КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

Христич Олександр Володимирович

УДК: 666. 983: 621. 039-78

БЕТОН ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНИЙ МЕТАЛОНАСИЧЕНИЙ

ДЛЯ ЗАХИСТУ ВІД ІОНІЗУЮЧИХ ВИПРОМІНЮВАНЬ

05.23.05 – Будівельні матеріали та вироби

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому державному технічному університеті

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор

Сердюк Василь Романович,

Вінницький державний технічний університет,

завідувач кафедри менеджменту організацій

Офіційні опоненти – доктор технічних наук, професор

Шейніч Леонід Олександрович,

Київський національний університет будівництва і

архітектури, професор кафедри технології виробництва

бетонних та залізобетонних конструкцій

- кандидат технічних наук,

Руденко Наталія Миколаївна,

Придніпровська державна академія будівництва та

архітектури, доцент кафедри технології будівельних

матеріалів, виробів та конструкцій

Провідна установа - Одеська державна академія будівництва та архітектури,

кафедра технології бетонів і в’яжучих,

Міністерство освіти і науки України, м. Одеса

Захист відбудеться “25“червня 2001 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.05 “Підвалини та фундаменти. Будівельні матеріали та вироби” Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розісланий “24” травня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

к. т. н. Бродко О. А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Широке використання природних і штучних джерел іонізуючих випромінювань для сучасних потреб суспільства, наслідки аварії на Чорнобильській АЕС вносять значний вклад в середнє значення річної ефективної еквівалентної дози опромінення населення України. Шкідливі впливи викликані як зовнішнім гамма-випромінюванням на окремих територіях, так і використанням природних ресурсів для потреб народного господарства.

Розробка і впровадження нових ефективних будівельних матеріалів біологічного захисту здатних послаблювати потоки проникаючих іонізуючих випромінювань до визначених меж, є актуальною проблемою сьогодення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Розробка і дослідження бетелу-м виконувались згідно з програмою ДКНТ 05.52.12 "Ресурсоз-береження", підпрограма 05.52.12/142 "Металонасичені бетони з підвищеними за-хисними властивостями від іонізуючих випромінювань" у 1994 - 1995 р.р. (автор виконував обов’язки виконавця), та в складі держбюджетної науково-дослідної роботи напрямку "Створення нових ефективних будівельних матеріалів та конструкцій на основі речовин органічного та неорганічного походження, технологій і обладнання для їх виробництва" 69 - Д - 203 "Розробка і дослідження металонасичених бетонів щільної структури для захисних екранів від іонізуючого випромінювання" 1999 - 2000 роки (автор виконував обов’язки відповідального виконавця).

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є розробка бетону електротехніч-ного металонасиченого, як ефективного матеріалу для біологічного захисту від іонізуючих випромінювань і отримання на його основі спеціального покриття ого-роджуючих конструкцій для приміщень променевої діагностики.

Задачі досліджень:

- виконати аналіз і обгрунтування передумов підвищення радіаційно-екра-нуючих властивостей цементних бетонів;

- розробити склад і методику дослідження радіаційно-захисних властивостей бетелу-м;

- дослідити вплив металевого мікронаповнювача на формування макро- і мікроструктури бетелу-м;

- дослідити вплив рецептурно-технологічних факторів на фізико-механічні властивості матеріалу;

- розробити технологію бетелу-м для виготовлення екранів біологічного за-хисту від іонізуючих випромінювань;

- експериментально підтвердити наукову гіпотезу підвищення ефективності радіаційного захисту для бетелу-м;

- виконати дослідне впровадження і техніко-економічне обгрунтування ефективності використання бетону електротехнічного металонасиченого як матеріалу біологічного захисту від іонізуючих випромінювань.

Об'єкт дослідження - бетон електротехнічний металонасичений, як ефективний будівельний матеріал радіаційно-захисних екранів.

Предметом дослідження є фізико-хімічні і фізико-механічні властивості бетелу-м та його радіаційно-екрануючі характеристики і ефективність впровадження, як альтернативи існуючим спеціальним матеріалам.

Методи досліджень: Експериментальні дослідження виконано із застосу-ванням сучасних методів диференціально-термічного і рентгенофазового аналізів та електронної мікроскопії. З використанням стандартних методів випробувань досліджували вплив рецептурно-технологічних факторів на фізико-механічні властивості сировинних сумішей і виготовлених зразків. Радіаційно-захисні властивос-ті при опроміненні природними радіонуклідами досліджувались в умовах геометрії вузького пучка. Здатність бетелу-м поглинати штучні радіаційні випромінювання досліджували методом медико-променевої діагностики в умовах жорсткого режиму рентгенівського опромінення.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше теоретично обгрунтовано і експериментально підтверджено наукову гіпотезу підвищення радіаційно-захисних властивостей дрібнозернистого бетону для “мяких" енергій гамма-квантів внаслідок використання дисперсного металевого наповнювача і набування бетоном струмопровідної здатності;

- розроблено технологію бетону електротехнічного металонасиченого як ефективного матеріалу екранів біологічного захисту від іонізуючих випромінювань;

- досліджено рецептурно-технологічні параметри для отримання бетону електротехнічного металонасиченого з підвищеною щільністю мікроструктури;

- показано взаємозв’язок струмопровідних і радіаційно-захисних властивос-тей бетону електротехнічного металонасиченого для енергій гамма-випромінювань 60 - 1300 кеВ;

- виявлено хвилеподібні зміни радіаційно-захисних характеристик дрібнозер-нистих бетонів в залежності від енергії гамма-квантів та технологічних і струмо-провідних властивостей композиційних матеріалів.

Практичне значення одержаних результатів:

- отримано новий ефективний бетон з використанням відходів промисловості, здатний поглинати проникаючі потоки іонізуючих випромінювань до заданих меж;

- розроблено технологічний регламент виготовлення спеціального радіаційно-захисного екрану з бетону електротехнічного металонасиченого;

- розроблені розчини з бетелу-м впроваджені в приміщеннях променевої діаг-ностики соматичної лікарні при установі ІВ 301/81 у Вінницькому районі, як аль-тернатива традиційним баритовим штукатуркам. Економічний ефект від заміни 1м2 баритового покриття бетелом-м становить 61,5 грн.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані здобувачем самостійно. В наукових працях, опублікованих разом із співавторами здобувачеві особисто належить:

1. Несен Л.М., Сердюк В.Р., Христич О.В. Моделювання та оптимізація рецептурно-технологічних факторів отримання нагрівачів із цементно-шламових композицій//Вісник Вінницького політехнічного інституту.- Вінниця: ВДТУ, 1995.- №4.- С. 9 - 11.

Встановлено фактори впливу на механічні і струмопровідні властивості бете-лу-м.

2. Сердюк В.Р., Лемешев М.С., Христич О.В. Фізико-хімічні особливості формування структури електропровідних бетонів//Вісник Вінницького політехнічного інституту. - Вінниця: ВДТУ, 1997.- №2.- С. 5 - 9.

Досліджено особливості формування структури матеріалу.

3. Христич О.В., Лемешев М.С. Формування мікроструктури бетонів для захисту від іонізувального випромінювання// Вісник Вінницького політехнічного інституту.- Вінниця: УНІВЕРСУМ, 1998.- №2.– С. 18 - 23.

Визначено склади і досліджено мікроструктуру бетелу-м.

5. Сердюк В.Р., Христич О.В., Берсіров І.П. Дослідження впливу окремих факторів на захисні властивості бетелу-м від радіації// Зб. наук. пр. “ІІ Всеукраїнська науково-технічна конференція. Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону.”- Київ: НаУКМА, 1999.- С. 532 - 536.

Досліджено фактори впливу на радіаційно-захисні характеристики бетелу-м.

6. Сердюк В.Р., Несен Л.Н., Христич А.В. Влияние вибропрессующих воз-действий на формирование структуры бетэла-м//Материалы ІІ междунар. научн.-техн. конф. "Применение колебаний в технологиях. Расчёт и проектирование машин для реализации технологий."- Винница: ВГТУ.- 1994.- С. 114 - 115.

Досліджено вплив способів ущільнення суміші на структуру матеріалу.

7. Сердюк В.Р., Ратушняк Е.Г., Христич А.В. Рациональные технологии переработки шлифовальных шламов//Материалы междунар. научн.- техн. конф. “Новые технологии и организационные структуры на автомобильном транспорте”.- Винница: ВГТУ. - 1994.- С. 141 – 142.

Досліджено ефективну технологію очищення металевих шламів від залишків органічних речовин.

8. Рыбакова И.С., Сердюк В.Р., Христич А.В. Пути утилизации шлифовальных шламов// Тез. докл. семинара ”Энергосберегающие технологии производства строительных материалов и изделий.”- Киев: ПМБ. - 1995.- С. 44.

Розроблено рекомендації для використання металевих шламів як наповнювача радіаційно-захисних бетонів.;

9. Защитные свойства металлонасыщенных бетонов/И.С. Рыбакова, В.Р. Сердюк, А.Н. Варбанец, А.В. Христич//Тез. докл. семинара “Энергосберегающие технологии производства строительных материалов и изделий.” - Киев: ПМБ.- 1995.- С. 38 - 39.

Досліджено кількісні показники радіаційного захисту з бетелу-м.

10. Сердюк В.Р., Несен Л.Н., Христич А.В. Многотоннажные отходы подшыпниковых производств – эффективные наполнители для бетонов//Тез. докл. междунар. научн.-техн. конф. “ Ресурсосбережение и экология промышленного региона”- Том 1.– Макеевка: ДонГАСА. - 1995.- С.123.

Досліджено фізико-механічні властивості матеріалу.

11. Сердюк В.Р., Несен Л.Н., Христич А.В. Комплексное использование отхо-дов металообрабатывающих производств//Материалы междунар. семинара “Струк-турообразование, прочность и разрушение композиционных строительных мате- риалов и конструкций” Одесса: ГОУП.- 1996.- С. 77 - 78.

Отримано ефективний наповнювач бетонів радіаційного захисту.

12. Сердюк В.Р., Христич А.В. Защита от ионизирующих излучений// Тез. докл. 35 междунар. семинара “Моделирование и вычислительный эксперимент в материаловедении”, МОК’ 35.- Одесса: Астропринт. - 1996.- С. 108.

Обгрунтовано підвищені радіаційно-захисні властивості бетелу-м.

13. Сердюк В.Р., Несен Л.Н., Христич А.В. Исследование защитных свойств бетэла-м от ионизирующих излучений//Тези доп. І Всеукраїнської наук.-техн. конф. “ Прогресивні технології та машини для виробництва будматеріалів, виробів та конструкцій”- Полтава: ПТУ.- 1996.- С. 174 - 175.

Досліджено вплив рецептурно-технологічних параметрів на радіаційно-захисні властивості бетелу-м.

14. Сердюк В.Р., Христич О.В. Захисні властивості бетела-м//Тези доп. міжнар. наук.-техн. конф. “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди.” - Рівне: УДАВГ. - 1996.- С. 33.

Встановлено радіаційно-екрануючі характеристики бетелу-м.

15. Сердюк В.Р., Христич О.В., Лемешев М.С. Поліфункціональні властивості бетела-м//Тези доп. міжнар. наук.-техн. конф. “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди.”- Рівне: УДАВГ. - 1996.- С. 34.

Обгрунтовано використання бетелу-м для радіаційного захисту.

16. Несен Л.М., Лемешев М.С., Христич О.В. Використання електроенергії для обігріву житлових та громадських будівель//Тези доп. наук.- техн. конф. “Інди-відуальний житловий будинок.”- Вінниця: ВДТУ. - 1996.- С. 37 – 38.

Досліджено струмопровідні властивості матеріалу.

17. Сердюк В.Р., Христич О.В., Лемешев М.С. Екрани від іонізуючого вип-ромінюваня//Тези доп. наук.-техн. конф. “Індивідуальний житловий будинок”- Вінниця: ВДТУ.- 1996.- С.29.

Розроблено радіаційно-захисні покриття.

18. Христич А.В., Берсиров И.П. Исследование экранирующих покрытий из бетэла-м как альтернативы баритовым штукатуркам//Материалы 37 междунар. семинара “Моделирование в материаловедении”, МОК’ 37.- Одеса: Астропринт. - 1998.- С. 194.

Визначені кількісні показники послаблення фотонних випромінювань.

20. Сердюк В.Р., Христич О.В. Захист від випромінювання природних радіо-нуклідів в приміщеннях житлових будинків//Матеріали доп. ІІ республ. наук.-техн. конф. “Індивідуальний житловий будинок”.- Вінниця: Континент. - 1998.- С. 184 - 187.

Обгрунтовано ефективність захисту з бетелу-м від випромінювань природних радіонуклідів.

21. Послаблення іонізувальних випромінювань бетелом –м / В.Р. Сердюк, І.І. Карачов, І.П. Берсіров, О.В. Христич//Матеріали доп. ІІ республ. наук.-техн. конф. “Індивідуальний житловий будинок”.- Вінниця: Континент.- 1998.- С. 198 - 201.

Досліджено вплив енергії гамма-випромінювань на екрануючі характерис-тики матеріалу.

22. Сердюк В. Р., Христич О. В. Спеціальні оздоблювальні покриття з бетелу-м//Матеріали наук.-техн. конф. "Будівельні матеріали ХХІ-го століття: комфорт житла та енергозбереження".- Київ: БудМайстер.- 1998.- С.160 - 165.

Розроблено конструкції радіаційно-захисного покриття з металонасиченого композиту.

23. Vasilii R Serdyk, Alexander V Khristich The influence of recipes and processing parameters on special properties of the electro-conducting concrete// Proc. II Intern. Conf. “Alkaline cements and concretes”.- Kyiv: ORANTA Ltd. - 1999.- P. 561-567.

Досліджено рецептурно-технологічні параметри бетелу-м з підвищеними захисними властивостями від іонізуючих випромінювань

24. Сердюк В.Р., Христич О.В. Композиційний матеріал для послаблення іонізуючих випромінювань//Матеріали наук.- техн. конф. “Проблеми реконструкції та експлуатації промислових та цивільних об'єктів”.- Дніпропетровськ: ПДАБА.- 1999.- С.106 - 110.

Обгрунтовано використання бетелу-м як будівельного матеріалу для радіа-ційно-захисних екранів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень висвітлювались і обговорювались на: міжнародних конференціях: “Применение колебаний в технологиях. Расчет и проектирование машин для реализации технологий” та “Новые технологии и организационные структуры на автомобильном транспорте” (Вінниця, ВДТУ, 1994), “Ресурсосбережение и экология промышленного региона” (Макіївка, ДонДАБА, 1995), “Ресурсоекономні матеріали, будівлі та споруди” (Рівне, УДАВГ, 1996), “Alkaline cements and concretes” (Київ, КДТУБА, 1999), “Проблеми реконструкції та експлуатації промислових та цивільних об'єктів” (Дніпропетровськ, ПДАБА, 1999); республіканських та всеукраїнських конференціях: “Прогрессивные технологии и машины для производства стройматериалов, изделий и конструкций” (Полтава, ПТУ, 1996), “Індивідуальний житловий будинок” (Вінниця, ВДТУ, 1996, 1998), “Будівельні матеріали ХХI століття: Комфорт житла та енергозбереження” (Київ, НДІБМВ, 1998), "Науково-практичні проблеми сучас-ного залізобетону" (Київ, ДНДІБК 1999); наукових семінарах “Энергосберегающие технологии производства строительных материалов и изделий” (Київ, НДІБМВ, 1995); “Моделирование и вычислительный эксперимент в материаловедении” та “Структурообразование, прочность и разрушение композицио-нных строительных материалов и конструкций” (Одеса, ОДАБА, 1996); “Моделирование в материаловедении” (Одеса, ОДАБА, 1998); на засіданні Національної комісії по радіаційному захисту населення України при Верховній Раді України (Київ, НКРЗУ, 2000).

Публікації. Основні положення дисертації викладено у 24 наукових працях, у тому числі: 4 публікації в фахових наукових виданнях, та 20 - в матеріалах доповідей і тез наукових конференцій та семінарів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 113 сторін-ках основної частини і складається із переліку умовних позначень, вступу, п’яти розділів, висновків і включає 17 таблиць та 35 рисунків. Повний обсяг дисертації становить 138 сторінок і містить разом з основною частиною перелік використаних джерел із 106 найменувань та три додатки.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність наукової роботи, сформульовані мета і задачі досліджень, розкрито наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, приведені відомості про публікації та апробацію дисертації.

В першому розділі викладено сутність наукової проблеми, її значення і підс-тави для необхідності проведення досліджень. Теоретично обгрунтовано наукову гіпотезу дисертаційної роботи.

Встановлено, що серед усіх видів іонізуючих випромінювань особлива увага системи радіаційної безпеки звертається до екранування побічно іонізуючих вип-ромінювань: нейтронного і фотонного. Послаблення їх в товщині бар'єрних екранів біологічного захисту характеризується кількісними і якісними показниками процесів взаємодії частинок потоку радіації із складовими елементами структури поглинача. Значення радіаційно-захисних характеристик матеріалів залежить від їхніх фізико-хімічних і фізико-механічних властивостей та компонентного і енергетичного складу іонізуючих випромінювань.

Будівельні матеріали біологічного захисту розподіляються на три групи: перша - важкі, для захисту від високо енергетичних нейтронного і фотонного вип-ромінювань; друга - композиційні матеріали до складу яких входять елементи з малими і великими порядковими номерами (Z), для захисту від змішаного нейтронного і фотонного і третя група - легкі (з високим вмістом водню), для поглинання проміжних і теплових нейтронів. До другої групи відносять і бетони, спеціальні властивості яких регулюються завдяки доступності штучного синтезу заданого компонентного складу структури композиційного матеріалу. Про ефективність використання бетонів для радіаційного захисту відмічено в роботах М.Г. Гусєва, В.М. Машковіча, В.Б. Дубровського, О.П. Суворова, О.Н. Комаровського, Л.М. Дьосова, Ю.О. Єгорова, Д.Л. Бродера, О.Т. Вєсьолкіна, А.Х. Брегера, Ю.Д. Козлова та ін.

У Вінницькому державному технічному університеті розроблено новий композиційний матеріал - бетон електротехнічний металонасичений (бетел-м), який отриманий внаслідок використання як заповнювача дрібнозернистого бетону дис-персного порошку металевих шламів (відходів виробництв). Наявність адгезії між мінеральним в'яжучим і частинками металевого наповнювача, суміщення лінійних деформацій цементного каменю і заліза, широкий діапазон струмопровідних харак-теристик, забезпечили отримання нового виду бетону з широким спектром теплофізичних, фізико-хімічних і спеціальних властивостей. У фізичному розумінні бетел-м може бути представлений, як складна гетерогенна система з великими поверхнями розділу фаз, деяка аналогія із конструкцією спеціальних багатошарових радіаційно-захисних екранів.

В результаті виконаних теоретично-розрахункових досліджень процесів пос-лаблення радіаційних випромінювань в товщині композиційних матеріалів бар'єр-ного захисту в залежності від їхніх компонентних складів, а також природи, власти-востей і енергії випромінювань обгрунтовано ефективність використання бетелу-м як матеріалу екранів біологічного захисту. Сформульована наукова гіпотеза полягає у набуванні металонасиченим дрібнозернистим бетоном підвищених радіаційно-захисних властивостей порівняно із звичайним бетоном при спільномірній густині із звичайним бетоном внаслідок зростання його струмопровідних характеристик. Наявність металевого наповнювача в структурі бетелу-м сприятиме поглинанню, відбиванню і розсіюванню частинок випромінювань в товщині екрану, а пог-линання електромагнітної хвилі фотонних випромінювань відбуватиметься збуд-женим всередині просторової струмопровідної матриці полем протидії. Для бетелу-м значення кількісних характеристик процесів послаблення іонізуючих випромінювань (лінійний і масовий коефіцієнти послаблення, довжина релаксації та товщина шару половинного послаблення випромінювань) визначаються плавною функцією таких основних параметрів: енергія гамма-випромінювань (Е), товщина захисного екрану, середня густина матеріалу (m), ефективний порядковий номер композиту (Zеф) і питомий електричний опір ().

В другому розділі наведено характеристики сировинних матеріалів бетелу-м, та визначено методику досліджень для отримання нового радіаційно-захисного матеріалу.

Як важкий струмопровідний наповнювач в бетелі-м використовували відходи металообробних виробництв- дрібнодисперсні шлами металообробки сталі ШХ-15 (середній розмір частинок 210-5 м). Особливістю таких сталей є високий вміст в них легуючих елементів (6.79 - 7.27 % Zn і 1.3 - 1.65 % Cr). На поверхні пластинок і мікрофібр наповнювача виявлені оксиди заліза, які утворились внаслідок технологічної обробки металу і тривалого зберігання відходів у відкритих відвалах.

Як в'яжуче в бетоні електротехнічному металонасиченому використовували портландцемент М400 Кам'янець Подільського цементного заводу, а як діелектрич-ний наповнювач- дрібні кварцові піски Дніпровського і Могилів Подільського родовищ. Для дослідження фізико-хімічних особливостей структуроутворення металонасиченого композиту в залежності від виду металевого наповнювача замість металевих шламів також використовували стандартні залізні порошки- ПЗР2 Броварського заводу порошкової металургії з маркою гранулометричного складу 315 і насипною густиною (2.3 - 2.5)103 кг/м3.

Дослідженнями встановлено, що всі сировинні компоненти бетелу-м по рівню питомої концентрації природних радіонуклідів, згідно вимог ДБН В 1.4-01-97 відносяться до першої групи будівельних матеріалів. Максимальне значення сумар-ної активності природних радіонуклідів дорівнює 36.6 Бк/кг, що не перевищує допустимої величини 370 Бк/кг (будівлі першого класу). Бетон електротехнічний металонасичений може використовуватись без обмежень в усіх видах будівництва.

Дослідження фізико-механічних і реологічних властивостей розчинів і зразків, виготовлених з бетелу-м, проводились згідно стандартних методик і відповідно до ГОСТ 5802-86, ДСТУ Б В 2.7-32-95 і ДСТУ Б В 2.7-23-95. Вплив компонентного складу матеріалу і видів наповнювача на фазовий склад новоутворень і мікроструктуру бетелу-м вивчали за результатам комплексних фізико-хімічних досліджень методами диференціальнотермічного і рентгенофазового аналізів та електронної мікроскопії.

Значення кількісних показників радіаційно-захисних характеристик зразків досліджували в геометрії вузького пучка (рис. 1) в спектрі енергій гамма-випро-мінювань 60 - 1270 кілоелектронвольтів (кеВ) з використанням природних радіонуклідів Am241, Eu52, Na22, Cs137, Co60 в лабораторії радіаційної гігієни Українського наукового гігієнічного центру (м. Київ).

Рис.1. Схема проведення досліджень радіаційно-захисних властивостей зразків: 1- джерело іонізуючих випромінювань; 2- захист від зовнішнього гамма фону; 3- коліматор; 4- захист від вторинного відбитого і розсіяного випромінювання; 5- зразок що досліджується;6- детектор; 7- аналізатор імпульсів

Значення лінійного і масового коефіцієнтів послабленні та товщини шару половинного послаблення випромінювань розраховували за отриманими експериментальними результатами вимірювання інтенсивності потоку прониклого через товщину зразка випромінювання для піку повного поглинання.

Перевірку радіаційно-екрануючих характеристик зразків бетелу-м і порівняльні дослідження з традиційними спеціальними матеріалами проводили методом променевої діагностики в жорсткому режимі опромінення з використанням рентгенівського апарату РУМ-20 М у відділенні променевої діагностики обласної клінічної лікарні ім. М. І. Пірогова (м. Вінниця).

У третьому розділі розроблено технологічні основи створення бетону електротехнічного металонасиченого, як матеріалу барєрних екранів біологічного захис-ту від іонізуючих випромінювань і виготовлення на його основі спеціального пок-риття огороджуючих конструкцій всередині приміщень.

Для отримання матеріалу з щільною, рівномірнозернистою структурою і заданими фізико-механічними властивостями досліджено вплив рецептурно-техноло-гічних параметрів на властивості зразків бетелу-м. Отримані результати показують, що використання дрібнодисперсних порошків шламів, як наповнювача бетону, призводить до збільшення водопотреб сумішей із заданою рухливістю. В металонасичених цементних розчинах з вмістом важкого наповнювача за обємом від 0.25 до 0.75 % водопотреби суміші зростають у 3.5 - 5 разів. Показник щільності структури віброущільнених зразків бетелу-м у 28 - добовому віці при кількості металевого наповнювача 0 - 36 мас % збільшується від 0.76 до 0.83 - матеріали середньої щільності. Подальше збільшення вмісту металевого порошку до 85 мас % призводить до зменшення фізичних характеристик зразків до 0.63. Міцність при стиску зразків з вмістом дрібнодисперсного металевого наповнювача 0 - 36 мас % збільшується від 41 до 49 МПа. Подальше збільшення кількості струмопровідного наповнювача призводить до зменшення механічних характеристик зразків. Кінетика таких змін пояснюється зростанням водопотреб металонасичених сумішей і зменшенням щільності структури матеріалу.

Результати фізико-хімічних досліджень складу фазових новоутворень металонасиченого цементного каменю комплексними методами диференціально-термічного і рентгенофазового аналізів показують що їхній кількісний і якісний склад змінюється в залежності від вмісту і виду металевого мікронаповнювача в складі суміші. Для проб з вмістом порошків шламів 10, 30, 50 мас % порівняно з контрольними без металу відмінність фазового складу характеризується появою виражених ендотермічних ефектів в інтервалах температур 150 - 180, 360 - 420 і 720 - 7800С, які пояснюються збільшенням кількості гідратних новоутворень в структурі матеріалу. Для цих проб також виявлено зростання кількості екзотермічних ефектів модифікаційних перетворень оксидів заліза в інтервалах температур 300 - 360, 480 - 600 і 800 - 9000С, характерних для термограми очищеного шламу сталі ШХ-15. На рентгенограмах із збільшенням вмісту металевого порошку шламу до 50 мас % зафіксовано зростання інтенсивності ліній оксидів заліза.

Використання різних металевих наповнювачів до 70 мас % супроводжується відмінностями фазового складу зразків. Для проб металонасиченого вяжучого із шламом виявлені виражені ендотермічні ефекти дигідратації в інтервалах температур 135, 280 - 310, 295 - 307 і 640 - 7900С, а втрати мас при нагріванні їх до 10000С на 8 - 10.7% менші порівняно із зразками, в яких наповнювачем були стандартні залізні порошки. На рентгенограмах проб із порошками шламів зафіксовано: лінії оксидів заліза і зменшення інтенсивності дифракційних ліній залишків непрогідратованих мінералів вяжучого. Очевидно, що усі інші новоуворення знаходяться у приховано-кристалічному стані, що можна пояснити впливом механо-хімічної активації на процеси гідратації реакційноздатних дисперснонаповнених систем.

Електронно-мікроскопічними дослідженнями сколів віброущільнених і пресованих зразків (виготовлені з литих і жорстких сумішей) бетелу-м встановлено, що композиційний матеріал характеризується щільною, рівномірно-зернистою структурою. Основна маса матеріалу представлена гідратними новоутвореннями, які обволікають зерна піску і частинки металевого наповнювача. Для пресованих зразків виявлено більш чітке зображення і щільне розташування взаємопроникаючих фаз вяжучого і наповнювачів, кристали гідратних новоутворень представлені переважно голковидними формами. Для зразків з віброущільненого пластичного (П12) бетелу-м отримані результати з нечітким, розпливчатим зображенням но-воутворень переважно листоподібними і пластинчатими формами, що пояснюється збільшенням вмісту гідратованої маси. Встановлено, що форма і вміст гідратованих новоутворень та щільність структури бетелу-м залежать від ступеня розрідження фаз і способів формування зразків, що загалом збігається із загально-прийнятими поглядами на кристалоутворення гідратних сполук. На поверхні металевого наповнювача виявлені кристали гідратованих мінералів вяжучого з середнім розміром 5 - 14 мкм, що підтверджує реакційну здатність металевого порошку шламів і забезпечує набування металонасиченим бетоном позитивних фізико-механічних і спе-ціальних властивостей.

Дослідженнями впливу рецептурно-технологічних параметрів на фізико-механічні властивості бетелу-м встановлено зміни характеристик матеріалу в за-лежності від компонентного складу сумішей і технології формування зразків. З віброущільнених пластичних сумішей металонасиченого вяжучого і бетелу-м отримані зразки з максимальною середньою густиною відповідно 2000 і 2060 кг/м3 (вміст металевого наповнювача 30 і 46 мас %). При пресуванні жорстких розчинів із наступною витримкою під навантаженням в часі забезпечується жорстке фіксування структури матеріалу і покращуються його характеристики. З металонасиченого вяжучого і бетелу-м отримані зразки з максимальною середньою густиною відповідно 2610 і 2870 кг/м3 (вміст металевого наповнювача 54 і 88 мас %). Підтверджено, що використання діелектричного наповнювача в складі композиційного матеріалу призводить до покращення його фізико-механічних властивостей і також, можливо, що й радіаційно-захисних.

Міцність при стиску зразків з віброущільнених пластичних і з пресованих жорстких сумішей бетелу-м змінюється в залежності від вмісту порошків шламів. Так, для віброущільнених зразків міцність при стиску становить 49 - 4 МПа, а для пресованих 66 - 10 МПа при кількості важкого наповнювача відповідно 36 - 87 мас % і 16 - 88 мас %. Отримані результати задовольняють експлуатаційним вимогам до матеріалів радіаційно-захисних покриттів. Розроблені оптимальні компонентні склади сумішей бетелу-м і фізико-механічні характеристики зразків приведено в таблиці.

Таблиця

Компонентний склад сумішей і характеристики зразків

радіаційно-захисного покриття з бетелу-м

Технологія формування

виробів | Витрати матеріалів на 1 м3 суміші, кг | В/Т | Середня густина, кг/м3 | Rст28, МПа

цемент | пісок | шлам | добав-ка С-3

віброущільнення пластичних розчинів (П12) | 386 | 1158 | 233 | 0.70 | 0.26 | 1940 | 44.6

320 | 640 | 834 | 0.65 | 0.32 | 2060 | 42

210 | 315 | 1169 | 0.42 | 0.38 | 1880 | 6.8

статичне пресування жорстких розчинів, P = 2 МПа | 320 | 1664 | 430 | 0.7 | 0.18 | 2180 | 64

300 | 600 | 1640 | 0.6 | 0.22 | 2610 | 16

300 | 310 | 2180 | 0.6 | 0.36 | 2780 | 13.8

300 | 300 | 2260 | 0.6 | 0.38 | 2870 | 10.4

Розроблено технології виготовлення монолітного і збірного радіаційно-захисних екранів з бетелу-м. Так з використанням механізованої технології штукатурних робіт для отримання монолітного спеціального покриття товщиною 0.04 - 0.07 м (товщина регламентується енергетичними навантаженнями іонізуючих вип-ромінювань) оздоблювальні роботи виконуються по аналогії з покращеними штукатурками за три прийоми, з нанесенням трьох шарів покриття (грунт, набризк і накривка). Враховуючи світовий досвід виконання будівельно-оздоблювальних робіт, повязаний із транспортуванням матеріалів, передбачається використання сухих сумішей бетелу-м або елементів збірних екранів. Збірні радіаційно-захисні екрани передбачається виготовлення з пресованих плиток за допомогою кріплення елементів до поверхонь огороджуючих конструкцій анкерами і цементно-піщаним розчином М50. Для виключення можливих прострілів швів між плитками, їх пот- рібно виготовляти складної конфігурації (впаз, вгребінь, вшип).

У четвертому розділі приведені результати досліджень радіаційно-захисних властивостей бетелу-м від іонізуючих випромінювань. Для випробувань викорис-товували зразки- моделі екранів біологічного захисту, які виготовляли віброущільненням пластичних (П12) і пресуванням жорстких (ОК=3-6 см) сумішей дрібнозер-нистих бетонів.

Результати досліджень екрануючої здатності матеріалів від природних джерел гамма-випромінювань з енергією 60-1270 кеВ підтверджують теоретично об-грунтовану наукову гіпотезу. Товщина шару половинного послаблення інтенсив- ності гамма-квантів для віброущільнених зразків бетелу-м з середньою густиною (m) від 2000 - 2160 кг/м3 становить 0.58 - 0.55 см, значення лінійного коефіцієнту послаблення для пресованих зразків з вмістом металевого наповнювача 46 - 88 мас % становить 1.4 - 1.6 см-1. Для звичайного дрібнозернистого бетону при відповідній середній густині з бетелом-м товщина шару половинного послаблення становить 1.58 - 1.33 см, а лінійний коефіцієнт послаблення 0.14 - 0.28 см-1. Товщина радіаційно-захисного екрану виготовленого з бетелу-м зменшується на 54 - 72 %. При збільшенні енергії гамма-випромінювань до 121кеВ значення радіаційно-захисних властивостей зразків зменшуються: для бетелу-м товщина шару половинного пос-лаблення становить 5 - 3.6 см; для звичайного бетону товщина шару половинного послаблення становить 12.6 - 66.4 см.

Результати досліджень кількісних характеристик процесів послаблення гамма-випромінювань з енергіями 661 і 1270 кеВ для зразків дрібнозернистих бетонів підтверджують наукову гіпотезу підвищення їхніх спеціальних властивостей завдяки використанню реакційноздатного металевого заповнювача і завдяки утворенню в структурі композиту обємної струмопровідної матриці. Для бетелу-м, порівняно із звичайним бетоном при спільномірній середній густині, товщина захисного пок-риття при енергії гамма-випромінювання 661 кеВ зменшується на 16 - 46 %; товщина шару половинного послаблення становить 4.5 - 2.6 см. При збільшенні енергетичного навантаження до 1270 кеВ, ефективність радіаційного захисту з бетону електротехнічного металонасиченого на 10 - 19 % перевищує екрануючу здатність звичайного бетону при спільномірній середній густині, товщина шару половинного послаблення становить 6.5 - 5.1 см.

При порівнянні властивостей бетелу-м з традиційними матеріалами встанов-лено, що за товщиною радіаційного захисту він займає проміжне місце між звичай-ним бетоном і залізом та відповідає товщині баритового екрану. Приведені результати експериментальних досліджень свідчать про можливість встановлення взаємозвязку, щодо зростання радіаційно-екрануючих властивостей матеріалу при збільшенні його середньої густини і набуванні ним струмопровідних властивостей. Питомий електричний опір зразків звичайного бетону в повітряно-сухому стані змінюється в межах від 104 до 106 Омм. Значення струмопровідних характеристик для бетелу-м знаходяться в межах від 102 до 104 Омм. Узагальнені результати дос-ліджень радіаційно-захисних властивостей зразків з питомим опором від 106 до 102 Омм від гамма-випромінювань з енергіями гамма-квантів 60, 121, 661 і 1270 кеВ приведені на рис. 2.

Рис. 2. Взаємозвязок струмопровідних і радіаційно-захисних властивостей дрібнозернистих бетонів при енергії гамма-випромінювань: 1- 60 кеВ; 2- 121 кеВ; 3 - 661 кеВ; 4 - 1270 кеВ

Додавання до складу дрібнозернистого бетону дисперсного металевого наповнювача призводить до підвищення його радіаційно-екрануючої здатності, що пояснюється додатковими ефектами поглинання, відбивання і розсіювання гамма-квантів в процесі взаємодії з металевим наповнювачем та поглинанням короткохви-льового електромагнітного випромінювання збудженим всередині струмопровідної матриці металонасиченого композиційного матеріалу полем протидії. При змен-шенні питомого опору зразків від 106 до 102 Омм, товщина радіаційно-захисного екрану знижується на 64 %. Класичне твердження про підвищення екрануючих властивостей бетону від іонізуючих випромінювань при збільшенні середньої густини матеріалу може бути доповнене ще й наявністю додаткового захисного ефекту завдяки підвищенню його струмопровідної здатності.

Якісні показники захисту бетелу-м від штучних джерел рентгенівських вип-ромінювань досліджували з використанням методики променевої діагностики в жорсткому режимі опромінення. Критерії задовільних екрануючих властивостей зразків бетелу-м, звичайного дрібнозернистого і баритового бетонів встановлювали за зображенням на рентгенівському знімку металевого предмету, розташованого за радіаційно-захисним матеріалом. В результаті виконаних досліджень встановлено, що бетел-м при товщині екрану 0.047 м відповідає за захисними властивостями традиційним баритовим штукатуркам товщиною 0.038 м. Задовільні показники спеціальних властивостей для звичайного дрібнозернистого бетону отримані при товщині екрану 0.368 м. Таким чином, результати дослідження спеціальних властивостей дрібнозернистих бетонів, підтверджують можливість використання бетелу-м для захисту від гамма- і ренгенівського випромінювань як альтернативи традиційним дорогим баритовим штукатуркам.

Після проведення узагальнення результатів досліджень радіаційно-захисних властивостей зразків дрібнозернистого металонасиченого бетону від іонізуючих випромінювань в діапазоні енергій гамма-квантів 60 - 1270 кеВ, виявлено хвилеподібні ефекти з чітко вираженими максимумами і мінімумами в зміні значень товщини шару половинного послаблення інтенсивності іонізуючих випромінювань в товщині матеріалу екрану (рис. 3.).

Рис. 3. Вплив енергії гамма-квантів на зміни радіаційно-захисних властивос-тей зразків: 1 - дрібнозернистого бетону (1800 кг/м3); 2 - бетелу-м (2100 кг/м3);3 - бетелу-м (2350 кг/м3); 4 - бетелу-м (2660 кг/м3)

Виявлений характер змін радіаційно-захисних характеристик зразків дрібнозернистих бетонів в спектрі енергій гамма-квантів 60 – 1270 кеВ також простежується для елементів з порядковими номерами від 13 до 82 і пояснюється впливом процесів взаємодії потоку випромінювань з елементами структури матеріалу. В даному випадку хвилеподібність змін спеціальних властивостей матеріалів пояснюватиметься якісними характеристиками процесів взаємодії випромінювань із складовими елементами матеріалу екрану, які залежать від природи радіації, компонентного складу і фізичних властивостей поглинача та режимів опромінення і характеризується сингулярними ефектами.

Явище сингулярності вказує на аномальність тенденції прояву властивостей зразків при зміні тих чи інших параметрів і є найбільш характерним для дисперснонаповнених композиційних матеріалів. До таких також можна віднести і бетел-м, його радіаційно-захисні властивості змінюються в залежності від рецептурно-технологічних параметрів виготовлення зразків і режимів опромінення. Враховуючи процеси взаємодії випромінювань з елементами структури бетелу-м (ефективний порядковий номер матеріалу в залежності від компонентного складу сировинних сумішей знаходиться в межах 14.5 - 21.6), можна зробити висновок, що наявність металевого компоненту і струмопровідної матриці в складі композиту та різні механізми взаємодії накладаються на ефекти сингулярності радіаційно-захисних властивостей бетелу-м.

П’ятий розділ присвячений дослідному впровадженню та розрахунку економічного ефекту від використання бетелу-м як альтернативи традиційним баритовим покриттям. Металонасичені дрібнозернисті бетони впроваджені під час будівництва приміщень променевої діагностики соматичної лікарні при установі ІВ 301/81 у Вінницькому районі. В результаті розрахунку вартості сировинних матеріалів суміші бетону електротехнічного металонасиченого і будівельних робіт по влаштуванню монолітного радіаційно-захисного покриття з бетелу-м, як альтернативи баритовим штукатуркам, отриманий позитивний економічний ефект, який дорівнює 61,5 гривень на 1м2 екрану біологічного захисту.

ВИСНОВКИ

1. Теоретично обгрунтовано і експериментально підтверджено можливість отримання спеціального бетону з підвищеними радіаційно-захисними влас-тивостями порівняно із звичайним бетоном при спільномірній середній густині завдяки використанню в його складі реакційно-здатного металевого мікрона-повнювача.

2. Встановлено, що додавання до компонентного складу дрібнозернистого бетону порошків заліза до 36 мас % призводить до зростання фізико-механічних ха-рактеристик зразків металонасиченого композиту. Міцність на стиск вібро-ущільнених зразків збільшується від 41 до 49 МПа, а показник щільності структури від 0.76 до 0.83. При подальшому збільшенні вмісту металевого наповнювача простежується зменшення фізико-механічних властивостей матеріалу.

3. Фізико-хімічними методами досліджень встановлено, що використання окислених порошків заліза в складі бетелу-м призводить до утворення в структурі композиційного матеріалу залізовміщуючих гідросилікатів і гідрогранатів. Збільшення вмісту реакційно-здатного наповнювача до 70 мас % супроводжується виразними ендотермічними ефектами дегідратації залізистих гідратованих сполук при температурах 120, 135, 160, 295 - 370 і 640 -7400С та зростанням екзотермічних ефектів модифікаційних перетворень і окислення заліза в інтервалах температур 240 - 350, 480 - 580 і 800 -9000С, характерних для очищеного шламу сталі ШХ-15. Додавання хімічних добавок призводить до сповільнення росту кристалів продуктів гідратації цементу. Втрати маси проб з окисленим металевим шламом на 45-50 % менші ніж в зразках із стандартними порошками заліза. На рентгенограмах металонасиченого цементного каменю виявлено збільшення ліній оксидів заліза.

4. Встановлено, що бетел-м має щільну (з незначною кількістю замкнутих пор) рівномірно-зернисту структуру, представлену упаковкою агрегатів взаємопроникаючих фаз. Щільність мікроструктури металонасиченого композиту змінюється в залежності від ступеня розрідження метало-цементної пасти і технології формування зразків-моделей радіаційно-захисного екрану. Реакційна здатність окислених порошків заліза підтверджується виявленими на поверхні металевого наповнювача продуктів гідратації в'яжучого. Бетон електротехнічний металонасичений може бути представлений, як багатошаровий композиційний матеріал з великою поверхнею розподілу фаз, що зумовлює його радіаційно-захисні властивості.

5. Розроблено оптимальні рецептурно-технологічні параметри бетелу-м для виготовлення екранів біологічного захисту від іонізуючих випромінювань. З віброущільнених розчинів (П12) отримані зразки середньою густиною 2100 кг/м3 і міцністю на стиск 5МПа. Методом статичного пресування жорстких сумішей виготовлені плитки з середньою густиною 2870 кг/м3 і Rст = 10МПа, які відповідають експлуатаційним вимогам, встановленим для таких радіаційно-захисних матеріалів.

6. Досліджено вплив технологічних і струмопровідних властивостей бетелу-м на його кількісні характеристики процесів послаблення гамма-випромінювань. Для енергій гамма-квантів 60 – 1270 кеВ товщина радіаційно-захисного екрану з бетелу-м зменшується на 55 – 18 % порівняно із звичайним бетоном при спільномірній середній густині. Послаблення іонізуючих випромінювань бетелом-м відбувається як у результаті відбивання, поглинання і розсіювання гамма-квантів поверхнею металевого наповнювача так і за рахунок омічних втрат при збудженні в об’ємі електропровідної матриці магнітного поля протидії. При зменшенні питомого опору зразків від 106 до 102 Омм значення товщини шару половинного послаблення інтен- сивності гамма-квантів зменшується на 50%.

7. Виявлено, що значення радіаційно-захисних характеристик металонасиче-ного композиту для енергій гамма-випромінювань 60 - 1270 кеВ підпорядковуються ефектам сингулярності з чітко вираженими максимумами і мінімумами. Дане явище пояснюється перш за все процесами взаємодії випромінювань з поглинаючою речовиною, а також його фізичною природою. Результатами досліджень якісних радіаційно-захисних характеристик встановлено, що товщина екрану з бетелу-м зменшується у 2.8 рази порівняно із звичайним бетоном при спільномірній се- редній густині і дорівнює товщині традиційних баритових штукатурок.

8. Дрібнозернисті металонасичені бетони впроваджені як спеціальні штука-турні покриття під час будівництва приміщень променевої діагностики соматичної лікарні при установі ІВ 301/81. Ефективність використання бетелу-м як альтернати-ви традиційним дорогим баритовим штукатуркам пояснюється його задовільними радіаційно-екрануючими характеристиками та доступністю сировинних матеріалів. При еквівалентних характеристиках біологічного захисту, порівняно із баритовими покриттями, для металонасичених бетонів вартість сировинних матеріалів зменшується у 14.5 раз, витрати на оплату праці будівельників у 2.4 рази, а трудоємність робіт по виготовленню захисту в 2.2 рази. Економічний ефект від впровадження 1м2 спеціального покриття з бетону електротехнічного металонасиченого дорівнює 61.5 грн.

Основні положення дисертації викладено в працях

1. Несен Л.М., Сердюк В.Р., Христич О.В. Моделювання та оптимізація рецептурно-технологічних факторів отримання нагрівачів із цементно-шламових композицій//Вісник Вінницького політехнічного інституту.- Вінниця: ВДТУ, 1995.- №4.- С. 9 - 11.

2. Сердюк В.Р., Лемешев М.С., Христич О.В. Фізико-хімічні особливості формування структури електропровідних бетонів//Вісник Вінницького політехнічного інституту. - Вінниця: ВДТУ, 1997.- №2.- С. 5 - 9.

3. Христич О.В., Лемешев М.С. Формування мікроструктури бетонів для захисту від іонізувального випромінювання// Вісник Вінницького політехнічного інституту.- Вінниця: УНІВЕРСУМ, 1998.- №2.– С. 18 - 23.

4. Христич О.В. Снижение уровня радиационных воздействий на организм человека бетелом – м//Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. Композиційні матеріали для будівництва.- Макіївка: ДонДАБА, 1999.- №2(16).- С. 147-149.

5. Сердюк В.Р., Христич О.В., Берсіров І.П. Дослідження впливу окремих факторів на захисні властивості бетелу-м від радіації// Зб. наук. пр. “ІІ Всеукраїнська науково-технічна конференція. Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону.”- Київ: НаУКМА, 1999.- С. 532 - 536.

6. Сердюк В.Р., Несен Л.Н., Христич А.В. Влияние вибропрессующих воз-действий на формирование структуры бетэла-м//Материалы ІІ междунар. научн.-техн.