Структура и свойства радиационно-защитных жидкостекольных композиционных материалов повышенной плотности

Актуальность работы. В Российской Федерации приняты долгосрочные программы развития атомной промышленности, в частности, «Стратегия развития атомной энергетики России в первой половине XXI века». Современная доктрина развития предполагает переход от «тепловых» реакторов к реакторам на быстрых нейтронах. Реализация преимуществ таких реакторов значительно повысит безопасность и снизит стоимость электроэнергии. Однако задачи по защите персонала, оборудования, окружающей среды и захоронению радиоактивных отходов сохраняют актуальность, и их решение требует разработки новых эффективных строительных материалов для защиты от радиации.

Известны различные радиационно-защитные бетоны на минеральных и органических вяжущих. К таким вяжущим относится жидкое стекло, защитные свойства которого обусловлены содержанием лёгких элементов и способностью при отверждении сохранять часть воды в связанном состоянии, а радиационная стойкость — содержанием кремнезёма в коллоидном и кристаллоидном состояниях.

В научной школе А. П. Прошина разработаны жидкостекольные плёночные.

1 2 материалы и особо тяжёлые бетоны. Плёночные материалы предназначены для транспортировки радиоактивного грунта, временного захоронения радиоактивных отходов, а особо тяжёлые бетоны — для защиты ядерно-энергетических установок.

Несмотря на достаточно высокие показатели эксплуатационных свойств этих материалов им присущи и недостатки (растрескивание, характерное для плёночного материала, высокие значения пористости и линейной усадки), связанные с образованием значительного количества геля кремниевой кислоты. Устранение указанных недостатков, при прочих равных условиях, возможно уменьшением количества геля кремниевой кислоты посредством химического синтеза водостойких гидросиликатов тяжёлых металлов. Указанное является научной гипотезой диссертационной работы.

Радиационно-защитные композиты нового поколения должны обладать эффективным химическим составом, обеспечивающим защиту от смешанного гамма-нейтронного излучения. Как правило, это достигается формированием плотной структуры материала с оптимальным сочетанием содержания химических элементов различной атомной массы.

Гелашвили В. Р. Плёночные материалы для защиты от радиации: Автореф. дис. канд. техн. наук — Пенза:

ПГАСА, 1997.-24 с. 2.

Козлов Ю. А. Особо тяжёлые композиты на основе жидкого стекла для зашиты от радиации: Дис. канд. техн. наук. — Пенза: ПГАСА, 1998. — 167 с.

Научные и практические данные и закономерности, установленные и обобщённые в диссертационной работе, получены автором на кафедре строительных материалов ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» при выполнении НИР по тематическому плану РААСН: «Разработка рецептуры и технологии изготовления радиационно-защитных композиционных материалов на основе жидкого стекла» (№ 2.4.8, № 2.4.6, № 2.4.2, 2008;2010 гг.) и гранта Президента РФ для поддержки молодых российских учёных МД168,.2009.8 (per. № 1 200 964 015).

Цель и задачи исследования

Целью работы является разработка составов, исследование структуры и свойств радиационно-защитных жидкостекольных композиционных материалов повышенной плотности.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи:

1. Обосновать выбор химического состава и компонентов жидкостекольных материалов для защиты от смешанного гамма-нейтронного излучения.

2. Установить закономерности влияния рецептурных и технологических факторов на структурообразование, физико-механические и эксплуатационные свойства радиационно-защитных материалов на основе жидкого стекла.

3. Разработать составы и технологию изготовления радиационно-защитных композиционных материалов на основе жидкого стекла с заданными показателями эксплуатационных свойств.

Теоретической и методологической основой диссертационной работы являются разработки отечественных и зарубежных учёных в области строительного материаловедения, механики разрушения композитов, современного бетоноведения, системного анализа: Ю. М. Баженова, Д. М. Бродера, П. Н. Григорьева, A.M. Данилова, В. В. Данилова, В. Б. Дубровского, Т. Егера, В. Т. Ерофеева, А. И. Жилина, Ю. Г. Иващенко, А. Н. Комаровского, П. Г. Комохова, В. И. Корнеева, Е. В. Королева, Ю. С. Курицыной, Н. И. Макридина, М. А. Матвеева, А. П. Прошина, Ю. Б. Потапова, И. А. Рыбьева, П. Д. Саркисова, В. П. Селяева, Ю. А. Соколовой, В. И. Соломатова, М. И. Субботкина, В. Д. Черкасова, Ю. С. Черкинского, Е. М. Чернышова, C.B. Федосова, В. М. Хрулева, H.A. Шабановой и других.

Информационную базу составляют монографические работы, материалы научно-технических конференций, статьи в периодических изданиях и научных сборниках по исследуемой проблеме.

При проведении исследований использовались физико-химические методы оценки характеристик структуры и свойств, методы планирования эксперимента, методы регрессионного и корреляционного анализа и статистической обработки экспериментальных данных с применением ЭВМ.

Научная новизна работы состоит в решении технологических задач по получению радиационно-защитных жидкостекольных композитов повышенной плотности.

1. Исходя из защитных характеристик и доступности научно обоснован выбор химических элементов (водорода, кислорода, натрия, кремния, бора, углерода, азота, фтора, алюминия, серы, хлора, калия, кальция, хрома, марганца, железа, меди, цинка, бария и свинца) для синтеза композиционных материалов для защиты от гамма-нейтронного излучения. Получены математические модели, устанавливающие влияние основных параметров (количество жидкого стекла и его силикатного модуля) на радиационно-защитные свойства жидкостекольных композитов.

2. Установлены механизмы физико-химических процессов взаимодействия отвердителей (хлоридов бария и свинца) с жидким стеклом, обеспечивающие получение водонерастворимых соединений сложного химического состава, заключающиеся: для хлорида бария — в диссоциации соли и химической реакции обмена ионов Ыа+ жидкого стекла на ионы Ва2+ с образованием нерастворимых гидросиликатов бариядля хлорида свинца — в образовании на поверхности частиц отвердителя геля кремниевой кислоты, который частично взаимодействует с ионами РЬ с образованием нерастворимых гидросиликатов свинца.

3. Установлены кинетические особенности начального структурообразования жидкостекольных композитов, заключающиеся в накоплении продуктов химической реакции жидкого стекла с отвердителем и формировании первичной сетки продуктов (начало схватывания) с последующей её перестройкой и деформированием во вторичную сетку продуктов (конец схватывания).

4. Определён механизм влияния количества дисперсной фазы на усадочные деформации, среднюю плотность и пористость, дисперсно-наполненных жидкостекольных композитов, заключающийся в протекании конкурирующих процессов изменения строения гидросиликатов бария (процесс № 1) и заполнения пустот между нитевидными продуктами твердения частицами минеральной дисперсной фазы (процесс № 2): для малонаполненных материалов изменение строения гидросиликатов бария приводит к повышению усадки, а для высоконаполненных материалов физическое заполнение частицами наполнителя пустот между продуктами отверждения — к уменьшению усадки.

5. Установлены закономерности влияния основных рецептурно-технологических факторов (вид и количество отвердителя, вид и концентрация модификаторов отвердителя и жидкого стекла, температура твердения, количество наполнителя и заполнителя, давление прессования) на физико-механические и эксплуатационные свойства жидкостекольного вяжущего, связующего и бетона, позволяющие установить рациональные границы варьирования рецептурно-технологических факторов.

Достоверность полученных экспериментальных результатов обеспечивается проведением экспериментов с достаточной воспроизводимостьюстатистической обработкой полученных данных с заданной вероятностью и необходимым количеством повторных испытанийсопоставлением результатов, полученных разными методами, а также сравнением с аналогичными результатами, полученными другими авторами. Установлена сходимость теоретических решений с экспериментальными.

Практическая значимость работы заключается в разработке составов и установлении технологических режимов получения эффективных, долговечных жидко стекольных вяжущих и дисперсно-наполненных материалов для защиты от гамма-нейтронного излучения.

Предложены формализованные методики выбора эффективных химических элементов для радиационно-защитных материалов, отвердителя жидкого стекла и дисперсных фаз для жидкостекольных бетонов повышенной плотности.

Разработана методика определения сроков схватывания жидкостекольных вяжущих, огверждённых хлоридом бария.

Разработаны составы модификатора для отвердителя. Модификатор позволяет регулировать сроки схватывания и жизнеспособность вяжущего.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Международных и Всероссийских научно-практических конференциях и совещаниях: «Международный форум по проблемам науки, техники и образования» (Москва- 2007 г.), «Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре: (Липецк, 2007 г.), «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов. (Пенза, 2007;2010 гг.), «Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 2008 г.), «Наука и инновации в строительстве: современные основы строительного материаловедения и технологии» (Воронеж, 2008 г.), «Актуальные вопросы строительства» (Саранск, 2008 г.), «Проблемы современного строительства» (Пенза, 2009 г.), «Новые достижения по приоритетным направлениям науки и техники» (Пенза, 2010 г.), «Достижения и проблемы материаловедения и модернизация строительной индустрии: XV Академические чтения РААСН» (Казань, 2010 г.), «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Оренбург, 2010 г.).

Результаты работы удостоены медали конкурса «НТТМ-2008» за разработку «Радиационно-защитные композиционные материалы на основе жидкого стекла».

Промышленная апробация разработанных жидкостекольных композитов проведена в рентгенодиагностическом кабинете МУЗ «Каменская ЦРБ» (г. Каменка,.

4 2 Пензенская область). Экономический эффект составляет 902,61 руб./м в ценах 2010 года.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 2 статьи в журналах по перечню ВАК РФ. Техническая новизна предложенных решений подтверждена патентом РФ на изобретение № 2 375 771 «Строительная композиция для защиты от ионизирующих излучений».

Основные положения, выносимые на защиту:

• результаты выбора химических элементов, состава и компонентов для радиационно-защитных. материалов на основе жидкого стекла;

• механизмы структурообразования жидкостекольного вяжущего и дисперсно-наполненного материала, отверждённых хлоридом бария;

• экспериментально установленные закономерности направленного структурообразования вяжущего, связующего и жидкостекольного бетона для защиты от радиации с установлением рациональных границ варьирования основных рецептурных факторов;

• результаты экспериментальных исследований и математические модели влияния основных рецептурных факторов на структуру, физико-механические и эксплуатационные свойства предлагаемых материалов;

• результаты многокритериальной оптимизации составов вяжущего и связующего;

• оптимальные составы жидкостекольных бетонов для защиты от радиации, обладающие заданным комплексом физико-механических и эксплуатационных свойств.

Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, б глав, общих выводов, списка использованных источников из 16 Т наименования и содержит 230 страниц, в том числе 128 страниц машинописного текста, 93 рисунка, 73 таблицы и приложение.