УКРАЇНСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ І ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСЬКИЙ ІНСТИТУТ БУДІВЕЛЬНИХ

МАТЕРІАЛІВ ТА ВИРОБІВ “НДІБМВ”

Жук Микола Миколайович

УДК 691.327:699.887

СПЕЦІАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ БЕТОНІВ, МОДИФІКОВАНИХ СІРКОЮ

05.23.05 – Будівельні матеріали та вироби

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – Львів - 2002

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Українському науково-дослідному і проектно-конструкторському інституті будівельних матеріалів та виробів “НДІБМВ” Української державної корпорації промисловості будівельних матеріалів.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Орловський Юрій Ігорович, Національний університет “Львівська політехніка”, кафедра автомобільних шляхів, професор

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Сердюк Василь Романович, Вінницький державний технічний університет, завідувач кафедри менеджмент організацій;

доктор технічних наук Федоркін Сергій Іванович, Кримська академія природоохоронного і курортного будівництва, завідувач кафедри технології будівельних матеріалів і конструкцій.

Провідна установа: Київський національний університет будівництва і архітектури (м. Київ), кафедра будівельних матеріалів Міністерства освіти і науки України

Захист відбудеться 13.06.2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.085.01 при Одеській державній академії будівництва і архітектури за адресою: 65029 м. Одеса, вул. Дідріхсона 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеської державної академії будівництва і архітектури за адресою: 65029 м. Одеса, вул. Дідріхсона 4.

Автореферат розісланий 12.05.2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

к.т.н., доцент ____________ Макарова С.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення довговічності будівельних матеріалів і конструкцій при різних впливах є актуальною проблемою будівництва. Сучасний розвиток техніки і технологій сприяє появі нових агресивних факторів і їхніх різних сполучень, що діють на будинки і споруди.

В даний час, у зв'язку зі значним погіршенням радіаційної обстановки, необхідністю надійної консервації радіоактивних відходів і відпрацьованих атомних енергоблоків, створення високоефективних і недорогих радіаційно-захисних матеріалів є важливою науковою задачею, що має велике практичне значення.

Не менш важливі задачі висуває сучасна енергетика перед енергетичним будівництвом і електрифікованим транспортом, що вимагають зростаючих обсягів матеріалів і конструкцій, здатних сприймати електричні впливи в результаті функціонування рейкового, трубопровідного транспорту, гідротехнічних систем і систем комунального господарства, підприємств, що споживають електроенергію в технологічних цілях. Як правило, будівельні конструкції і матеріали працюють у складних експлуатаційних умовах при одночасному впливі різних факторів, у тому числі електрохімічних, радіаційних, біохімічних і широкому діапазоні силових навантажень. Тому розробка нових ефективних будівельних матеріалів, призначених для сприйняття цих факторів і навантажень є однією з основних задач сучасного матеріалознавства.

В останні роки сторіччя, що пішло, в Україні в матеріалознавстві розробляється новий напрямок - модифікування бетонів сіркою, в основі якого лежать дві технології - використання сірки в якості термопластичного в’яжучого і речовини для просочення пористих матеріалів з метою підвищення фізико-механічних характеристик і довговічності. Структура сірки і її специфічні властивості, зокрема, здатність до полімеризації, низька діелектрична проникність, високий електроопір і магнітна сприйнятливість дозволяють вважати її перспективним компонентом багатьох композиційних матеріалів спеціального призначення. Перспективність напрямку обґрунтована також наявністю в західному регіоні України найбільших у Європі родовищ сірчаних руд, що є сировиною для одержання сірки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до Державної науково-технічної програми "Ресурсозбереження" у складі комплексного проекту 04.06.02. 001/12 “Створити технологію виробництва будівельних матеріалів і виробів на основі відходів промисловості”, затвердженої наказом ДКНТ України № 45 від 31.03.1993 р.

Метою роботи є розробка оптимальних складів і технології виготовлення бетонів і виробів, модифікованих сіркою, електроізоляційного і радіаційно-захисного призначень та встановлення закономірностей формування їхніх структур.

Задачі дослідження.

1.

2.

3. Вивчити електроопір і діелектричні властивості цементних бетонів, просо-чених розплавом сірки і бетонів на сірчаному в’яжучому.

4. Вивчити основні теплофізичні властивості і коефіцієнти лінійного темпера-турного розширення бетонів при підвищених температурах.

5. Експериментальним шляхом визначити й оцінити коефіцієнти ослаблення іонізуючого -випромінювання.

6. Визначити основні технологічні параметри виготовлення й області застосу-вання розроблених матеріалів і оцінити їхню потенційну техніко-економічну ефективність.

Дослідження в цьому напрямку проведені на Україні вперше.

Фізико-механічні властивості бетонів вивчали за допомогою різних стандартних і широко відомих спеціальних методик, у тому числі нормованих ДСТ.

Об’єктом дослідження в даній роботі є вивчення закономірностей зміни електричних, теплофізичних і радіаційно-захисних властивостей бетонів, модифікованих сіркою.

Предмет дослідження – склади бетонів, модифікованих сіркою – цементні, просочені розплавом сірки і сірчані на основі модифікованого сірчаного в’яжучого.

Методи дослідження. Питомий електроопір зразків визначався при постійному струмі за допомогою 4-х електродного методу вимірювань. Діелектричні характеристики визначались за допомогою куметра типу Е9-4. Теплофізичні характеристики визначали комплексним методом НДІБМіВ (м. Київ), на пристроях УТСМ – 1 і Фокіна. Температурні деформації вимірювали кварцовим дилатометром ДКВ – 2, на спеціальному пристрої, розробленому Львівським філіалом НДІБМіВ разом з фізико–механічним інститутом АН України і на пристрої на основі термо-шафи з автоматичним регулюванням температури. Лінійні коефіцієнти - випромі-нювання визначались на пристроях Національних університетів ім. Т.Г. Шевченка (м. Київ) та ім. І.Я. Франка (м. Львів).

Наукова новизна отриманих результатів. Одержала подальший розвиток технологія бетонів, модифікованих сіркою. Науково обґрунтоване використання сірки для стабілізації електричних властивостей цементних бетонів, висушених до постійної маси. Уперше вивчені діелектричні і радіаційно-захисні характеристики сірчаних мастик і бетонів з використанням модифікованої сірки, встановлені закономірності формування їхніх структур і виявлені причини зниження характеристик у часі. Отримано нові дані про теплофізичні характеристики і коефіцієнти лінійного температурного розширення досліджених бетонів.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені і запропоновані робочі склади і рекомендації з технології виготовлення електроізоляційних і радіаційно-захисних сірчаних бетонів. Розроблено технологію стабілізації електро-ізоляційних властивостей цементних бетонів шляхом просочення їх розплавом сірки. На основі проведених досліджень розроблені "Методичні рекомендації з технології виготовлення, методів випробувань і застосування композицій та бетонів, модифікованих сіркою, з підвищеними діелектричними характеристиками".

Впровадження результатів досліджень проводилося в період ремонту і реконструкції цеху деревообробки промбази проектно-промислового будівельного об'єднання “Електрон” при виготовленні й електромонтажних роботах електророзподільних щитів із сірчаної мастики і бетону, а також при капітальному ремонті фундаментів під портали ВРП 35-220 кВт “Роздол” монолітним електроізоляційним сірчаним бетоном в об’ємі 124 м3. Економічний ефект в умовах ТзОВ “Розділспецбуд” складає 29807 грн.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати досліджень отримані автором самостійно: аналіз технічної літератури, розробка методик досліджень, проведення експериментів і обробка отриманих результатів. У співавторстві з науковим керівником виконувалася наступна робота: постановка задач дослідження, аналіз і обговорення отриманих результатів і висновків. У співавторстві з колегами розроблені “Методичні рекомендації з технології виготовлення, методів випробувань і застосування композицій та бетонів, модифікованих сіркою, з підвищеними діелектричними характеристиками”. Впровадження результатів досліджень проводилося при особистій участі автора.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідалися на наступних семінарах і конференціях: 38,39,40 і 41 міжнародних семінарах по моделюванню й оптимізації композитів, Одеса, 1999, 2000, 2001 і 2002; Міжнародній конференції: “Бетон і бетонні конструкції”. Жиліна, Словаччина, 1999; Міжнародній науковій конференції: “Динаміка цивільних і транспортних конструкцій”, Віхне, Словаччина, 2000; V Міжнародній науковій конференції: “Актуальні проблеми будівництва й інженерії довкілля”, Жешув, Польща, 2000; XXXI Всеросійській науково-технічній конференції: “Актуальні проблеми сучасного будівництва”, Пенза, Росія, 2001; VI Міжнародній науковій конференції : ”Актуальні проблеми будівництва й інженерії довкілля”, Львів, 2001.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 14 статтях у наукових журналах і збірниках наукових праць, у тому числі в 5-ти спеціалізованих виданнях, затверджених ВАКом України, у 9-ти тезах і доповідях на семінарах і конференціях і 2-х патентах України.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти глав, висновків, списку літератури з 155 найменувань і двох додатків. Загальний обсяг – 242 сторінки, в тому числі 126 сторінок основного тексту, 61 рисунок і 50 таблиць.

ЗАГАЛЬНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі досліджень, наведено основні наукові результати, показано їх практичне значення й області реалізації.

Перший розділ дисертації присвячений критичному аналізу стану питання і обгрунтуванню використання сірки в якості просочуючої речовини та термопластичного в'яжучого для отримання електроізоляційних та радіаційно-захисних бетонів і виробів на їх основі.

Висушений до постійної маси цементний бетон характеризується високими діелектричними властивостями і відноситься до діелектриків (об’ємний електроопір = 109-1011 Ом·м, = 6-10, tg = 0,05-0,20). Однак його електроопір є найбільш чуттєвою характеристикою до зміни зовнішніх умов експлуатації й особливо вологості. При зволоженні сухого бетону його електричний опір може змінюватися на кілька порядків і переводить його спочатку в напівпровідника, а при подальшому зволоженні діелектричні властивості такого бетону можуть цілком зникнути.

Є позитивний досвід використання хімічних добавок (поверхнево-активних речовин, іонообмінних смол, бітумних емульсій) з метою поліпшення діелектричних властивостей цементних бетонів. Однак достатня стабільність цих властивостей у процесі експлуатації бетону не забезпечується

Найбільш ефективними для одержання бетонів з поліпшеними діелектричними властивостями є речовини і методи обробки, що дають можливість направлено створити замкнено-пористу структуру цементного каменю й охоронити весь об’єм бетону від проникнення в нього вологи на завершальних стадіях виготовлення виробів і конструкцій. До таких методів обробки відносяться різні методи просочення бетону, зокрема мономерами з наступним їхнім твердінням і полімеризацією радіаційним чи термокаталітичним способами.

При всій ефективності цих методів просочення, використовувані як просочуюча речовина - мономери, маючи органічну природу, недостатньо довговічні, а складність технології полімеризації і висока вартість перешкоджають їх широкому практичному застосуванню.

У 70-і роки, в Україні (Львівська філія НДІБМ) під керівництвом Ю.І. Орловського разом з НДІЗБ (Москва), були початі роботи з дослідження властивостей і розробки технології цементних бетонів, просочених розплавом сірки і сірчаних бетонів. У результаті проведених досліджень був створений новий напрямок у будівельному матеріалознавстві - розробка на основі сірки і сірчаного в’яжучого нових композиційних матеріалів і, зокрема, полімерсірчаних мастик і бетонів.

Об'єктами дослідження даної дисертації є два види бетонів: цементний бетон, просочений розплавом сірки і сірчаний бетон, що принципово відрізняються технологією виготовлення, властивостями, структурою й областями практичного застосування. Однак загальним для них є використання сірки: у першому випадку як просочувальної речовини, у другому - як в’яжучого мінеральних компонентів бетону. Для досягнення поставленої мети і рішення задач досліджень були висунуті наступні гіпотези.

Перша, що стосується цементних бетонів, просочених розплавом сірки, була сформульована в такий спосіб. Кольматація капілярно-пористої структури цементного бетону сіркою, що за своїми властивостями відноситься до діелектриків, повинна привести до підвищення не тільки фізико-механічних, але і діелектричних властивостей цементобетонних виробів при значному підвищенні їхньої водонепроникності і зниженні водопоглинання, що забезпечить стабільність цих властивостей в умовах експлуатації виробів.

Другу гіпотезу, що відноситься до сірчаного бетону, можна сформулювати в такий спосіб. При зв’язуванні щільних мінеральних матеріалів, які характеризуються в сухому стані високим електричним опором, такою гідрофобною речовиною з високими діелектричними характеристиками як сірка, дозволить одержати високощільні водонепроникні бетони з високими діелектричними властивостями.

Питання впливу -випромінювання на зміну властивостей сірки і її використання в композиційних матеріалах, що піддаються дії іонізуючого випромінювання в технічній літературі практично не висвітлені. Відомо, що більшою радіаційною стійкістю володіють мінерали із симетричною структурою, координаційної і каркасної будови. Сірка відома в двох кристалічних модифікаціях: ромбічній і моноклинній, але тільки перша стійка в нормальних умовах.

З огляду на кристалічну будову сірки можна припустити, що її радіаційна стійкість буде не нижче стійкості мінералів класу окислів, що складають основу бетонів і відомих своєю радіаційною стійкістю, а полімерна модифікація сірки і вода приблизно еквівалентні за ефектом дозового фактору нагромадження часток проникаючих випромінювань. Останнє дає підставу припускати високу ефективність полімерсірчаного в’яжучого як радіаційно-захисного матеріалу.

В другому розділі приведені характеристики вихідних матеріалів, технологія виготовлення дослідних зразків, методи і методики їх випробувань.

При виготовленні цементних бетонів, призначених для стабілізації їхніх властивостей шляхом просочення розплавом сірки, використовувалися: портландцемент Миколаївського заводу і кварцовий пісок Ясинецького кар’єру Львівської обл. з модулем крупності 1,5. Як крупний заповнювач використовувався гранітний щебінь фракцій 5-10 мм Кльосовського кар’єру Рівненської обл.

Як просочувальна речовина і в’яжуче мінеральних компонентів, а також як добавка, у випадку коректування складу сірчаної вапнякової руди використовувалася природна сірка Язівського родовища Львівської обл., що отримується методом підземної виплавки.

Модифікатором сірки при дослідженнях був дициклопентадієн кам’яновугільний (ДЦПД), який отримують при переробці фракцій сирого бензолу на Баглейському коксохімічному заводі Дніпропетровської обл. (ТУ 14-6-137-66).

При виготовленні сірчаної мастики були обрані наступні матеріали: кварцовий пісок, вапнякова сірчана руда, вапняк без вмісту сірки Язівського родовища сірчаних руд і менілітовий сланець родовища Верхнє Синєвидне Львівської обл. з водопоглинанням 0,4 %. Для виготовлення наповнювача матеріали подрібнювалися в кульовому керамічному млині до питомої поверхні 442-516 м2/кг. При дробленні і помелі вапняку, фракції більш 0,14 мм використовувалися в якості дрібного заповнювача при виготовленні зразків сірчаного бетону. Фракції 5-10 мм використовувалися як крупний заповнювач, щільність 1760 кг/м3, водопоглинання 15 %, міцність при стиску 18,3 МПа.

Армуючим компонентом служили відрізки алюмоборосилікатного скловолокна марки Ж-04 (тип Е) довжиною 0,03 м, отримані шляхом різання склоровінгу, питомий електроопір 1,9106 Омм, діелектрична проникність 6,32 при частоті 106 Гц.

Зразки з цементного бетону, призначені для просочення сіркою, після виготовлення за звичайною технологією і нормальним твердінням, з метою видалення води, піддавалися сушінню до постійної маси з наступним просоченням сіркою при температурі 155 °С (розплав сірки мінімальної в’язкості). Модифікування сірки ДЦПД (5 % від маси сірки) проводилося в термостаті з вертикальною мішалкою.

Сірчану мастику і бетон виготовляли за роздільною технологією (рис.1).

У програму досліджень входило визначення наступних характеристик: питомого електроопору, діелектричної проникності і тангенса кута діелектричних втрат. Дослідження супроводжувалися фізико-механічними дослідженнями зразків-близнюків методами, передбаченими діючими ДСТ. Для виміру питомого електроопору при дії постійного струму використовувався 4-х електродний метод, заснований на вимірі різниці потенціалів між двома точками зразка розміром 0,04х0,04х0,16 і 0,1х0,1х0,4 м, які знаходяться між живильними електродами. Діелектричні характеристики визначали за допомогою куметра типу Е9-4, призначеного для виміру ємності і тангенса кута втрат конденсаторів.

Визначення теплофізичних характеристик: теплопровідності, температуро-провідності, теплоємності і теплової активності здійснювалося за методикою О.Д. Паращенко в НДІБМВ (Київ). Для порівняльного аналізу коефіцієнти теплопровід-ності визначалися за методикою ГОСТ 7076-87 на установках УТСМ-1 (Київ) і Фокіна.

Вимір температурних деформацій зразків проводили кварцовим дилатометром ДКВ-2 (зразки сірки і мастики циліндричної форми, діаметр 0,005, довжина 0,05 м) і на пристрої, розробленому Львівською філією НДІБМВ разом з фізико-механічним інститутом АН України (Львів), а на рівні макроструктури (бетон) використовували установку на основі термошафи з автоматичним регулюванням температури і зразки розміром 0,04х0,04х0,16 м.

1 2

Лінійні коефіцієнти ослаблення - випромінювання обчислювалися на основі закону Ламберта-Бугера за результатами вимірів проходження радіоактивного випромінювання (джерело випромінювання ізотоп Со60) через зразок на установках Національних університетів ім. Т.Г. Шевченка (Київ) та ім. І.Я. Франка (Львів).

Статистична оцінка результатів вимірів проводилась за коефіцієнтом варіації при нор-мальному розподілі і довірчій імовірності 0,95 з обчисленням коефіцієнтів однорідності К=1–3Сv.

Третій розділ присвячений дослідженню діелектричних властивостей цемент-них бетонів, просочених розплавом сірки і сірчаних мастик та бетонів.

Результати вимірів електричних властивостей бетонів, модифікованих сіркою дозволяють зробити наступні висновки.

Високий питомий електроопір сухих цементних бетонів порядку 1011-1012 Омм, знижується у вологих до 104-105 Омм і падає до декількох Омм при повному водонасиченні бетону. Ця обставина обумовлюється високою пористістю і водо-газопроникністю цементних бетонів та наявністю в них електролітів - розчинів солей і основ.

Питомий електроопір висушеного до постійної маси і просоченого розплавом сірки цементного бетону збільшується з 104-105 до 1012 –1013 Омм; розплавом сірки, модифікованої 5 % ДЦПД від маси сірки - до 1014-1015 Омм.

Основною причиною зниження електроопору і діелектричних властивостей бетону є зволоження як у результаті адсорбційного, так і дифузійного переносу вологи, причому в непросоченого бетону переважає перший, а в просоченого - другий.

Перевірка стабільності електроопору і діелектричних характеристик, просочених сіркою зразків протягом 200 діб в різних температурно-вологісних умовах показала наступне:

- при випробуванні зразків у нормальних умовах ( = 40-60 %, Т = 20 5 °С) не було зафіксовано збільшення вологості бетону, завдяки чому електричні властивості залишилися практично без змін;

- в атмосфері, насиченій парами води, та при підвищеній температурі ( = 70-90 %, Т = 60-80 °С) була помітна зміна електричних властивостей у прямій залежності від вологості, однак вони залишалися досить високими, що пояснюється низькою вологістю зразків, яка складала не більше 1,5 % за масою;

- при збереженні зразків у воді (Т = 20-25 °С) в результаті водонасичення їхні електричні властивості змінилися на один-два порядки.

Зразки, просочені модифікованою сіркою у всіх випадках мали більш високі значення електроопору, які співставні з цими ж величинами цементних бетонів, просочених мономерами з наступною їх полімеризацією термокаталітичним чи -радіаційним способами. Це пояснюється аморфно-кристалічною структурою сірки, що менш чуттєва до температурних змін і більшою адгезією до компонентів цементної матриці.

Для одержання бетонів з високими діелектричними властивостями і їх високою стабільністю, необхідно режим сушіння цементного бетону перед просоченням приймати згідно рекомендацій А.Ф. Бернацького для одержання електроізоляційних цементних бетонів. У цьому випадку з пор і капілярів буде вилучена не тільки вільна вода, але і частина фізичної і кристалохімічної, що підвищує електроопір бетону з 104-105 до 109-1011 Омм.

Оскільки при збільшенні віку бетону з моменту його виготовлення до моменту просочення розплавом сірки в структурі підвищується кількість хімічно зв’язаної води, що видаляється тільки при прожарюванні бетону, сушіння і просочування цементного бетону варто робити в “молодому” віці при максимальній кількості вільної води, що видаляється при “шкодуючих” структуру бетону температурах (не вище 120 °С).

У результаті вимірів коефіцієнта паропроникності за ГОСТ 12852 непросочених і просочених сіркою зразків встановлено, що зниження паропроникності приводить до зниження дифузійного масопереносу вологи і сприяє збільшенню електроопору та стабілізації діелектричних характеристик цементного бетону, просоченого розплавом сірки.

Розрахунок електроопору цементного бетону в залежності від вологості можна робити за залежністю, що встановлена для бетону, просоченого петролатумом з відповідною зміною коефіцієнта структури (А) і показника (n), що відображає зниження електропровідності з ростом вологості (W) у рівнянні на основі матричної моделі, запропонованої В.І. Одолевським вигляду:

. (1)

Порівняльний аналіз піщаного бетону, просоченого петролатумом, як найбільш ефективного технологічного рішення, з аналогічним бетоном, просоченим сіркою (табл.1) показав, що просочення сіркою не тільки не знижує електричні властивості попередньо висушеного бетону, але і, у випадку просочення модифікованою сіркою, підвищує на порядок електроопір і знижує діелектричну проникність бетону. Причину цього варто шукати в особливостях структури і властивостей полімерної модифікації сірки, що вимагає спеціальних фізико-хімічних і електрофізичних досліджень.

Випробування сірчаних мастик і бетонів показали, що одним з факторів, які визначають електричні властивості, як і для цементних бетонів, є наявність вологи. Навіть незначне її попа-дання в структуру матеріалу викликає зниження електроопору і підвищення електропровідності.

Технологія виготовлення сірчаних мастик і бетонів передбачає введення до складу суміші висушених до постійної маси мінеральних матеріалів, тому вплив їхньої вологості відіграє менш помітну роль, ніж при технології виготовлення і наступній експлуатації цементного електроізоляційного бетону. Однак, навіть при сушінні мінеральних компонентів на їх поверхні й у структурі, особливо при використанні пористих компонентів, залишається хімічно зв’язана вода, що відіграє досить значну роль у електроопорі.

Сірчані мастики і бетони характеризуються низькою експлуатаційною вологістю, яка з часом змінюється незначно, тому у твердій фазі цих матеріалів визначальну роль у забезпеченні високих електроізоляційних властивостей відіграє сірка з її високим електроопором = 1019 Омм, у той час як мінеральні складові мають опір порядку 107 - 1014 Омм.

Таблиця 1

Порівняльні характеристики піщаного цементного бетону, просоченого петролатумом і сіркою

Характеристика | Петро-латум | Сірка криста-лічна | Бетон електро-ізоляційний | Бетон, просочений

петрола-тумом | сіркою | модифікова-ною сіркою

Питомий електроопір, Ом•м | 1011-1012 | 1015-1017 | 109-1011 | 1012 | 1012 | 1013

Діелектрична проникність | 3 - 4 | 3,5 – 4,6 | 6 - 10 | 5 | 5,2 | 3,5

Тангенс кута діелектричних втрат | 0,01-0,05 | 0,02 | 0,05-0,2 | 0,03 | 0,025 | 0,012

Коефіцієнт діелек-тричних втрат | 0,03-0,20 | 0,08 | 0,3-2,0 | 0,15 | 0,13 | 0,04

Електроізоляційні властивості сірчаних мастик і бетонів залежать також від виду наповнювачів і заповнювачів, їхньої пористості і кількості в їх структурі адсорбційної хімічно зв’язаної води. Наповнення мастики меленим менілітовим сланцем і модифікування сірки дициклопентадієном підвищує, у порівнянні із силікатними і карбонатними наповнювачами, електроопір і знижує електропровідність. Це свідчить про високі гідрофобізуючі властивості наповнювача і сприятливий вплив аморфно-кристалічної структури модифікованої сірки на електрофізичні властивості (табл.2).

Таблиця 2

Усереднені характеристики сірчаних мастик (С:Н=1:2), наповнювач молотий менілітовий сланець

Характеристика | Сірка немодифі-кована | Сірка модифі-кована | Сірчана склофібромастика

Сірка немодифікована | Сірка модифікована

Міцність при стиску, МПа | 60,7 | 62,3 | 59,6 | 64,6

Те ж, при розтягу, МПа | 15,3 | 17,9 | 18,1 | 19,6

Питомий електроопір, Омм | 7,21017 | 2,21018 | 7,51017 | 1,21018

Діелектрична проникність | 1,10 | 0,94 | 1,02 | 0,94

Тангенс кута діелектричних втрат tg10-2 | 0,60 | 0,53 | 0,55 | 0,54

Електроопір сірчаних бетонів нижчий, ніж мастик, оскільки вміст сірки складає 11-14 %, у той час як у мастиках 33-40 %.

При вивченні впливу температури на величину питомого електроопору встановлено, що в інтервалі температур 20-80 °С він знижується в пропорційній залежності від температури і за величиною залежить від вмісту сірки, її модифікованого стану, виду наповнювачів і заповнювачів. Для зразків з використанням модифікованої сірки рівень значень при 80 °С залишався на один-два порядки вище, ніж у зразків аналогічного складу, виготовлених на немодифікованій. Найбільш високі показники показали склади з використанням у якості наповнювача менілітового сланцю, які, за цим критерієм, рекомендуються для сірчаних бетонів електроізоляційного призначення.

Дисперсне армування мастики відрізками скловолокна (l = 30 мм, = 1,8 %) практично не вплинуло на зміну електричних характеристик через незначну кількість волокна в порівнянні із сіркою. Найбільш значний ефект армування - в підвищенні опору мастик розтягу при згині і тріщиноутворенню.

При водонасиченні зразків протягом 30 діб було зафіксоване підвищення електричної провідності в прямій залежності від кількості вологи, що потрапила в структуру. Однак відсутність активної капілярно-пористої системи, висока гідрофобність сірки і менілітового сланцю забезпечували низьку і досить стабільну електропровідність у межах 1-3 (для мастики) і 3-9 (для бетонів), у той час як цементний бетон у цих умовах мав >10. При цьому мінімальне водопоглинання було зафіксовано для зразків на менілітовому сланці і модифікованій сірці, складаючи для мастик 0,07, а для бетону 0,1 %.

У четвертому розділі наведені результати вимірювань та аналіз теплофізичних і радіаційно-захисних властивостей бетонів, модифікованих сіркою, на основі яких можна зробити наступні висновки.

Просочення висушеного до постійної маси цементного бетону розплавом сірки не робить істотного впливу на величину теплопровідності, що залежить від об’ємної маси і вологості бетону, оскільки, з одного боку, сприяє меншій залежності теплопровідності від вологості, а з іншого боку - збільшує об’ємну масу бетону прямопропорційно кількості поглиненої сірки, що підвищує коефіцієнт теплопровідності. Модифікування сірки, у результаті якого в її структурі з’являється аморфна складова, сприяє зниженню теплопровідності як цементного бетону, просоченого сіркою, так і сірчаного на основі сірчаного в’яжучого.

Сірка характеризується низькою теплопровідністю і її наповнення тонкомолотими мінеральними домішками з більш високою теплопровідністю приводить до підвищення коефіцієнта теплопровідності як мастик, так і бетонів. При вимірах теплового розширення сірчаних мастик і бетонів в інтервалі температур 20-80 °С встановлено, що для складів з однаковим об’ємним вмістом компонентів, величина коефіцієнта лінійного температурного розширення залежить від виду мінерального наповнювача, заповнювача і модифікованого стану сірки. З підвищенням температури коефіцієнти розширення збільшуються, при цьому мінімальне збільшення мають склади з використанням карбонатного наповнювача. Однак, з огляду на його підвищене водопоглинання, для електроізоляційного бетону рекомендується використання наповнювачів, що характеризуються високою гідрофобністю і відповідно низьким водопоглинанням.

Оцінку і прогнозування коефіцієнтів температурного розширення сірчаних мастик і бетонів можна робити розрахунковим способом, використовуючи залежності

, (2)

у свою чергу . (3)

При цьому варто експериментально коректувати величини деформативних характеристик при зміні температури компонентів, що входять у залежність для визначення їхніх модулів об’ємного стиску.

Основним випромінюванням, що визначає товщину захисту з цементного бетону, є - випромінювання. Встановлено, що інтегральні коефіцієнти поглинання - випромінювання для сірчаних і цементних бетонів у сухому стані практично однакові. Однак при енергії - кванта, рівній 1,332 Мев для сірки, мастики і бетону на її основі, спостерігається різке збільшення спектрального коефіцієнта поглинання - випромінювання, у той час як для цементного бетону коефіцієнт має тенденцію до зниження (рис.2).

Рис.2. Залежність спектрального коефіцієнта поглинання - випромінювання від енергії випромінювання

Встановлено, що при опроміненні сірки і сірковмісних композицій інтегральний і спектральний коефіцієнти поглинання при модифікуванні сірки і підвищенні вмісту модифікатора, у даному випадку дициклопентадієну, збільшуються. На нашу думку це зв’язано з тим, що ДЦПД складається з таких легких елементів як вуглець і водень, а відомо, що бетони, які складаються із суміші ядер легких елементів з ядрами елементів з відносно великою атомною масою, добре поглинають - випромінювання і сповільнюють нейтрони.

Оскільки в сірчаних бетонах хімічно зв’язана вода знаходиться в мінімальній кількості, а водопоглинання низьке, стабільність їхніх радіаційно-захисних властивостей є більш високою, чим звичайних бетонів, що дозволяє більш надійно прогнозувати їхні властивості в залежності від вологості навколишнього середовища.

Встановлено, що коефіцієнт радіаційної стійкості сірчаного бетону при опроміненні - випромінюванням більш високий, чим звичайного бетону. Це можна пояснити ефектом полімеризації сірки при її опроміненні - випромінюванням, встановленому при дослідженнях у відділі радіаційної хімії Інституту фізичної хімії АН України В.П. Гордієнко і Ю.І. Орловським. Ними показано (а.с. СРСР, 1205479), що іонізуюче випромінювання відіграє роль активатора полімеризації, подовжуючи ланцюг полімерної сірки і стабілізатора в результаті утворення поперечних зв’язків між цими ланцюгами.

Тут також можна погодитися з висновком Є.В. Корольова про те, що сірка діє як своєрідна “енергетична губка”, яка поглинає енергію випромінювання і розсіює її у вигляді тепла не зазнаючи при цьому значних змін.

Проведені дослідження дають підставу вважати, що - випромінювання є чинником, що забезпечує інтенсифікацію процесу полімеризації сірки, а збільшення полімерної модифікації до визначеної концентрації сприяє підвищенню міцності сірковмісних композицій у цілому при дії розтяжних зусиль.

Використовуючи розрахункову модель, запропоновану Є.В. Корольовим і отримані автором теплофізичні величини, проведений розрахунок, який підтверджує висновок, що при активності випромінювання джерела більше 10 Бк, сірчаний бетон може розігріватися при опроміненні до температури більш 80 °С і в цьому випадку виникає необхідність примусового охолодження захисного екрана.

П'ятий розділ присвячений питанням технології одержання бетонів, модифікованих сіркою електроізоляційного і радіаційно-захисного призначення, розробці оптимальних робочих складів і визначенню областей їх раціонального застосування.

Основною технологічною особливістю виготовлення електроізоляційних бетонних виробів на основі цементного бетону є їхня вторинна обробка - сушіння, з метою максимального видален-ня вільної, слабозв’язаної і кристалохімічної вологи, що міститься в пористій структурі бетону.

Режим сушіння бетонних виробів, призначених для електроізоляційних цілей, залежить від масивності і модуля поверхні виробів, температури сушіння і швидкості руху агента сушіння (за А.В. Ликовим) і встановлюється експериментальним шляхом для кожного виду виробів.

Стабілізація діелектричних властивостей висушених до постійної маси виробів проводиться шляхом повного чи часткового просочення розплавом сірки, що при твердінні кольматує капілярно-пористу структуру бетону, чим сприяє зниженню водопоглинання, газо- і водопроникності з одночасним підвищенням усіх фізико-механічних характеристик.

Температурно-часовий режим просочення виробів розплавом сірки залежить від структурної пористості бетону, геометричних розмірів, масивності і модуля поверхні виробів та встановлюється, як і при сушінні виробів, експериментальним шляхом.

В основі технології виготовлення електроізоляційного сірчаного бетону лежить модифікування структури сірки шляхом введення в розплав речовин, що стабілізують її в аморфно-кристалічному стані і тонкодисперсного наповнювача - меленого менілітового сланцю, що характеризується високим електроопором, водостійкістю і гідрофобністю, який відіграє роль структуроутворюючого компонента в сірчаному в’яжучому.

Проведені дослідження коефіцієнтів іонізуючого - випромінювання дозволяють рекомендувати сірчаний бетон як матеріал для біологічного захисту. Підвищення його радіаційно-захисних характеристик досягається введенням до складу чавунного дробу, оксиду свинцю, відходів виробництва оптичного скла (флінту) і металообробних виробництв. З метою підвищення фізико-механічних характеристик і тріщиностійкості електроізоляційних та радіаційно-захисних сірчаних бетонів у їх склад варто вводити відрізки алюмоборосилікатного скло-волокна, що забезпечує вибухобезпечність у випадку крихкого руйнування бетону.

Розроблені склади бетонів, модифікованих сіркою і технологія виготовлення виробів розширюють номенклатуру матеріалів, що використовуються в енергетичному, транспортному і промисловому будівництві. Володіючи високими фізико-механічними характеристиками і високою корозійною стійкістю такі бетони можуть знайти застосування в якості ефективних електроізоляційних і радіаційно-захисних матеріалів.

Електроізоляційні цементні бетони, властивості яких стабілізують шляхом просочення виробів і конструкцій розплавом сірки можна рекомендувати для виготовлення залізничних шпал, елементів колон і балок для підвіски проводів високої напруги, опор ліній електропередач, деяких спеціальних пристроїв у виді розподільчих стійок трансформаторів, плитних і фундаментних струмонесучих конструкцій.

Сірчані мастики і бетони рекомендуються для виготовлення струмонесучих бетонних і залізобетонних конструкцій і виробів на електрофікованому рейковому транспорті - магістральному, залізничному, міському (елементи опор контактної мережі, залізобетонні підрейкові основи, бетонні ізолятори контактної мережі метро), елементів мостів і шляхопроводів, струмообмежуючих реакторів, опорних конструкцій електролізних цехів, для влаштування ізолюючих футеровок та ізоляторів для електролізних ванн, у виді ізоляційних прошарків та обмазок залізобетонних, а також сталевих колон і стін, які знаходяться в ґрунтах з можливим впливом блукаючих струмів.

Радіаційно-стійкий сірчаний бетон може бути використаний для захисту від дії й уповільнення поглинання змішаного гама- і нейтронного іонізуючого випромінювання при будівництві будинків і споруд у районах з підвищеним радіаційним фоном, у якості ефективного захисного матеріалу при спорудженні сховищ радіаційних відходів, підлог, стін, перегородок поблизу атомних реакторів, закладенню тріщин і дефектів при ремонті огороджень, з’єднання бетонних плит при будівництві захисних споруд.

Потенційна техніко-економічна ефективність від застосування бетонів, модифікованих сіркою знаходиться в сфері зниження собівартості виготовлення бетонів і бетонних виробів за рахунок використання в якості захисного матеріалу сірки і техногенних відходів сірчаної, скляної і металообробної промисловості, підвищення технічних показників і якості виробів і конструкцій. Розрахунок економічного ефекту в умовах сучасних ринкових відносин варто робити на основі реальних конкретних калькуляцій вартості матеріалів з урахуванням регіональних особливостей їхнього виробництва.

Пропонована методика прогнозування очікуваного економічного ефекту дозволяє уникнути натуральних показників вартості матеріалів, що залежать від ринкової кон’юнктури і коливаються в широких інтервалах при ціноутворенні. При визначенні ефективності впровадження спеціальних бетонів, модифікованих сіркою, варто враховувати не тільки технічні й економічні показники, але й екологічну ефективність пропонованих матеріалів, особливо радіаційно-захисного призначення.

Сірчаний бетон був застосований при виготовленні електророзподільчих щитів під час проведення ремонтних робіт і реконструкції цеху обробки деревини промбази Львівського проектно-промислового будівельного об’єднання “Електрон” (селище Рясне) та при ремонтних роботах ТзОВ “Розділспецбуд” з метою підсилення бетонних фундаментів під портали ВРП 35-220 кВт загальним об’ємом 124м3.

Економічний ефект отриманий у результаті скорочення термінів ремонтних робіт у 2 рази та зниження їх собівартості на 25 % у порівнянні з проектом, що передбачав підсилення фундаментів звичайним цементним бетоном склав 29807грн.

Досвід виготовлення і застосування бетону, модифікованого сіркою дозволив розробити “Методичні рекомендації з технології виготовлення, методів випробувань і застосування композицій та бетонів, модифікованих сіркою, з підвищеними діелектричними характеристиками“.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Економічний ефект в умовах ТзОВ “Розділспецбуд” склав 29807 грн.

8.

9.

Основний зміст дисертаційної роботи викладено в наступних публікаціях:

1.

2.

3.

4.

5.

6. Жук М.М., Орловський Ю.І., Шналь Т.М. Бетон для захисту від випромінювань //Деклараційний патент на винахід № 44603 А від 12.06.2001 р.

7. Жук М.М., Орловський Ю.І. Сірчаний бетон //Дата подання заявки на винахід № 2001107029 від 16.10.2001 р.

8. Жук М.М. Спеціальні властивості бетонів, модифікованих сіркою і галузі їх функціонального використання //Збірник матеріалів VI Міжнародної конференції: “Актуальні проблеми будівництва та інженерії довкілля”. Частина I. – Львів: Вид-во НУ ”Львівська політехніка”, 2001. – С.489-494.

9.

10.

11.