Введение к работе
Актуальность темы. Экспертные оценки запасов природных углеводородов указывают, что при существующих темпах экономического и промышленного роста их природные запасы будут исчерпаны к середине XXI века. Это заставляет мировое сообщество обратить особое внимание на атомную энергетику, которая, как предполагается, станет лидером в производстве электроэнергии Приоритет в развитии атомной энергетики установлен и в России Правительством РФ одобрена программа «Стратегия развития атомной энергетики России в первой половине XXI века» Эта потребует создания новых эффективных строительных материалов для защиты от радиации
Для обеспечения радиационной безопасности на объектах атомной энергетики и других отраслей промышленности широкое применение получили металлические, полимерные и композиционные строительные материалы Металлические материалы применяют в основном для изготовления ответственных узлов и агрегатов ядерных энергетических установок, эксплуатирующихся в условиях повышенных радиационных нагрузок и температур Композиционные строительные материалы используются для изготовления биологической защиты реакторов, контейнеров и хранилищ радиоактивных материалов и отходов, а полимерные материалы - для изготовления электроизоляционных материалов проводов и кабелей, а также различных уплотнителей
В ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства» на кафедре «Строительные материалы» в научной школе А П Прошина в течение продолжительного периода проводятся исследования, направленные на создание новых эффективных строительных материалов, предназначенных для защиты от радиации Для обеспечения радиационной защиты на объектах атомной энергетики перспективными являются также металлобетоны, сочетающие свойства пластичных металлических матриц и каменного заполнителя В научной школе профессора Ю Б Потапова разработаны научные основы создания конструкционных металлобетонов Однако существующие литейные технологии изготовления таких материалов не обеспечивают однородного распределения заполнителя по объёму изделия и, следовательно, высокого качества металлобетона Решить эту задачу можно путем создания металлобетона каркасной структуры. Указанное лежит в основе научной гипотезы, заключающийся в том, что получить материал с однородным объемным распределением легкого заполнителя, обеспечивающего защиту от нейтронного излучения, возможно путем предварительного изготовления каркаса из заполнителя с жёсткой фиксацией зерен с последующим проливом расплавом металла, защищающем от у-излучения
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 РА-АСН. Ш2 4 10 «Исследование структуры и свойств радиационно-защитных ме-тонов каркасной структуры», №2 4 16 «Исследование процесса сгруктурообра-зования каркасных металлобетонов для защиты от радиации»
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка составов и технологии изготовления каркасных металлобетонов для защиты от радиации
В соответствии с поставленной целью определены и решены следующие задачи
научно обосновать выбор компонентов каркасных металлобетонов для защиты от радиации (пропиточного металла и заполнителя),
установить закономерности влияния основных рецептурных и технологических факторов на структурообразование и свойства крупнопористых каркасов на основе ферроборового шлака, обладающих оптимальным сочетанием пропиточной способности и физических свойств,
разработать составы эффективных каркасных металлобетонов, обладающих высокими показателями радиационно-защитных свойств, и исследовать их физико-механические и эксплуатационные свойства
Теоретической и методологической основой исследований являются разработки отечественных и зарубежных ученых в области строительного материаловедения, механики разрушения композитов, современного бетоноведения, системного анализа Ю М Баженова, А Н. Бобрышева, А М Данилова, В Т Ерофеева, А Д Зимона, М X Карапетьянца, П Г Комохова, Е В Королева, Н И Макридина, А П Прошина, Ю Б Потапова, И А Рыбьева, В П Селяева, Ю А Соколовой, В И Соломатова, В Д Черкасова, Е М Чернышева, С В Федосова и других
Информационную базу составляют монографические работы, материалы научно-технических конференций, статьи в научных сборниках и периодических изданиях по исследуемой проблеме
Работа выполнена с применением методологических основ строительного материаловедения в системе «рецептура, технология - структура - свойства» (системно-структурный подход)
При проведении исследований использовались физико-химические методы оценки характеристик структуры и свойств, методы активного планирования эксперимента, методы регрессионного и корреляционного анализа и статистической обработки экспериментальных данных с применением ЭВМ
Научная новизна работы состоит в решении проблемы получения радиационно-защитных металлобетонов каркасной структуры, обеспечивающих повышение экологической безопасности объектов атомной промышленности
Предложены принципы создания каркасных металлобетонов для защиты от радиации, заключающиеся в установлении свойств, определяющих качество каждого структурного элемента (пропиточной и клеевой композиций, крупнопористого каркаса), и в классификации выделенных свойств На основе анализа закономерностей влияния вида и количества компонентов на величину экстенсивных свойств (показатели, на характер изменения и величину которых поверхностные явления не оказывают существенного влияния) выдвигаются гипотезы о видах компонентов материала При декомпозиции интенсивных свойств (структурно-чувствительные характеристики, существенно зависящие от интенсивности фшико-химических процессов, протекающих на границе раздела фаз) по процессам, явлениям и фазам определяются элементарные управляющие рецеп-турно-технологические факторы и явления, оказывающие существенное влияние
на процесс структурообразования материала Предложены методики выбора основных компонентов структурных уровней каркасных металлобетонов для защиты от радиации пропиточного металла и заполнителя
Установлены закономерности влияния основных рецептурно-технологических факторов (вид и количество клеевой композиции, концентрация модификатора, продолжительность и температура изотермической выдержки) на физико-механические и эксплуатационные свойства крупнопористых каркасов из ферроборового шлака и радиационно-защитньгх металлобетонов, позволяющие установить рациональные границы варьирования рецептурно-технологических факторов
Основные положения, выносимые на защиту:
принципы создания радиационно-защитных каркасных металлобетонов, формализованные методики выбора основных компонентов структурных уровней таких бетонов пропиточного металла и заполнителя,
экспериментальные закономерности направленного структурообразования крупнопористых каркасов из ферроборового шлака и каркасных металлобетонов 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 крупнопористых каркасов,
результаты исследований эксплуатационных свойств предлагаемых материалов (стойкость в химически активных средах, к температурному воздействию и др),
оптимальные составы каркасных металлобетонов для защиты от радиации, обладающие заданным комплексом физико-механических и эксплуатационных свойств
Практическая значимость работы заключается в разработке и установлении технологических условий получения эффективных и долговечных крупнопористых каркасов из ферроборового шлака и радиационно-защитных каркасных металлобетонов
Предложены формализованные методики выбора пропиточного металла и заполнителя для крупнопористых каркасов
Разработан метод проектирования составов каркасных металлобетонов для защиты от радиации
Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись и докладывались на Международных и Всероссийских научно-практических конференциях и совещаниях «Актуальные проблемы современного строительства» (Пенза. 2005-2007 гг), «Наука и образование тенденции развития центрального региона России как части исследовательского и образовательного пространства» (Пенза, 2006 г) «Оценка риска и безопасность строительных конструкций» (Воронеж, 2006 г) Результаты работы экспонировались на Всероссийской (Мс*сква, 2007 г) и региональной («Прогресс-2007», Пенза) выставках и получили высокую оценку Промышленная апробация разработанных металлобетонов проведена на предприятии ООО «Новые техноло-
гии» (г Пенза) Экономический эффект оценивается в 15310 рублей на 1 м2 поверхности яола в ценах на начало 2007 года
Достоверность результатов работы В диссертации результаты исследований подтверждаются сходимостью большого количества экспериментальных данных, полученных с применением стандартных и высокоинформативных методов, положительными результатами внедрения составов и технологии
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ (в журналах по перечню ВАК - 1 статья)
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, основных выводов, списка литературы и 2 приложений Содержит 187 страниц машинописного текста в том числе 42 рисунка и 68 таблиц Библиография включает 140 наименований
