При синтезе серных радиационно-защитных композиционных материалов использовались:

-          техническая сера (связующее),

-          барит, ферроборовый шлак и оксид свинца (наполнители),

-          свинцовая дробь (заполнители),

-          парафин, стеариновая кислота, керосин технический, канифоль, нафталин, скипидар, лак (модифицирующие добавки),

-          сажа, углеродная нить, асбестное волокно (дисперсно-упрочняющие добавки).

Химическая стойкость разработанных материалов определялась в модельной агрессивной среде:

— раствор соляной кислоты (моделирование кислой среды),

— 5 % раствор сульфата магния (моделирование сред, содержащих SO_4–², и сред с высокой жесткостью),

— 5 % раствор хлорида натрия (моделирование сред, содержащих CI^-1),

— питьевая вода (pH = 6...7; моделирование атмосферных и подземных нейтральных вод).

Рецептурно-технологические параметры (с последующей их оптимизацией) выбирались с учетом:

-          удельной поверхности наполнителей (при определении использовался ПСХ-4),

-          насыпной плотности наполнителей и заполнителей (по ГОСТ 8269.0-97),

-          предельного напряжения сдвига серных мастик (по величине расплыва; использовался цилиндрический вискозиметр); расчетное значение определялось по формуле:

,

где t - предельное напряжение сдвига, Па; h и d - высота и диаметр вискозиметра, м; g_с - плотность серной мастики, кг/м³; g - ускорение свободного падения; D - диаметр расплыва серной мастики, м; k - коэффициент, учитывающий перераспределение напряжений в вязкопластических телах, равный 2;

-          средней плотности (по ГОСТ 12730.1-78 и ГОСТ 10181.1-81),

-          предела прочности при сжатии и при изгибе (определяли по образцам-кубам 20´20´20, 30´30´30 мм и образцам-балочкам 20´20´80 мм на разрывной машине ИР 50-51 и универсальной машине П–50; расчетный предел прочности при изгибе определялся по максимальной разрушающей нагрузке с использованием соотношения:

,

где  - разрушающая нагрузка;  и  - характеристики сечения образца;  - расстояние между опорами; предел прочности при сжатии — по формуле:

,

где А - площадь поперечного сечения образца);

-          общей пористости;

-          химической стойкости (оценивалась по изменению предела прочности образцов при сжатии после определенного времени экспозиции в агрессивной среде; расчетный коэффициент стойкости находился по формуле:

,

где  - начальная прочность материала, МПа;  - прочность материала после экспозиции в агрессивной среде в течение времени t, МПа);

-          морозостойкости (по ГОСТ 10060.0-95 на образцах 30´30´30 мм);

-          структуры (рентгеновский метод; дифрактометр «D 500 SIEMENS» в интервале брегговских углов q от 5 до 30^о);

-          линейному коэффициенту ослабления гамма–излучения (облучение образцов серного материала гамма — квантами; радиоактивный источник — ¹³⁷Cs; энергия гамма — квантов –0,662 МэВ);

-          радиационной стойкости (сопоставление физико-механических свойств до и после гамма — облучения образцов).

Проблемы многокритериальности решались с использованием предложенных в [1…4] методик. При обработке экспериментальных данных отбрасывались (критерий Шовене) значения, значительно отличающиеся от среднего .

Аппроксимация экспериментальных данных осуществлялась по методу наименьших квадратов:  (- вектор-столбец коэффициентов уравнения регрессии;  - матрица значений факторов;  - транспонированная матрица значений факторов; -ковариационная матрица (матрица ошибок); - вектор-столбец откликов).

Подбор составов многокомпонентных систем, разработка технологии изготовления, оптимизация составов, исходя из физико-механических и эксплутационных свойств [5…8], осуществлялись с использованием симплекс - решетчатого плана Шеффе (неполного третьего порядка); уравнение регрессии имеет вид: .

Методом рентгенофазового анализа было установлено, что между серой и наполнителями протекают твердофазные реакции химического взаимодействия с образованием продуктов реакций сложного химического состава: при взаимодействии барита и ферроборового шлака с серой образуются полисульфидные соединения, а при взаимодействии с оксидом свинца — водорастворимые сульфиды свинца. Оказалось, что реологические свойства серных мастик определяются интенсивностью взаимодействия на границе раздела фаз «сера — наполнитель»; оценивались по величине предельного напряжения сдвига (определяли при температуре 150...160°С методом гравитационного расплыва; рис.1 и 2).

Рис.1. Зависимость предельного напряжения сдвига серных мастик на различных наполнителях от степени наполнения

Рис. 2. Зависимость предельного напряжения сдвига от соотношения h/d_f (d_f - диаметр частицы наполнителя, h -толщина прослойки связующего)

Определялось влияние составов комплексных модификаторов на подвижность серных мастик на ферроборовом шлаке (симплекс — решетчатый план Шеффе); полученная модель имеет вид:

t= 176,67×х₁ + 210,0×х₂ + 312,33×х_3–280,4×х₁х_2–248,13×х₁х_3–551,73×х₂х₃,

где x₁, x₂, x₃ — содержание керосина, асбестового волокна и парафина (рис.3).

Рис. 3. Влияние состава комплексного модификатора на подвижность мастик на ферроборовом шлаке (базовые составы: А — мастика на ферроборовом шлаке (nf =0,55), модифицированная 0,5 % керосина; В -то же 1 % асбестового волокна; С- то же 0,5 % парафина)

Составы комплексных модификаторов, введение которых позволяет получить высокоподвижные радиационно-защитные серные мастики, представлены в табл. 1.

Таблица 1

Составы комплексных модификаторов

Состав	Наполнитель	Концентрация компонентов, % от массы серы
		Парафин	Асбестовое волокно	Керосин	Сажа
№ 1	Барит	0,2	—	0,5	1,0
№ 2		0,5	—	0,8	1,0
№ 3	Ферроборовый шлак	0,12	0,46	0,15	—

Введение модифицирующих добавок в мастики на оксиде свинца способствует снижению их подвижности (табл.2).

Таблица 2

Пластифицирующий эффект, %

Наполнитель	nf	Концентрация добавки, % от массы серы
		0,5		1		2			4			8
Асбестовое волокно
Барит	nf= 0,4	-6,25	-12,13		-38,78		-172,06			-655,88
Ферроборовый шлак	nf= 0,55	-19,47	-31,42		-87,57		-155,37			-267,74
Сажа
Барит	nf= 0,4	47,44		56,30	64,53		73,19			67,51
Углеродная нить
m, %		Длина волокна, мм
		5		10		15			20
Барит	nf= 0,4	1		-114,28		-163,57		-181,43			-200,0
		2		-205,0		-298,57		-354,28			-442,85
Ферроборовый шлак	nf= 0,55	1		-54,12		-67,26		-79,2			-87,57
		2		-138,95		-174,97		-193,9			-229,15

Примечания: n_f — объемная степень наполнения; m — коэффициент армирования, % от массы серы.

Оказалось, наполнители повышают дефектность структуры серных мастик. Оптимальными наполнителями являются барит и ферроборовый шлак.

Литература:

1.         Гарькина И. А., Данилов А. М., Королев Е. В., Смирнов В. А. Преодоление неопределенностей целей в задачах многокритериальной оптимизации на примере разработки сверхтяжелых бетонов для защиты от радиации / Строительные материалы — Наука. — 2006. -№ 8. — С.23–26.

2.         Будылина Е. А., Гарькина И. А., Данилов А. М., Пылайкин С. А. Подходы к многокритериальности сложных систем / Молодой ученый. –2013. –№ 6. –С. 40–43.

3.         Будылина Е. А., Гарькина И. А., Данилов А. М. Декомпозиция динамических систем в приложениях / Региональная архитектура и строительство. –2013. –№ 3. –С. 95–100.

4.         Будылина Е. А., Гарькина И. А., Данилов А. М. Фундаментальные основы оценки качества сложных систем / Новый университет. — 2013. — № 4 (14). — С. 6–9.

5.         Гарькина И. А., Данилов А.М, Королев Е. В. Математическое и компьютерное моделирование при синтезе строительных композитов: состояние и перспективы / Региональная архитектура и строительство. — № 2(9). — 2010. — C.9–13.

6.         Гарькина И. А., Данилов А. М., Соколова Ю. А. Системный анализ, теории идентификации и управления в строительном материаловедении: монография / Москва: ПАЛЕОТИП. –2008. — 239 с.

7.         Баженов Ю. М., Гарькина И. А., Данилов А. М., Королев Е. В. Системный анализ в строительном материаловедении: монография -М.: МГСУ: Библиотека научных разработок и проектов. -2012. –432 с.

8.         Гарькина И. А., Данилов А. М., Смирнов В. А. Флокуляция в дисперсных системах/ Системы управления и информационные технологии. — 2008. — № 2.3(32). — С.344–347.