2 Июнь 2016

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

  1. Дубровский В.Б. Радиационная стойкость строительных материалов. М.: Стройиздат, 1977, 279 с.
  2. Карякина М.И. Физико-химические основы процессов формирования и старения покрытий. М.: Химия, 1980, 216 с.
  3. 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»