Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ. РАДИАЦИОННО-
ЗАЩИТНЫЕ БЕТОНЫ. КАРКАСНЫЕ БЕТОНЫ 9
1.1. Методологические принципы создания композиционных
строительных материалов 9
Полиструктурная теория 9
Системные представления о строительных материалах 16
Радиационно-защитные бетоны 22
Структура и свойства каркасных бетонов 30
Выводы 35
ГЛАВА 2. ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЯ 37
Цель и задачи исследования 37
Применяемые материалы и их характеристики 37
Методы исследования и аппаратура 40
Технология изготовления серных бетонов каркасной структуры 45
Статистическая оценка результатов измерений и методы математического планирования эксперимента 47
ГЛАВА 3. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ
РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ СЕРНЫХ БЕТОНОВ
ВАРИАТРОПНО-КАРКАСНОЙ СТРУКТУРЫ 49
Декомпозиция системы качества и алгоритм синтеза радиационно-защитного серного бетона каркасной структуры... 49
Выделение и ранжирование управляющих факторов 60
Методики уменьшения количества альтернатив при выборе компонентов 66
Выборвидавяжущеговещества 66
Выбор вида наполнителя 71
Выбор вида заполнителя 73
Выводы 82
ГЛАВА 4. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СЕРНЫХ МАСТИК 84
Структурообразование серных мастик 84
Смачиваемость наполнителей расплавом серы 92
Технологические свойства 93
Внутренние напряжения 105
Средняя плотность и пористость 115
Прочность 117
Эксплуатационные свойства 126
Выбор кинетической модели деструкции 126 композиционных материалов. Параметры процесса
Химическая стойкость 128
Морозостойкость и термостойкость 135
Теплофизические свойства 143
Радиационно-защитные свойства 146
4.8. Многокритериальная оптимизация составов радиационно-
защитных серных мастик 151
Выводы 157
ГЛАВА 5. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КАРКАСОВ 159
Средняя плотность 159
Пропиточная способность каркасов 163
Прочностные и деформативные свойства 169
Теплопроводность и радиационно-защитные свойства 173
Многокритериальная оптимизация составов каркасов 174
Выводы 177
ГЛАВА 6. СВОЙСТВА РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЫХ СЕРНЫХ
БЕТОНОВ ВАРИАТРОПНО-КАРКАСНОЙ СТРУКТУРЫ 179
Проектирование составов радиационно-защитных серных бетонов вариатропно-каркасной структуры 179
Физико-механические свойства 186
Эксплуатационные свойства 194
Выводы 205
ГЛАВА 7. ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ
РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНЬІХ СЕРНЫХ БЕТОНОВ
ВАРИАТРОПНО-КАРКАСНОЙ СТРУКТУРЫ 206
Принципиальная технологическая схема изготовления серных бетонов вариатропно-каркасной структуры 206
Меры безопасности при изготовлении и проведении работ 208
7.3. Промышленное внедрение 208
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 210
ЛИТЕРАТУРА 213
ПРИЛОЖЕНИЯ 225
Введение к работе
Актуальность темы. Перспективные планы развития атомной отрасли России, обозначенные Президентом Российской Федерации и заключающиеся в увеличении к 2015 году электроэнергии, вырабатываемой на АЭС, до 25%, а также программы по обеспечению ядерной и радиационной безопасности, включая решение задач по инженерной защите персонала, населения, оборудования, зданий и сооружений ряда отраслей промышленности, в том числе надёжное хранение радиоактивных отходов, значительно повысили актуальность исследований, направленных на создание радиационно-защитных строительных материалов с возможностью регулирования их структуры и свойств.
В работах А.П. Прошина и его научной школы доказана перспективность использования серы в качестве вяжущего вещества для изготовления таких композитов. Разработаны особо и сверхтяжёлые серные бетоны на металлическом заполнителе, отличающиеся высокими защитными и физико-механическими свойствами. Однако такие материалы разработаны по литьевой технологии, что не гарантирует однородного распределения металлического заполнителя по объёму изделия и, следовательно, высокого качества бетона. Решить эту задачу можно путём создания серного бетона каркасной структуры. Указанное положено в основу научной гипотезы: обеспечить однородное распределение тяжёлого заполнителя в объёме радиационно-защитного материала возможно путём предварительного формования каркаса из заполнителя с жёсткой фиксацией отдельных зёрен с последующей пропиткой подвижной серной мастикой.
Научные и практические данные и закономерности, установленные и обобщённые в диссертационной работе, получены автором на кафедре строительных материалов Пензенского государственного университета архитектуры и строительства при выполнении госбюджетных НИР (НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», ЕЗН Минобразования РФ - № г.р. 01200304423), грантов по фундаментальным исследованиям в области архитектуры и строительства (№ г.р. 01200304422), а также работ, выполненных по плану НИР РААСН и межотраслевой программе сотрудничества Минобразования РФ и Спецстроя РФ «Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве» на 2001-2005 гт. (№ г.р. 01200216502, 01200307724).
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка рецептуры и технологии изготовления радиационно-защитных серных бетонов вариатропно-каркасной структуры.
В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи:
Установить закономерности влияния геометрических размеров, формы зерна заполнителя, вида и количества клея на пропиточную способность и физико-механические свойства каркасов, на основе которых разработать рецептуры каркасов, характеризующихся высокими показателями физико-механических свойств и пропиточной способностью.
Установить закономерности влияния основных рецептурных факторов на структурообразование, физико-механические, и эксплуатационные свойства серных мастик и провести оптимизацию рецептуры материала, обладающего высокой подвижностью и требуемыми физико-механическими и эксплуатационными свойствами.
Разработать технологию изготовления эффективных радиационно-защит-ных серных бетонов вариатропно-каркасной структуры, обладающих комплексом заданных эксплуатационных свойств, и исследовать их физико-механические и эксплуатационные свойства.
Теоретической и методологической основой исследований являются разработки отечественных и зарубежных учёных в области строительного материаловедения, механики разрушения композитов, современного бетоноведения, системного анализа: Ю.М. Баженова, Г.М. Бартенева, А.Н. Бобрышева, П.И. Боженова, А.Н. Волгушева, A.M. Данилова, А.С. Диденкула, В.Т. Ерофеева, А.Д. Зимона, М.Х. Карапетьянца, П.Г. Комохова, Е.В. Королева, Н.И. Макридина, М.А. Меньковского, В.В. Патуроева, АЛ. Пропійна, Р.З. Рахимова, П.А. Ребиндера, И.А. Рыбьева, В.П. Селяева, Ю.А. Соколовой, В.И. Соломатова, Н.Б. Урьева, В.М. Хрулева, В.Д. Черкасова, Е.М. Чернышева, СВ. Федосова и других, а также зарубежных ученых: Ю.И. Орловского (Украина), М.Ш. Оспановой (Казахстан), О.Л. Фиговского (Израиль), W.C Мс Bee, Т.А. Sullivana, J.L.K. Но, R.T. Woodhamsa, А. Ortega (США), B.R. Currella, F.W. Parretta, R.E. Loova, A.H. Vrooma, I J. Jordanna, J.E. Gillotta (Канада), Mazukami Kunio, Tanishima Tadahiko, Tanabe Masato, Imai Tomohiro, Nichi Seiya (Япония), A. Eckera, G. Minke (Германия), Ф.Ф. Лента, Т. Ри 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 серных бетонов вариатропно-каркасной структуры, обеспечивающих повышение экологической безопасности различных отраслей промышленности.
Предложены методологические принципы создания радиационно-защитных серных бетонов вариатропно-каркасной структуры, заключающиеся в декомпозиции системы критериев, качества каждого структурного элемента (пропиточной композиции и крупнопористого каркаса) и классификации выделенных свойств на экстенсивные и интенсивные. На основе анализа 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 (характеристики, существенно зависящие от интенсивности физико-химических процессов, протекающих на границе раздела фаз) по процессам, явлениям и фазам выделяются элементарные управляющие рецептурно-технологические факторы и явления, оказывающие существенное влияние на процесс структурообразования материала. Предложены формализованные методики выбора основных компонентов структурных уровней радиационно-защитных серных бетонов вариатропно-каркасной структуры: вяжущего вещества, наполнителя и заполнителя.
Исследованы кристаллическая структура серы и фазовый состав продуктов, образующихся на границе раздела фаз «сера - наполнитель». Разработан критерий для оценки химической активности наполнителя. Установлено влияние модифицирующих добавок на дефектность кристаллической структуры серы: введение добавок способствует уменьшению плотности дислокаций.
Установлены основные закономерности влияния различных рецептурных факторов на физико-технические свойства серных мастик (пропиточных композиций) и крупнопористых каркасов из свинцовой дроби. Получены экспериментально-статистические модели влияния вида и концентрации модифицирующих добавок на подвижность и прочность серных мастик. Разработан расчётно-экспериментальный метод определения общей пористости серных мастик (получен патент № 2239816).
Основные положения, выносимые на защиту:
принципы создания радиационно-защитных серных бетонов вариатропно-каркасной структуры; формализованные методики выбора основных компонентов структурных уровней таких бетонов: вяжущего вещества, наполнителя и заполнителя;
экспериментальные закономерности направленного структурообразования серных мастик, крупнопористых каркасов из свинцовой дроби и серных бетонов вариатропно-каркасной структуры с установлением рациональных границ
варьирования основных рецептурных факторов; результаты экспериментальных исследований и математические модели влияния основных рецептурных факторов на структуру и физико-технические свойства предлагаемых материалов; результаты многокритериальной оптимизации составов серных мастик и крупнопористых каркасов;
прикладные основы для разработки оптимальных составов радиационно-защитных серных бетонов вариатропно-каркасной структуры (метод проектирования составов), метод определения общей пористости;
метод прогнозирования долговечности серных композитов; результаты исследования эксплуатационных свойств предлагаемых материалов (стойкость в химически активных средах, к температуре и термическим циклам, радиационному воздействию и др.); метод определения радиационного разогрева серных композитов;
оптимальные составы радиационно-защитных серных бетонов вариатропно-каркасной структуры, обладающих заданным комплексом физико-механических и эксплуатационных свойств.
Практическая значимость работы заключается в разработке и установлении технологических условий получения эффективных и долговечных серных мастик, крупнопористых каркасов из свинцовой дроби и радиационно-защитных серных бетонов вариатропно-каркасной структуры.
Предложены формализованные методики выбора вяжущего вещества, наполнителя и заполнителя для серных мастик и крупнопористых каркасов.
Разработаны методы определения общей пористости серных композитов, прогнозирования влияния различных рецептурных факторов на внутреннее напряжённое состояние и методы проектирования составов серных бетонов вариатропно-каркасной структуры и определения величины их радиационного разогрева.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись и докладывались на Международных и Всероссийских научно-практических конгрессах, симпозиумах, конференциях и совещаниях: «Наука, инновации, подготовка кадров в строительстве на 2001-2005 гг.» (Москва, 2002, 2003 г.), на VIII и X Академических чтениях РААСН (Самара, 2004 г., Пенза-Казань, 2006 г.), «Актуальные проблемы современного строительства» (Пенза, 2003-2005 гг.), «Долговечность строительных материалов и конструкций» (Саранск, 2005 г.), «Актуальные проблемы строительства» (Саранск, 2005, 2006 гг.). Результаты работы экспонировались на Международных (Астана, 2003 г.) и Всероссийских (Н.Новгород, 2005 г., Москва, 2007 г.) выставках и получили высокую оценку.
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 30 работ (в журналах по перечню ВАК - 6 статей); новизна технических решений подтверждена 5 патентами РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, основных выводов, списка использованных источников и 3-х приложений. Содержит 225 стр. машинописного текста, в том числе 74 рисунка и 86 таблиц. Библиография включает 186 наименований.
