линейный коэффициент ослабления -излучения (см-1) при энергии фотонов (1,0 МэВ) 0, 5,52·10- Коэффициент выведения быстрых нейтронов (2…10 МэВ), см- 5 СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ МЕТАЛЛОБЕТОНОВ ВАРИАТРОПНО–КАРКАСНОЙ СТРУКТУРЫ Проектирование состава радиационно-защитных металлобетонов 5. вариатропно-каркасной структуры В основу проектирования состава вариатропно-каркасного металлобетона для защиты от радиации могут быть положены различные принципы:

1) изготовление конструкции с заданной толщиной:

hк hmax, где hк – толщина конструкции защиты;

hmax – заданная толщина конструкции;

2) создание конструкции с массой, не превышающей предельное значение:

mк mmax, где mк – масса конструкции;

mmax – предельная масса конструкции;

3) снижение расхода свинца для изготовления конструкции:

Pсв min.

Последние два условия могут быть определены через толщину конструкции, а именно:

( ( )) S к hк f f m f mmax ;

( ) S к hк 1 f m min, где Sк – площадь конструкции (для сравнительных расчётов можно принять S к = 1 м2);

f – объёмная доля заполнителя (для вариатропно-каркасных металлобетонов 0,52 f 0,74 );

m – средняя плотность пропиточной композиции (свинца);

f – средняя плотность заполнителя.

При заданных граничных значениях mmax и Рсв.min можно определить требуемое количество заполнителя:

( ) m f f max m f S K hK или Pсв. min 1.

S K hK m f Если расход свинца, требуемый для изготовления конструкции массой mmax, равен f m 1 - Рсв. min = max f, S h KK m то f =.

f Толщина защитного слоя зависит от энергии излучения, химического состава материала конструкции и требований по защитным характеристикам:

ln (B D K ), hк = h1 / 2 + µ где h1 / 2 – толщина половинного ослабления;

µ – линейный коэффициент ослабления бетона;

K = Do D 1 – кратность ослабления;

Do, D – дозы излучения до и после слоя защиты;

BD – дозовый фактор накопления.

В вариатропно-каркасных металлобетонах для защиты от радиации заполнитель может принимать только определённые значения: минимальная плотность упаковки частиц сферической формы f = 0,52, а максимальная – f = 0,74. При объёмной доле заполнителя f 0, организовать равномерное его распределение по объёму изделия затруднительно (особенно это верно при значительной разнице в плотностях заполнителя и пропиточной композиции). Поэтому при проектировании составов вариатропно-каркасных бетонов целесообразно принимать фиксированные значения f, а именно: f = 0,52, 0,63 и 0,74.

Если в результате расчёта будет установлено, что требования по защитным и геометрическим характеристикам конструкции (изделия) будут удовлетворены только при f 0,52, то целесообразно применять многослойные конструкции, состоящие из металлобетона, содержащего каркас заполнителя с f = 0,52 (слой №1), и ненаполненного металла (слой №2).

Химический состав вариатропно-каркасных металлобетонов на ферроборовом шлаке представлен в табл. 5.1.

По химическому составу композита с применением справочных данных [134, 142] рассчитывается линейный коэффициент ослабления -излучения (табл. 5.2, рис. 5.1):

m µ µ = к Pi, (5.1) i =1 i ( ) – средняя плотность металлобетона;

µ, где к = f f m f Pi – соответственно i массовый коэффициент ослабления и содержание i-го химического элемента.

Таблица 5. Химический состав металлобетонов Химический состав, % № состава Fe Al Si Pb B Ca Mg O Свинцовая – – – 100 – – – – защита №1( f = 0,52 ) 0,33 7,44 0,20 78,90 0,29 1,96 1,53 9, №2( f = 0,63 ) 0,46 10,44 0,28 70,40 0,40 2,75 2,14 13, №3( f = 0,74 ) 0,64 14,56 0,39 58,73 0,56 3,83 2,99 18, Таблица 5. Линейный коэффициент ослабления -излучения металлобетона на ферроборовом шлаке Объёмная доля заполнителя Е, МэВ 0 0,52 0,63 0, 0,5 1,803 0,992 0,821 0, 1,0 0,798 0,475 0,407 0, 1,5 0,587 0,357 0,309 0, 5,0 0,481 0,273 0,229 0, () Зависимость µ = f E описывается функцией b µ = a exp, (5.2) E где a, b – коэффициенты.

Значения коэффициентов a и b, определённые аппроксимацией данных приведенных, на рис. 5.1 функцией (5.2), даны в табл. 5.3.

1, Линейный коэффициент 1, ослабления, см- 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0 1 2 3 4 Энергия -излучения, МэВ 0 0,52 0,63 0, Рисунок 5.1. Зависимость линейного коэффициента ослабления от энергии -излучения и состава металлобетона Таблица 5. Значения эмпирических коэффициентов Объёмная доля Значения коэффициентов заполнителя a b 0,52 0,226 0, 0,63 0,196 0, 0,74 0,167 0, Зависимость толщины слоя защиты зависит от кратности ослабления (табл. 5.4).

Таблица 5. Толщина конструкции защиты Объёмная доля заполнителя Е, МэВ 0 0,52 0,63 0, 1 2 3 4 Кратность ослабления К= 0,5 1,89 3,43 4,14 5, 1 4,26 7,16 8,36 10, 1,5 5,80 9,52 11,01 13, 5 7,07 12,47 14,87 18, Кратность ослабления К= 0,5 4,44 8,07 9,76 12, 1 10,04 16,85 19,68 23, 1,5 13,65 22,40 25,92 30, 5 16,64 29,35 35,02 43, Окончание табл. 5. 1 2 3 4 Кратность ослабления К= 0,5 8,27 15,03 18,17 22, 1 18,69 31,39 36,65 44, 1,5 25,42 41,73 48,28 57, 5 30,99 54,68 65,23 80, Кратность ослабления К= 0,5 12,10 21,99 26,59 33, 1 27,35 45,93 53,63 64, 1,5 37,19 61,05 70,64 83, 5 45,34 80,00 95,43 118, () Зависимость hк = f E описывается функцией a (5.3) hк = ( ), exp b E где a, b – постоянные, значения которых приведены в табл. 5.5.

Таблица 5. Значения эмпирических коэффициентов Значения коэффициентов Объёмная доля заполнителя a b Кратность ослабления К= 0 8,37 0, 0,52 14,54 0, 0,63 17,24 0, 0,74 21,19 0, Кратность ослабления К= 0 19,70 0, 0,52 34,22 0, 0,63 40,59 0, 0,74 49,88 0, Кратность ослабления К= 0 36,70 0, 0,52 63,76 0, 0,63 75,61 0, 0,74 92,90 0, Кратность ослабления К= 0 53,69 0, 0,52 93,28 0, 0,63 110,61 0, 0,74 135,95 0, Из табл. 5.5 видно, что коэффициенты a и b зависят от объёмной степени наполнения металлобетона.

() Зависимость a = f f предлагается описывать функцией вида:

a=, (5.4) c d f ( ) зависимость:

где c, d – постоянные (табл. 5.6), а b = f f a b f b=, (5.5) 1 c f d f где a, b, c, d – эмпирические коэффициенты (табл. 5.7).

Таблица 5. () Значения эмпирических коэффициентов зависимости функции a = f f Значения коэффициентов Кратность ослабления c d К=10 0,120 0, К=1103 0,051 0, К=1106 0,027 0, К=1109 0,018 0, Таблица 5. () Значения эмпирических коэффициентов зависимости функции b = f f Значения коэффициентов Кратность ослабления a b c d К=10…1109 0,674 0,062 0,094 0, Зависимости коэффициентов c и d от кратности ослабления описываются функциями вида:

c = 0,12(lg K ) и d = 0,1(lg K ) 0, 814 0, (5.6).

Обобщая полученные данные (см. табл. 5.4…5.7), окончательно получим:

(lg K )0, hк =.

0,674 0,062 f (0,12 0,1 (lg K )0,013 ) (5.7) exp ( ) E 1 0,094 0,109 2 f f f Зависимость (5.7) применима для определения толщины конструкции защиты в следующих диапазонах защитных характеристик и характеристик источников излучения:

1) кратность ослабления – 10 K 10 ;

2) объёмная доля заполнителя – 0 f 0,74 ;

3) энергия излучения – 0,5 E 5 МэВ.

Порядок расчёта состава По заданным характеристикам источника излучения (энергии излучения, активности источника), требованиям по защитным характеристикам ослабления) и (кратности геометрическим размерам конструкции с применением формулы (5.7) устанавливаем объёмное содержание заполнителя f.

Для склеивания каркаса заполнителей применяем клеевую композицию, расход которой зависит от толщины клея, его средней плотности, диаметра и плотности упаковки частиц.

Определяем расход клея. Принимаем расчётную схему, представленную на рис. 5.2.

) Рисунок 5.2 – Расчётная схема Из рис. 5.2, б находим радиус основания шарового сегмента:

rc = D d, 2 (5.8) где D = d + 2 ( – толщина клеевого слоя);

d – диаметр частицы заполнителя;

.

Рассчитываем объём шарового сегмента высотой :

( ) 2 Vc = 3rc + или Vc = 2 d +.

2 (5.9) При контакте двух частиц ( N к = 1 ;

здесь N к – количество контактов) количество клея уменьшается на величину, равную:

2 2Vc = 4 d +, (5.10) или при N к = N к и количестве частиц N f 4 N f N к d +.

(5.11) Общее количество клея, которое можно нанести толщиной на N f частиц:

V = d N f.

(5.12) С учётом экономии клея при контактном расположении частиц объёмный его расход будет равен:

Vк = d N f 4 N f N к d + 2 (5.13) 6 f Vo или с учётом N f = d 6 f Vo 2 Vк = d 4N к d + 12, (5.14) d где Vo – объём конструкции (замеса).

Массовый расход клея 6 f Vo к 2 Pк = d 4N к d + 12, (5.15) d где к – средняя плотность клея.

Рассчитываем по формулам раходы:

– пропиточной композиции:

( ) 6 f Vo 2 Pсв = 1 f свVo d 4N к d + ;

(5.16) d – заполнителя Pз :

Pз = f зVo, (5.17) з, св – средняя плотность заполнителя и пропиточной композиции (металла), где соответственно.

Смачиваемость поверхности заполнителя расплавом свинца 5. Смачивание является сложным физико-химическим процессом, от интенсивности протекания которого зависит качество структуры каркасного металлобетона и технико экономические показатели его производства.

Смачиваемость можно оценить следующими способами [143, 144]:

1) определением смачивающей способности металлических расплавов (смачиваемость определяется качественно на основе визуального наблюдения за процессом растекания), а также замером площади растекания, или краевого угла смачивания;

2) изучением течения жидких металлических расплавов в зазорах, образованных поверхностями соединяемых материалов. Смачиваемость в этом случае оценивается по глубине затекания расплава в зазор горизонтального шва, по высоте подъёма жидкого металла в капиллярном зазоре при вертикальном расположении шва, а также по времени затекания;

3) измерением усилия, действующего на образец основного материала, частично погружённого в расплав металла.

Энергетическим условием смачивания является стремление физической системы к минимуму свободной потенциальной энергии. При этом реализуются два условия: механического и химического равновесия [144]. При реализации этих условий характеристика явления смачивания – краевой угол смачивания – является равновесным. Отклонение термодинамической системы приводит к формированию неравновесных краевых углов смачивания, которые, как правило, и определяются экспериментально.

Величина краевого угла смачивания зависит от молекулярных взаимодействий на границах раздела фаз. Смачивание наблюдается в случае, если энергия межмолекулярных взаимодействий контактирующих фаз (адгезия) выше энергии межмолекулярных взаимодействий смачивающей среды (когезия). На практике не производят расчёт величин межмолекулярных взаимодействий, а используют экспериментально устанавливаемые значения поверхностных натяжений контактирующих тел. Взаимосвязь между энергетическими характеристиками поверхностных натяжений, краевого угла смачивания, работ адгезии и когезии выражается известным уравнением Юнга – Дюпре:

– краевой угол смачивания 1,3 2, cos = ;

(5.18) 1, – работа адгезии W A = 1,3 + 1,2 2,3 ;

(5.19) – работа когезии WK = 21, 2, (5.20) где 1,3, 1,2, 2,3 – поверхностные натяжения на границах раздела фаз (рис. 5.3).

1, 1,3 от 2, Рисунок 5.3. Схематичное расположение капли на недеформируемой твёрдой поверхности Если жидкость (расплавленный металл) смачивает подложку, то краевой угол смачивания меньше 90о, в случае тупого угла смачивания не происходит. Смачиванием можно управлять, путем изменения свойств поверхности смачиваемого тела и введения в смачивающую жидкость межфазово-активных компонентов.

Эффективной поверхностно-активной добавкой является кислород [145]. Его малые примеси эффективно снижают краевой угол смачивания расплавом окисной поверхности. Подобные эффекты наблюдаются, в частности, при изготовлении керметов, где связь между металлом и керамикой формируется путём получения твёрдых растворов, когда в жидком металле образуются оксиды, изоморфные основному оксиду керамики [146].

С процессами, протекающими на границе раздела разнородных материалов, сталкиваются также литейщики, так как взаимодействие металла с материалом формы не только снижает чистоту поверхности отливки, но и в значительной степени изменяет физико-механические свойства поверхностного слоя [143, 147]. Поэтому рекомендуется выбирать материал формы исходя из условий высокой температуры плавления и низкой химической активности.

В ходе экспериментальных и теоретических исследований [144, 145] были выявлены следующие закономерности смачивания окислов жидкими металлами:

1) Смачиваемость окислов улучшается с повышением сродства жидкого металла к кислороду. Металлы, активные по отношению к кислороду (титан, цирконий, алюминий, кремний, марганец), хорошо смачивают окислы типа Al2O3, BeO, MgO и т.д. Напротив, расплавы малоактивных металлов (ртуть, олово, свинец, медь, серебро, никель, кобальт, железо) плохо смачивают эти окислы краевой угол смачивания составляет 120…150о.

2) Смачиваемость окислов уменьшается при увеличении энергии связи кислорода в окисле (т.е. при увеличении свободной энергии образования данного окисла). Например, окислы металлов с большой электропроводностью смачиваются жидкими металлами лучше, чем окислы с малой электропроводностью.

При увеличении шероховатости твёрдой поверхности, характеризуемой её 3) микрорельефом, наблюдается рост значения краевых углов смачивания расплавов металлов, малоактивных по отношению к кислороду (рис. 5.4).

При растекании жидкости перпендикулярно направлению микронеровностей макрокраевой угол зависит от крутизны наклона различных участков твёрдой поверхности. В результате возникают принципиальные различия по смачиванию шероховатых твёрдых и идеально гладких поверхностей. Прежде всего, наличие шероховатостей приводит к появлению состояний метастабильного равновесия системы. Соответственно статистические краевые углы могут существенно отличаться от равновесного краевого угла. Вместе с тем макрокраевые углы на шероховатой поверхности зависят от направления течения жидкости, поскольку положение линии смачивания в состоянии метастабильного равновесия различно при натекании и оттекании.

Следовательно, шероховатость представляет одну из основных причин гистерезиса смачивания.

°ш 1 2 0, мкм Рисунок 5.4 – Краевые углы капель ртути на стекле после шлифовки и полировки (1) и после шлифовки разными абразивами (2) в зависимости от средней высоты микровыступов При анализе смачивания необходимо учитывать, что в большинстве случаев поверхность окислов образована преимущественно анионами кислорода, размер которых значительно превышает размер металлических катионов. Поэтому взаимодействие жидкого металла с окислом определяется взаимодействием расплава с кислородом окисла. Для двухвалентных металлов протекает реакция:

Ме + МеО Ме + МеО.

Изменение термодинамического потенциала при этой реакции равно:

G = G G, где G и G – изменение потенциалов при реакциях окисления жидкого металла и металла, образующего твёрдый окисел.

При проведении исследований вычисляли значения энергии Гиббса процесса смачивания расплавом свинца (при Т=400оС) подложек, содержащих Al2O3, CaO, MgO, B2O3, SiO2, Na2O* (табл. 5.8).

Таблица 5. Результаты расчётов значений энергии Гиббса процессов взаимодействия на границе раздела «расплав свинца – окисел твёрдой поверхности» (при Т=400оС) Пропиточная Результат Н, кДж/моль S, Дж/(моль·К) G, кДж/моль композиция взаимодействия При взаимодействии с Al2O Не взаимодействует Pb 1021,42 13,18 +1013, При взаимодействии с CaO Не взаимодействует Pb 417,24 4,42 +414, При взаимодействии с MgO Не взаимодействует Pb 383,38 8,11 +378, При взаимодействии с B2O Не взаимодействует Pb 610,42 73,09 +564, При взаимодействии с SiO Не взаимодействует Pb 423,58 -18,37 +435, При взаимодействии с Na2O Не взаимодействует Pb 212,74 34,24 +191, Анализ данных, приведенных в табл. 5.8 показывает, что взаимодействие на границе «расплав свинца – окисел твёрдой поверхности» не происходит.

* Указанные оксиды входят в состав вяжущих, используемых для изготовления клеевых композиций (шлакопортландцемент и жидкое стекло) и-модификатора (ОПОС).

Для измерения краевых углов смачивания твёрдых тел металлическими расплавами использовали метод покоящейся капли, находящейся на исследуемой поверхности (рис. 5.3).

Измерение краевого угла производили по профилю капли. Преимущества метода – это простота измерений, небольшое количество жидкой и твёрдой фазы. Изображение профиля капли получали с помощью микроскопа с приставкой для фотографирования (рис. 5.5), выделяя при этом углы натекания и оттекания. Затем обрабатывали полученные изображения на ПЭВМ и производили расчёт значения краевого угла смачивания:

2h = tg, (5.21) l где h – высота сегмента хорды;

l – длина хорды.

а) б) Рисунок 5.5. Типичные изображения углов смачивания (100) Определение краевых углов смачивания свинца проводили на трёх типах покрытия, нанесённого на заполнитель (ферроборовый шлак): цементной композиции, жидкостекольной композиции и модифицированной ОПОС жидкостекольной композиции. Значения углов смачивания приведены в табл. 5.9.

Таблица 5. Результаты исследований Клеевая композиция Цементная композиция Жидкое стекло Жидкое стекло с ОПОС 137±3 147±3 130± Анализ экспериментальных данных (см. табл. 5.9) показывает, что значение краевого угла смачивания для указанных типов подложек больше 90°;

следовательно, смачивание на границе раздела фаз затруднено. По способности смачиваться расплавом свинца исследуемые подложки можно расположить в нисходящем ряду: модифицированная жидкостекольная клеевая композиция – цементная клеевая композиция – жидкостекольная клеевая композиция.

Средняя плотность и пористость 5. Средняя плотность радиационно-защитного металлобетона вариатропно-каркасной структуры зависит от средней плотности крупнопористого каркаса, вида и количества клеевой композиции и толщины свинцового защитно-декоративного слоя.

Средняя плотность крупнопористого каркаса из ферроборового шлака может быть определена по формуле к = кл кл + (1 кл ) шл, (5.22) где кл – объёмная доля клея;

кл, шл – средняя плотность соответственно клея и шлака.

При этом пустотность каркаса зависит от толщины клеевой композиции, которая определяется рецептурно-технологическими факторами. Следовательно, максимальную среднюю плотность радиационно-защитного металлобетона вариатропно-каркасной структуры (без учёта объёма металла, расходуемого на создание защитно-декоративного слоя на поверхности изделий) вычисляем по формуле б = св + (1 ) к, (5.23) где – пустотность;

св, к – средняя плотность соответственно свинца и каркаса.

Таблица 5. Результаты расчётов средней плотности каркасных металлобетонов при различной пустотности и средней плотности каркаса Истинная плотность Пустотность, % каркаса, кг/м3 40,0 42,0 44,0 46,0 48,0 50,0 52,0 54, 2200 6736 6963 7190 7416 7643 7870 8097 2300 6836 7063 7290 7516 7743 7970 8197 2400 6936 7163 7390 7616 7843 8070 8297 2500 7036 7263 7490 7716 7943 8170 8397 2600 7136 7363 7590 7816 8043 8270 8497 Создание свинцового защитно-декоративного слоя на поверхности изделия приводит к закономерному увеличению средней плотности металлобетона вследствие повышения расхода металла, что эквивалентно увеличению объёма пустот в композите:

(1 )Vк П = 1, (5.24) Vo где – пустотность;

Vк – объём каркаса;

Vo – объём изделия.

С учётом зависимости (5.24) формулу (5.23) преобразуем к виду б = св (1 )( св )vк, (5.25) к где vк – отношение объёма каркаса к объёму изделия;

– истинная плотность каркаса.

к Таблица 5. Результаты расчётов средней плотности металлобетонов вариатропно-каркасной структуры Толщина защитно- Пустотность, % декоративного слоя, мм 40,0 42,0 44,0 46,0 48,0 50,0 52,0 54, 1 2 3 4 5 6 7 8 к = 2200 кг/м 1 6179 6351 6523 6695 6867 7039 7211 2 6488 6650 6812 6973 7135 7297 7458 1 2 3 4 5 6 7 8 3 6785 6937 7089 7241 7392 7544 7696 4 7070 7212 7351 7497 7639 7781 7924 5 7342 7475 7609 7742 7875 8008 8142 6 7603 7727 7852 7977 8101 8226 8350 10 8532 8626 8719 8813 8907 9000 9094 к = 2300 кг/м 1 6235 6405 6575 6745 6916 7086 7256 2 6541 6701 6861 7021 7181 7341 7501 3 6835 6985 7135 7285 7436 7586 7736 4 7116 7257 7398 7539 7680 7820 7961 5 7386 7518 7650 7781 7913 8045 8177 6 7644 7767 7890 7913 8137 8260 8383 10 8563 8655 8748 8841 8933 9026 9118 к = 2400 кг/м 1 6191 6460 6628 6796 6965 7133 7301 2 6594 6752 6911 7069 7227 7385 7543 3 6885 7033 7182 7330 7479 7627 7776 4 7163 7302 7442 7581 7720 7859 7998 5 7430 7560 7690 7821 7951 8081 8212 6 7685 7806 7928 8050 8172 8294 8416 10 8594 8685 8777 8868 8960 9051 9143 к = 2500 кг/м 1 6348 6514 6681 6847 7014 7180 7346 2 6647 6804 6960 7117 7273 7429 7586 3 6935 7081 7228 7375 7522 7669 7816 4 7210 7348 7485 7623 7761 7898 8036 5 7473 7602 7731 7860 7989 8118 8247 Продолжение табл. 5. 6 7725 7846 7966 8087 8207 8328 8448 10 8624 8715 8805 8896 8986 9077 9167 к = 2600 кг/м 1 6404 6569 6733 6898 7062 7227 7392 2 6700 6855 7010 7164 7319 7474 7628 3 6984 7130 7275 7420 7565 7710 7856 4 7257 7393 7529 7665 7801 7937 8073 5 7517 7645 7772 7899 8027 8154 8282 6 7766 7885 8005 8124 8243 8362 8481 10 8655 8745 8834 8929 9013 9103 9192 Экспериментальные значения средней плотности разработанных металлобетонов и статистические показатели приведены в табл. 5.12.

Таблица 5. Экспериментальные значения средней плотности и статистические показатели Средняя Среднеквадратическое Коэффициент № состава плотность, кг/м3 отклонение, кг/м3 вариации, % 1 6400 125,8 1, 2 8250 180,3 2, Примечание. Состав №1 – металлобетон на каркасе, склеенный цементной композицией, толщина защитно-декоративного слоя свинца 2 мм;

состав №2 – металлобетон на каркасе, склеенный модифицированной жидкостекольной клеевой композицией, толщина защитно-декоративного слоя свинца 4 мм.


Как видно из табл. 5.12, применение каркасной технологии значительно повышает качество продукции. Создание защитно-декоративного слоя на поверхности изделия повышает его декоративные характеристики и долговечность в условиях воздействия агрессивных факторов.

Сопоставление расчётных значений средней плотности с экспериментальными данными позволяет утверждать о полном заполнении пор и пустот пропиточной композицией и о минимальной общей пористости предлагаемых бетонов.

Прочностные и деформативные свойства 5. Радиационно-защитные бетоны являются функциональными материалами, для которых основным свойством является средняя плотность, определяющая защитные функции материала.

Поэтому к прочности таких материалов предъявляются невысокие требования: по данным РФЯЦ ВНИИТФ им. Е.И. Забабахина, радиационно-защитный бетон должен иметь прочность при сжатии – 2…2,5 МПа.

Прочностные свойства разрабатываемого металлобетона вариатропно-каркасной структуры (табл. 5.13) зависят от свойств и количества структурных составляющих: прочности металла (свинца) и прочности крупнопористого каркаса.

Таблица 5. Прочностные свойства металлобетонов вариатропно-каркасной структуры № Среднее значение, Среднеквадратическое Коэффициент состава МПа отклонение, МПа вариации, % 1 13,1 0,40 3, 2 16,26 0,55 3, П р и м е ч а н и е. Составы приведены в табл. 5.12.

Диаграммы разрушения металлобетона и его структурных составляющих – свинца и крупнопористого каркаса – приведены на рис. 5.6 и 5.7, а силовые и энергетические параметры процесса разрушения – в табл. 5.14 и 5.15.

I е отн 1, е max 0, 0, I 0, 0, 0, 0, 0,30 I 0, I 0,10 I 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1, f отн – Свинец;

– Крупнопористый каркас;

– Каркасный металлобетон Рисунок 5.6. Диаграммы «нормированная нагрузка – нормированная деформация» каркасного металлобетона на цементной клеевой композиции (состав №1) и его структурных элементов е отн I 1, е max I 0, 0, 0, I 0, 0, 0, 0, I 0,20 I 0, 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 f отн – Свинец;

– Крупнопористый каркас;

– Каркасный металлобетон Рисунок 5.7. Диаграммы «нормированная нагрузка – нормированная деформация» каркасного металлобетона на модифицированной жидкостекольной клеевой композиции (состав №2) и его структурных элементов Таблица 5. Результаты экспериментальных исследований Значения коэффициентов уравнения отн = f ( f отн ) Материал Еотн I1 I max с3 с2 с1 со Пропиточная композиция 1,932 -1,384 0,433 -0,0110 0,50 – 0, (свинец) Крупнопористый каркас на цементной клеевой 0,486 -0,305 0,853 -0,0004 0,09 0,77 0, композиции Крупнопористый каркас на жидкостекольной клеевой 2,273 -4,377 3,098 0,0282 0,26 0,80 0, композиции Каркасный металлобетон -2,785 2,968 0,594 0,0360 0,18 0,72 0, (состав №1) Каркасный металлобетон -2,427 2,367 0,861 0,0202 0,13 0,83 0, (состав №2) Анализ рис. 5.6, 5.7 и табл. 5.14 показывает, что диаграммы деформирования радиационно защитного металлобетона вариатропно-каркасной структуры представляют собой некоторую суперпозицию диаграмм деформирования его структурных составляющих: пропиточной композиции – свинца и крупнопористого каркаса.

Границы I1 и I2 (I1 – нижняя граница, соответствует зарождению и развитию микротрещин, I – верхняя граница, соответствует образованию макротрещин и зарождению магистральной трещины [133]), выделенные на диаграммах «относительная деформация относительная нагрузка» (см. рис. 5.6 и 5.7), разделяют диаграмму деформирования на участки «0 – I1», «I1 – I2» и «I2 – 1», площади под которыми являются энергетическими характеристиками процесса разрушения (табл. 5.15).

Таблица 5. Результаты обработки экспериментальных данных Интервалы Материал «0 – I1» «I1–I2» «I2 – 1»

0,016 0, Пропиточная композиция (свинец) 7,21 92, Крупнопористый каркас на цементной 0,003 0,246 0, клеевой композиции 0,67 55,16 44, Крупнопористый каркас на жидкостекольной клеевой 0,089 0,411 0, композиции 12,95 59,83 27, 0,021 0,389 0, Каркасный металлобетон (состав №1) 3,36 62,24 34, 0,011 0,465 0, Каркасный металлобетон (состав №2) 1,74 74,58 24, П р и м е ч а н и е. В числителе даётся абсолютное значение энергии разрушения, в знаменателе - относительное значение в %, вычисленное по формуле 100 Ei E отн.

В начальный период нагружения (участок «0–I1») происходит деформирование материала без значительного разрушения его структуры. Разрушаются только перенапряжённые связи, общее количество которых можно оценить по величине внутренних напряжений. Как видно из табл. 5.15, крупнопористый каркас на цементном клее по сравнению с каркасом на жидкостекольной композиции имеет значительно меньший уровень напряжений, что объясняется формированием структуры цементного камня в нормальных условиях. Жидкостекольная композиция, модифицированная ОПОС и получаемая путём высокотемпературной обработки, закономерно имеет высокие внутренние напряжения. Однако для металлобетонов наблюдается обратная картина. Указанное достаточно хорошо объясняется следующим образом. При нагреве цементного камня наблюдается его деструкция, приводящая к снижению прочности каркаса вследствие ослабления межзерновых контактов, что повышает дефектность структуры бетона и увеличивает величину внутренних напряжений. Нагрев каркасов на основе модифицированной жидкостекольной композиции способствует термическому отжигу, приводящему к снижению внутреннего напряжённого состояния как в каркасе, так и в металлобетоне.

На участке «I1–I2» происходит интенсивное поглощение материалом внешней энергии вследствие зарождения и развития микротрещин (в том числе их ветвления на дефектах).

Сопоставление этих данных показывает, что на участке «I1–I2» нагрузку в основном воспринимает каркас металлобетона. Однако из рис. 5.6 следует, что металлобетон состава №1 деформируется значительно больше по сравнению с его структурными составляющими. Это указывает на разрушение межзерновых контактов в каркасе, интенсивное деформирование свинца в каналах каркаса и в защитно-декоративном слое. В данном случае защитно-декоративный свинцовый слой «работает» как защитная оболочка (кожух). Из рис. 5.7 следует, что деформативные свойства металлобетона состава №2 до относительной нагрузки 0,5…0,55 определяются деформацией каркаса. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к постепенному разрушению каркаса, и диаграмма его деформирования становится идентичной диаграмме деформирования металлобетона состава №1.

На участке «I2 – 1» (объединения микротрещин в макротрещины и зарождение магистральной трещины) интенсивно разрушается защитно-декоративный слой, сдерживающий разрушение материала. Для металлобетона состава №1 по сравнению с составом №2 величина относительной энергии разрушения значительно выше, что свидетельствует о более весомом влиянии защитно-декоративного слоя на прочностные и деформативные свойства металлобетонов на малопрочных каркасах.

Теплофизические свойства 5. Основными факторами, влияющими на теплопроводность бетона каркасной структуры, являются теплопроводность и содержание пропиточной композиции и минерального каркаса. Для расчёта коэффициента теплопроводности каркасных металлобетонов воспользуемся формулой К.

Лихтенеккер По указанной зависимости произведём расчёт коэффициента [148…151].

теплопроводности каркасного металлобетона для защиты от радиации. Для этого преобразуем формулу К. Лихтенеккер к виду:

lg б = (1 ) lg к + lg см, (5.26) где – пустотность каркаса;

см, к – коэффициент теплопроводности соответственно свинцовой матрицы и минерального каркаса.

Исходные данные для расчёта теплофизических свойств и его результаты приведены в табл.

5.16.

Таблица 5. Исходные данные и результаты расчёта б радиационно-защитного металлобетона вариатропно-каркасной структуры Теплопроводност Теплопроводность ь пропиточной Теплопроводность Теплоёмкость, № Пустотн композиции, состава ость, % каркаса, Вт/(мК) бетона, Вт/(мК) Дж/(кгК) Вт/(мК) 1 1,15 65 10,51 2 1,31 48 6,31 П р и м е ч а н и е. Пустотность приведена с учётом защитно-декоративного слоя.

Сопоставление значений аналогичных показателей традиционных защитных бетонов позволяет констатировать, что разработанный материал по теплофизическим свойствам сопоставимым с лучшими отечественными и зарубежными аналогами (см. раздел 1).

Химическая стойкость 5. Долговечность радиационно-защитных металлобетонов вариатропно-каркасной структуры во многом зависит от их способности сопротивляться деструктивному воздействию агрессивных факторов. Взаимодействие композитов с агрессивными средами является сложным и многоступенчатым процессом, который протекает в несколько последовательных этапов. При этом в композите происходят необратимые изменения, которые сопровождаются разрывом физических и химических связей, что и приводит к снижению показателей эксплуатационных свойств. Интенсивность химической деструкции материала зависит от соотношения скоростей процессов диффузии и химической реакции, которые, в свою очередь, определяются структурой материала, смачиваемостью поверхности материала агрессивной средой, концентрациями химически активных веществ и некоторыми другими рецептурно-технологическими факторами [151…154].

Технология производства радиационно-защитного металлобетона вариатропно-каркасной структуры предусматривает создание на поверхности изделий защитно-декоративного плотного слоя свинца, который предназначен для защиты каркаса из каменного заполнителя (в частности ферроборового шлака) от воздействия агрессивных сред. Поэтому целесообразно предположить, что химические взаимодействия в начальный период эксплуатации (продолжительность зависит от толщины слоя) будут протекать только между свинцом (пропиточной композицией) и жидкими агрессивными средами.

В качестве агрессивных сред были выбраны 20 %-е растворы соляной, серной, азотной, плавиковой и фосфорной кислот.

Оценку возможности протекания химической реакции между свинцом и выбранными агрессивными средами проводили с применением методов химической термодинамики (табл. 5.17).


Таблица 5. Результаты расчётов энергии Гиббса процессов взаимодействия пропиточной композиции с агрессивной средой [155…157] Пропиточная Результат Н S G композиция взаимодействия При взаимодействии с H2SO Взаимодействует Pb -164,08 156,6 -210, Взаимодействует PbO -174,48 -7,06 -172, При взаимодействии с HCl Взаимодействует Pb -25,3 89,1 -51, Взаимодействует PbO -93,28 25,96 -101, При взаимодействии с HF Не взаимодействует Pb -4,11 -29,64 4, Взаимодействует PbO -72,09 -92,78 -50, При взаимодействии с H3PO Взаимодействует Pb -48,92 148,44 -93, Взаимодействует PbO -252,86 -40,98 -240, П р и м е ч а н и е. Учтено, что на поверхности изделий может образоваться тонкий слой PbO.

Анализ табл. 5.17 показывает, что свинец вступает во взаимодействие с H3PO4, HCl, H2SO4, а в HF относительно устойчив.

Как известно [158], защитные свойства оксидного слоя характеризует коэффициент Vo/Vм, равный отношению удельных объёмов МеО и Ме. При Vo/Vм=1…2,5 оксидный слой является плотным;

при Vo/Vм1 образуются рыхлые плёнки, не закрывающие доступ кислорода к металлу, а при Vo/Vм2,5 оксидная плёнка растрескивается и осыпается под действием напряжений из-за большой разницы удельных объёмов оксида и металла.

На наш взгляд, такую методику оценки целесообразно использовать и для оценки стойкости металлобетонов в агрессивных средах. Результаты расчётов приведены в табл. 5.18.

Таблица 5. Результаты оценки химической стойкости радиационно-защитных металлобетонов вариатропно-каркасной структуры по методу абсолютных объёмов Соотношение Химическое Молярная Vпр Плотность, кг/м3 Примечание соединение масса, г/моль VPbO PbO 223,19 9530 1,0 – Стоек PbSO4 303,25 6200 2, Стоек PbCl2 278,1 5850 2, Разрушается Pb(NO3)2 331,2 4530 3, Стоек PbF2 245,19 8240 1, Разрушается Pb3(PO4)2 811,51 7100 4, Из табл. 5.18 видно, что радиационно-защитные металлобетоны вариатропно-каркасной структуры с защитно-декоративным свинцовым слоем стойки к воздействию серной, плавиковой и соляной кислот. Их стойкость обусловлена образованием непроницаемой, плотной защитной плёнки на поверхности композита в начальный период эксплуатации в агрессивной среде.

Экспериментальное исследование химической стойкости радиационно-защитных металлобетонов вариатропно-каркасной структуры проводили по методике ГОСТ 10134.0 82…10134.3-82, в соответствии с которой стойкость композитов оценивается по изменению массы образцов после экспозиции в течение определённого времени в растворах кислот 20 %-ой концентрации. Выбор указанной методики объясняется отсутствием у свинца капиллярной пористости, по которой осуществляется перемещение агрессивной среды в структуру материала.

Коэффициент стойкости металлобетонов вариатропно-каркасной структуры равен:

mo m k ст =, (5.27) mo где mo – начальная масса композита;

m – масса после экспозиции в агрессивной среде.

Результаты экспериментальных данных приведены в табл. 5.19 и на рис. 5.8...5.11.

Таблица 5. Коэффициент стойкости радиационно-защитных металлобетонов вариатропно-каркасной структуры Время экспозиции, сут Агрессивная среда 0 30 60 90 180 0,83 0, 0, Азотная кислота 0, 0,83 0,54 0, 0,97 0,95 0, 0,90 0, Серная кислота 0,90 0, 0,97 0,95 0, 0,78 0,50 0,41 0, Соляная кислота 0,79 0,59 0,56 0,54 0, 0,96 0,90 0,87 0,86 0, Фосфорная кислота 0,97 0,92 0,88 0,86 0, Плавиковая кислота не изменяется П р и м е ч а н и е. В числителе приведены коэффициенты стойкости для металлобетонов на цементном каркасе (состав №1, толщина защитно-декоративного слоя 2 мм), в знаменателе – для каркасов на модифицированной жидкостекольной композиции (состав №2, толщина защитно декоративного слоя 4 мм).

Математическую обработку экспериментальных данных, характеризующих кинетику изменения коэффициента стойкости каркасных металлобетонов в различных средах k ст, проводили с применением функции:

( ), ct k ст = а b e (5.28) где t – время экспозиции;

a,b,c – эмпирические коэффициенты, значения которых приведены в табл. 5.20.

Таблица 5. Значения эмпирических коэффициентов Среда а b c 1 2 3 1,065 0,0 0, Азотная кислота 0,620 0,633 0, 0,051 18,71 0, Серная кислота 0,055 17,10 0, 0,699 0,458 0, Соляная кислота 0,492 1,055 0, 0,153 5,560 0, Фосфорная кислота 0,154 5,572 0, П р и м е ч а н и е. В числителе приведены коэффициенты стойкости для металлобетонов на цементном каркасе (состав №1, толщина защитно-декоративного слоя 2 мм), в знаменателе – для каркасов на модифицированной жидкостекольной композиции (состав №2, толщина защитно декоративного слоя 4 мм).

Коэффициент стойкости 0, 0, 0, 0, 0 50 100 150 Время, сут – состав №1;

– состав № Рисунок 5.8 – Зависимость коэффициента стойкости радиационно-защитных металлобетонов вариатропно-каркасной структуры в 20 %-ном растворе азотной кислоты от продолжительности экспозиции 1, Коэффициент стойкости 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 60 120 180 240 300 Время, сут – состав №1;

– состав № Рисунок 5.9 – Зависимость коэффициента стойкости радиационно-защитных металлобетонов вариатропно-каркасной структуры в 20 %-ом растворе серной кислоты от продолжительности экспозиции Коэффициент стойкости 0, 0, 0, 0, 0 100 200 300 Время, сут – состав № – состав №1;

Рисунок 5.10 – Зависимость коэффициента стойкости радиационно-защитных металлобетонов вариатропно-каркасной структуры в 20 %-ом растворе соляной кислоты от продолжительности экспозиции Коэффициент стойкости 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 100 200 300 Время, сут – состав №1;

– состав № Рисунок 5.11 – Зависимость коэффициента стойкости радиационно-защитных металлобетонов вариатропно-каркасной структуры в 20 %-ом растворе фосфорной кислоты от продолжительности экспозиции Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что химическая стойкость металлобетонов зависит только от толщины защитно-декоративного свинцового слоя. Увеличение толщины защитного слоя свинца приводит к пропорциональному повышению коэффициента стойкости. Кроме того, стойкость свинцовых металлобетонов зависит от скорости корродирования свинца в агрессивных средах. Так, например, по данным приведенным в работе [159], в азотной кислоте она составляет 3,07 мм/год, что согласуется с результатами полученными в ходе экспериментальных исследований (см. рис. 5.8). Защитно-декоративный слой образцов, помещённых в 20 %-ый раствор азотной кислоты, после 180 суток экспозиции на цементной клеевой композиции разрушился полностью, а образцы на основе жидкостекольной клеевой композиции имели коэффициент стойкости менее 0,47. Через 360 суток наблюдалось полное разрушение слоя свинца у образцов металлобетона состава №2.

Таким образом, анализ экспериментальных данных показывает, что радиационно-защитные металлобетоны вариатропно-каркасной структуры на основе свинца, имеющие защитно 0, декоративный слой, стойки в следующих кислотах: плавиковой k ст =1*, серной k ст =, 0, * Коэффициент стойкости после 360 суток экспозиции в агрессивной среде.

** 0,86 0, фосфорной k ст = ;

менее стойки в соляной кислоте k ст = (для повышения стойкости 0,86 0, можно предварительно обработать поверхность изделий раствором плавиковой кислоты [160]).

Свинцовые металлобетоны для защиты от радиации не стойки в азотной кислоте.

Сопротивление удару 5. В процессе эксплуатации защитное покрытие может испытывать не только воздействие агрессивной среды, но и различные механические воздействия, в том числе и ударные нагрузки, которые могут привести к нарушению целостности покрытия. Поэтому было исследовано сопротивление предлагаемых бетонов ударным нагрузкам (табл. 5.21).

Таблица 5. Результаты экспериментальных исследований Ударная прочность, Среднеквадратическое Коэффициент № состава Дж/см3 отклонение, Дж/см3 вариации, % 1 6,26 0,42 6, 2 16,66 0,70 4, Анализ табл. показывает, что прочность при ударе радиационно-защитных 5. металлобетонов вариатропно-каркасной структуры зависит от прочности каркаса и толщины защитно-декоративного слоя. Так, сопротивление ударным нагрузкам металлобетона, каркас которого изготовлен на основе модифицированной жидкостекольной клеевой композиции с защитно-декоративным слоем свинца толщиной 4 мм, составляет 16,66 Дж/см3, что более чем в раза больше, чем сопротивление ударным нагрузкам металлобетона, каркас которого изготовлен на цементной клеевой композиции с толщиной защитно-декоративного слоя 2 мм.

Термическая прочность 5. Термическая прочность радиационно-защитных металлобетонов вариатропно-каркасной структуры определяется температурой плавления металла и химическим составом клея каркаса.

В качестве клеевых композиций использовали цементные и модифицированные жидкостекольные клеевые композиции. Как известно, термообработка цементного камня сопровождается одновременной дегидратацией новообразований и уменьшением их массы, особенно при температурах выше 250…300 оС [161]. Многочисленные исследования показали, что ** Коэффициент стойкости после 180 суток экспозиции в агрессивной среде.

о при нагревании выше 300 С прочность цементного камня уменьшается на 10…15 % (в зависимости от продолжительности теплового воздействия). Поэтому бетоны на обычных цементах не рекомендуется применять при температурах выше 250…300 оС. При использовании модифицированной жидкостекольной клеевой композиции учитываются теплофизические свойства применяемого модификатора ОПОС, имеющего температуру размягчения выше 350 оС [162, 163]. Таким образом, испытания на термическую прочность радиационно-защитных металлобетонов вариатропно-каркасной структуры на основе свинца целесообразно проводить при температурах 250 и 300 оС. Выбор первой температуры обусловлен снижением прочности цементного камня при температуре 250 оС, а второй – температурой размягчения и плавления свинца. Результаты проведённых испытаний приведены в табл. 5.22.

Таблица 5. Экспериментальные значения термической прочности вариатропно-каркасных металлобетонов для защиты от радиации Температура, оС Предел прочности при сжатии, МПа Продолжительность выдержки, ч 1 2 Состав № 250 13,0±0,5 12,5±0,5 13,1±0, 300 13,3±0,5 13,1±0,5 12,8±0, Состав № 250 16,2±0,5 15,0±0,5 16,3±0, 300 15,9±0,5 16,5±0,5 16,0±0, Анализ табл. 5.22 показывает, что разница в показателях прочности при нагреве и без него не превышает 5 %, что соответствует коэффициенту вариации прочности каркасных металлобетонов.

Кроме того, из представленных данных видно, что крупнопористый каркас из ферроборового шлака обеспечивает высокие значения прочности свинцовых металлобетонов, что позволяет применять их в условиях повышенных температур (до 300 оС).

Радиационно-защитные свойства 5. Как известно, радиационно-защитные свойства материала оцениваются по его способности ослаблять, поглощать или рассеивать ионизирующее излучение. Наибольшую проникающую способность имеют гамма-лучи и нейтроны;

поэтому защитные строительные материалы должны обеспечивать в первую очередь ослабление гамма-излучения, замедление и поглощение нейтронов [164]. Эффективность защиты от гамма-лучей возрастает пропорционально увеличению атомного номера поглотителя и его плотности. Защита от нейтронного потока требует определённого сочетания различных химических элементов, обеспечивающих замедление и захват нейтронов.

Для эффективной защиты от радиоактивных излучений в материале должны сочетаться лёгкие, средние и тяжёлые элементы.

Для изготовления радиационно-защитных металлобетонов вариатропно-каркасной структуры в качестве заполнителя был использован ферроборовый шлак (данный отход содержит элементы разной атомной массы и отличается достаточно высокой средней плотностью), а в качестве пропиточного металла – свинец, который, как известно, является неупругим рассеивателем нейтронов и одновременно эффективным поглотителем гамма-излучения.

Химический состав основных исходных материалов, используемых для изготовления каркасных металлобетонов, приведён в табл. 5.23, где состав №2 изготовлен на основе модифицированной жидкостекольной клеевой композиции, а состав №1 – с применением цементной клеевой композиции.

Таблица 5. Химический состав радиационно-защитных металлобетонов вариатропно-каркасной структуры Содержание химических элементов, мас.% Ca Fe Al Si Na H O B As Mg Pb K F Состав № 2,70 0,31 4,88 0,47 – 0,07 7,69 0,19 – 0,98 82,72 – – Состав № 5,85·10-4 1,16·10- 0,86 0,14 3,26 0,17 0,03 0,01 4,28 0,13 0,67 90,46 0, В табл. 5.24 представлены данные по защитным свойствам предлагаемых составов и широко используемых в технологии получения радиационно-защитных бетонов горных пород и материалов. Расчёты проводили по химическому составу материалов, приведённому в работе [1].

Анализ расчётных данных, представленных в табл. 5.24, позволяет сделать вывод о том, что составы радиационно-защитных металлобетонов вариатропно-каркасной структуры №1 и благодаря высокому содержанию свинца являются эффективными защитными материалами от гамма-излучения. Кроме того, было рассчитано макроскопическое сечение выведения нейтронов спектра деления каркасного металлобетона. Расчёт сечения выведения проводили по формуле [165]:

n выв = выв i, i (5.30) i = i где выв – микроскопическое сечение выведения i-го химического элемента;

i – ядерная плотность i-го химического элемента.

Таблица 5. Линейный коэффициент ослабления гамма-излучения некоторых материалов Коэффициент линейного ослабления (см-1) при энергии гамма Средняя плотность, излучения, МэВ Материал кг/м3 0,662 3,0 5,0 10, 1 2 3 4 5 Металлобетон 6300 0,702 0,270 0,265 0, (состав №1) Металлобетон 8250 0,890 0,336 0,336 0, (состав №2) Барит 4500 0,338 0,160 0,131 0, Лимонит 3120 0,233 0,113 0,093 0, Гематит 3980 0,295 0,143 0,120 0, Скрап металлургиче 4700 0,348 0,169 0,143 0, ский Сталь 7800 0,565 0,281 0,246 0, Магнетит* 5180 0,382 0,186 0,157 0, П р и м е ч а н и е. * – расчёт производили по химическому составу материала, приведённому в работе [3].

Значения выв элементов приведены в специализированных справочниках [35, 165].

Расчёт ядерной плотности (число атомов в 1 см3) производят по формуле:

N А Ki i =, (5.31) Ai где NА – постоянная Авогадро, равная 6,0231023 моль-1;

Ki и Ai – соответственно, содержание (г/см3) и атомная масса i-го элемента, входящего в состав металлобетона.

Как показали расчёты, для состава №1 макроскопическое сечение выведения нейтронов спектра деления составляет 1,93·10-2 см-1, для состава №2 – 1,98·10-2 см-1.

Основные радиационно-защитные свойства металлобетонов вариатропно-каркасной структуры на основе свинца приведены в табл. 5.25.

Таблица 5. Радиационно-защитные характеристики металлобетонов вариатропно-каркасной структуры Средняя Линейный Коэффициент Толщина слоя № плотность, коэффициент выведения быстрых половинного состава кг/м3 ослабления, см-1 нейтронов, см-1 ослабления, см 1,93·10- 1 6300 0,458 1, - 2 8250 0,570 1,98·10 1, П р и м е ч а н и е. Радиационно-защитные свойства определялись при энергии излучения 1 МэВ.

Таким образом, данные табл. 5.24 и 5.25 позволяют сделать вывод о высокой эффективности разработанных радиационно-защитных металлобетонов вариатропно-каркасной структуры на основе свинца и рациональном сочетании химических элементов обеспечивающих его защитные свойства по отношению к смешанному гамма-нейтронному излучению.

Заключение В настоящее время приобрело чрезвычайную актуальность решение задач по обеспечению экологической безопасности сооружений подземного захоронения и консервации радиоактивных отходов;

локализации радиоактивного загрязнения при радиационных авариях;

связыванию потенциально опасных отходов и футеровке ограждающих конструкций. Решение этих задач требует создания эффективных строительных материалов специального назначения с заданными свойствами.

Очевидно, что рациональным направлением создания таких материалов является разработка строительных композитов, получаемых совмещением в конгломерат разнородных компонентов, определяющих его функциональные свойства.

Выбор компонентов для композитов специального назначения осуществляется по результатам анализа взаимодействия агрессивной среды с веществом материала;

оценка может проводиться по величине коэффициента ослабления потока ионизирующего излучения или по знаку и величине термодинамического показателя химического процесса, например, энергии Гиббса. При этом эти показатели (коэффициент ослабления и энергия Гиббса) являются начальным этапом выбора компонентов, так как долговечность композита зависит также от структурных показателей.

Поэтому необходимо проводить изучение кинетических параметров процесса (скорости подвода агрессивной среды и миграции продуктов реакции или скорости изменения внутренних напряжений и др.).

Совмещение расплава металла с минеральными заполнителями приводит в процессе изготовления материала к расслаиванию бетонной смеси, что закономерно снижает качество изготавливаемых конструкций и изделий. Для решения этой проблемы предложено предварительно создать каркас, состоящий из склеенных между собой зёрен заполнителя (каркасная технология). При этом решается ещё одна важная задача радиационно-защитных бетонов – однородное распределение по объёму материала крупного заполнителя. Проведённые исследования показали, что для склеивания минерального заполнителя – ферроборового шлака – целесообразно использовать модифицированную жидкостекольную клеевую композицию.

В каркасной технологии изделие изготавливается путём пропитки каркаса пропиточным металлом. Качество изделия зависит от степени заполнения пустот каркаса свинцом. При этом возникают следующие задачи:

– оптимальный выбор, исходя из требований к защитным характеристикам композита, компонентов пропиточного металла и минерального заполнителя;

– определение рецептуры и расхода клеевой композиции, позволяющей формировать каркасы, обладающие высокими показателями физико-механических свойств (пропиточной способностью, механической прочностью и др.);

– установление геометрических размеров зёрен заполнителя для получения каркаса с высокими показателями физико-механических свойств и с фильтратационной способностью.

На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны эффективные радиационно-защитные металлобетоны вариатропно-каркасной структуры, обладающие высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами: линейный коэффициент ослабления гамма-излучения – 0,265…0,890 см-1, коэффициент выведения нейтронов – (1,93…1,98)·10–2 см–1, средняя плотность – 6300...8250 кг/м3, предел прочности при сжатии – 13,1…16,3 МПа, ударная прочность 6,26…16,66 Дж/см3, максимальная рабочая температура 250…300оС, коэффициент химической стойкости в растворах кислот (H2SO4, HCl, HNO3, HF, H3PO4) 0,37…1,0.

Предлагаемые радиационно-защитные металлобетоны целесообразно использовать для изготовления защитных конструкций бункеров и хранилищ радиоактивных отходов, а также для изготовления строительных изделий, эксплуатирующихся в условиях гамма- и смешанного гамма нейтронного излучения.

Список использованных источников 1 Бродер, Д.М. Бетон в защите ядерных установок [Текст]: монография / Д.М. Бродер, Л.Н.

Зайцев, М.М. Колмочков. – М.: Атомиздат, 1966. – 240 с.

2 Горшков, Г.В. Проникающие излучения радиоактивных источников [Текст]: монография / Г.В. Горшков. – Л.: Наука, 1967. – 395 с.

3 Защита от радиоактивных излучений [Текст] /Под ред. А.В. Николаева. – М.:

Металлургиздат, 1961. – 420 с.

4 Дубровский, В.Б. Строительные материалы и конструкции защиты от ионизирующих излучений [Текст]: монография / В.Б. Дубровский, З. Аблевич. – М.: Стройиздат, 1983. – 240 с.

5 Дубровский, В.Б. Радиационная стойкость строительных материалов [Текст]: монография / В.Б. Дубровский, – М.: Стройиздат, 1977. – 240 с.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 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.