В.А. ХУДЯКОВ, В.Р. ТУГУШЕВА, кандидаты техн. наук (Пензенская ГАСА)
С развитием атомной энергетики и увеличением числа предприятий, в технологических процессах которых используются радиоактивные вещества и разнообразные источники ионизирующих излучений, в России растет экологическая опасность.
Кроме вредных веществ, попадающих в окружающую среду со сточными водами и отходящими газами, значительную экологическую опасность представляют токсичные отходы, накапливаемые на свалках, полигонах, шлаконакопителях.
В связи с этим важной экологической и научно-технической задачей является создание различных защитных экранов, бассейнов, контейнеров на основе новых эффективных строительных материалов для хранения, содержания, транспортирования и утилизации токсичных отходов и радиоактивных веществ.
В Пензенской ГАСА проводятся работы по созданию и исследованию свойств композиционных материалов, имеющих высокие физикомеханические и эксплуатационные характеристики и обладающих повышенной радиационной стойкостью на основе местных отходов промышленных предприятий.
Пленочные радиационно стойкие материалы, предназначенные для купирования радиоактивных осадков и пыли после радиационного выброса, должны обладать большой плотностью и однородностью, низкой вязкостью, быстро твердеть на воздухе, обладать хорошей укрывистостью, не растворяться под действием осадков, быть достаточно прочными [1].
Разработано пленочное жидкостекольное покрытие на основе жидкого стекла, которое может быть применено для временной защиты от радиации: в качестве покрытия загрязненных радиоактивными осадками поверхностей при затянувшемся сроке дезактивации, при транспортировке зараженного грунта (в целях предотвращения его пыления), для временного захоронения радиоактивных и токсичных отходов и т. п. Оно является более дешевым по сравнению с существующими полимерными покрытиями, обладает достаточной радиационной стойкостью.
Разработанные жидкостекольные композиции на защищаемую поверхность можно наносить пневматическим распылением, наливом и т. д.. В результате образуется ровная, однородная пленка, время полного высыхания которой составляет 1,5—2 ч.
Для радиационно стойких пленочных материалов в качестве связующего было использовано натриевое жидкое стекло с модулем М = 2 и плотностью 1300—1500 кг/м3. Для повышения защитных свойств покрытий в рецептуру предложено вводить в качестве наполнителя тонкомолотые отходы стекольных и оптических заводов Пензенской области специального химического состава, содержащие большое количество оксида свинца (70,93%). Инициатор твердения — феррохромовый шлак, его основной минералогический компонент — у-модификация двухкальциевого силиката (2CaOSiO2). Использование шлака обусловлено тем, что он ускоряет выпадение геля кремниевой кислоты и, кроме того, в результате взаимодействия жидкого стекла с соединениями железа образуются водонерастворимые силикаты железа, что значительно повышает водостойкость покрытия.
Для повышения водостойкости композиции, снижения вязкости и достижения оптимальной жизнеспособности в композицию вводят модифицирующие добавки — суперпластификатор С-3 и гидрофо-бизирующую кремнийорганическую жидкость 136-41.
Проведены исследования реологических свойств суспензий и некоторых физико-механических характеристик в зависимости от содержания минерального наполнителя, инициатора твердения и пластифицирующих добавок. Реологические свойства жидкостекольных композиций определяли с помощью вискозиметра ВЗ-4.
Анализ экспериментальных данных свидетельствует, что при увеличении содержания наполнителя наблюдается закономерное увеличение вязкости состава.
Получена расчетная зависимость вязкости состава от содержания наполнителя, которая имеет вид:
y = n+27,227 exp(0,0249x), (1)
где n — вязкость жидкого стекла, с.
При введении в жидкостекольную композицию пластификатора С-3 в оптимальном количестве вязкость состава уменьшается, и зависимость вязкости от степени наполнения выражается следующим уравнением:
y = n+19,724exp(0,016x). (2)
Адекватность модели оценивали с помощью коэффициента парной корреляции. При числе степеней свободы 4 и уровне значимости 0,05 коэффициент парной корреляции оказался равным 0,969, что больше табличного значения, равного 0,811 [2].
Анализ уравнений (1) и (2) показывает, что добавка пластификатора С-3 уменьшает степень влияния содержания наполнителя на изменение вязкости. Уравнения (1) и (2) позволяют подобрать оптимальную концентрацию наполнителя в зависимости от способа нанесения состава. Так, например, при пневматическом нанесении вязкость состава равна 35 с, следовательно, содержание наполнителя без пластификатора равно 15%, а с пластификатором — 40%.
Пленочные покрытия твердеют в течение 6—8 ч. Жизнесопособность композиции составила 1,5—2 ч. Для ускорения отверждения композиций в их составы вводили феррохромовый шлак в оптимальной концентрации. При этом отверждение покрытий до степени 2 наблюдается через 6 ч, а до степени 5 — спустя 10 ч (по ГОСТ 19007-73) [2].
Плотность материала в зависимости от состава изменяется от 2360 до 2690 кг/м3. Максимальную плотность, обеспечивающую высокие изолирующие свойства покрытий, имеет состав с содержанием наполнителя 70% и содержанием отвердителя 50%. Дальнейшее повышение содержания наполнителя нецелесообразно из-за значительного повышения вязкости.
Модуль упругости отвержденных покрытий и их твердость определяли методом внедрения конусообразного индентора на консистометре Гепплера, также определяли их плотность. Свойства отвержденных покрытий приведены в таблице.
Содержание наполнителя, % от объема жидкого стекла |
Содержание шлака, % от объема жидкого стекла |
Твердость, МПа |
Модуль упругости, МПа |
Плотность,
кг/м3 |
|
Условно мгновенный |
Равно весный |
||||
50 |
50 | 203 | 10718 | 5737 |
2360 |
30 |
50 | 322 | 14573 | 9337 |
2480 |
50 |
30 | 970 | 37540 | 24863 | 2690 |
70 | 50 | 178 | 5082 | 5649 |
2420 |
50 |
70 | 1792 | 43278 | 30349 |
2520 |
Исследования зависимости когезионной прочности и внутренних напряжений в покрытии в зависимости от его состава были проведены по многофакторному плану. Значения когезионной прочности изменялись в пределах от 0,56 до 1,33 МПа.
При оптимальном содержании наполнителя 70% с увеличением содержания шлака наблюдается увеличение внутренних напряжений и снижение когезионной прочности покрытия. При 50%-ном содержании отвердителя значение когезионной прочности составило 0,75 МПа. Даже при увеличении содержания шлака наблюдается увеличение прочности. Это явление можно объяснить с позиции теории перколяции.
При определенном содержании наполнителя осуществляется структурно-фазовый переход матрицы из ее объемного состояния в пленочное, затрагивающее весь объем материала. Если и далее продолжать наполнение, происходит уменьшение толщины пленки. Причем вследствие стерических эффектов качество ее структурированной упорядоченности снижается. Когда толщина пленки достигает критической, она становится термодинамически неустойчивой и распадается на отдельные островки, что сопровождается возникновением большого числа пор, способствующих резкому снижению прочности композита [3].
Следовательно, оптимальным составам дисперсно-наполненных конденсированных структур композитов соответствует определенная толщина пленки матрицы, являющийся одним из основных показателей структуры.
Таким образом, результаты экспериментальных исследований позволяют предложить оптимальный состав композиции, содержащей 50% шлака и 70% наполнителя, который обладает максимальной плотностью (2420 кг/м3) и твердостью, имеет высокий коэффициент ослабления ионизирующих излучений.
Разработанные составы достаточно радиационно стойки: предел прочности при испытании на сжатие при поглощенной дозе у-излучения до 8,4-106 Гр составляет от 5 до 12%.
Список литературы
- Дубровский В.Б. Радиационная стойкость строительных материалов. М.: Стройиздат, 1977, 279 с.
- Карякина М.И. Физико-химические основы процессов формирования и старения покрытий. М.: Химия, 1980, 216 с.
- Соломатов В.И., Бобрышев А.Н., Прошин А.П. Кластеры в структуре и технологии композиционных материалов // Известия вузов. Строительство и архитектура. 1993. № 4. С. 56-62.
Статья взята из журнала «Строительные материалы»