Библиографическое описание:

Антонова Е. А., Болтышев С. А., Данилов А. М. Синтез сверхтяжелых серных бетонов для защиты от радиации // Молодой ученый. — 2014. — №6. — С. 131-134.

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 SO4–2, 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; gс - 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 30о);

-          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/df (df - 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×х3–280,4×х1х2–248,13×х1х3–551,73×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: nf — 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.

Основные термины (генерируются автоматически): предельного напряжения сдвига, серных мастик, напряжения сдвига серных, сдвига серных мастик, комплексных модификаторов, Составы комплексных модификаторов, Зависимость предельного напряжения, матрица значений факторов, ферроборовом шлаке, серной мастики, предела прочности, составов комплексных модификаторов, расплыва серной мастики, расчетный коэффициент стойкости, сверхтяжелых серных бетонов, Молодой ученый, предельное напряжение сдвига, плотность серной мастики, в строительном материаловедении, подвижность серных мастик.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос