ГРНТИ 67.01 Общие вопросы строительства
ББК 38 Строительство
Для обеспечения радиационной защиты на объектах атомной энергетики одним из перспективных материалов является металлобетон, сочетающий свойства пластичных металлических матриц и каменного заполнителя. В процессе его изготовления возникает необходимость нагрева металлической матрицы до температуры плавления. При охлаждении металлобетоного изделия каркасного типа из-за различных коэффициентов температурного расширения, модулей упругости металлической матрицы и зёрен заполнителей, а также теплофизических свойств компонентов возникают внутренние напряжения. Эти напряжения, суммируясь с напряжениями от эксплутационных воздействий и нагрузок, могут быть причиной снижения физико-механических свойств материала. В данной работе проведена оценка влияния соотношения модулей упругости заполнителя Ез и матрицы Еm, а также степени наполнения материала (определяющей толщину прослойки вяжущего h) на величину и характер изменения внутренних напряжений в радиальном и тангенциальном направлениях.
металлобетон, внутренние напряжения, модуль упругости.
В настоящее время разрабатываются все больше новых видов радиационно-защитных материалов, изделий и конструкций специального назначения на их основе, которые состоят из двух и более компонентов, отличающихся по своей природе. Одним из таких материалов является металлобетон. В работах [1–14] разработаны научные основы создания конструкционных и специальных металлобетонов. Однако в процессе их изготовления на основе существующих литейных технологий возникает задача однородного распределения заполнителя по объёму изделия и, следовательно, высокой однородности металлобетона. Решить эту задачу можно путём создания металлобетона каркасной структуры.
При охлаждении металлобетоного изделия каркасного типа из-за различных коэффициентов температурного расширения, модулей упругости свинцовой матрицы и зёрен заполнителей, а также теплофизических свойств компонентов возникают внутренние напряжения. Получаемые напряжения, складываясь с напряжениями возникающими в процессе эксплуатации от внешних воздействий и нагрузок, могут быть причиной снижения физико-механических свойств материала [15]. Поэтому учёт напряжений возникающих в структуре материала особенно важен при проектировании композитов специального назначения, так как к таким материалам предъявляются повышенные требования по непроницаемости, трещиностойкости, массопоглощению и др. Оценка напряжённого состояния материала и определение влияния на него различных рецептурных и технологических факторов является важной научной задачей, имеющей большое практическое значение.
В данной статье проведена оценка влияния соотношения модулей упругости матрицы Еm и заполнителя Ез, а также степени наполнения материала (определяющей толщину прослойки вяжущего h) на величину и характер изменения внутренних напряжений в радиальном и тангенциальном направлениях. В качестве модели принята структурная ячейка композиционного материала в виде сферического зерна, заключённого в твердеющую матрицу [16, 17]. Внутренние напряжения в металлобетоне возникают вследствие различных модулей упругости компонентов и коэффициентов линейного температурного расширения при снижении температуры или при возникновении усадки:
|
, |
(1) |
где sr, st - внутренние напряжения в радиальном и тангенциальном направлении; mз, mm - коэффициенты Пуассона зерна и матрицы; Ез, Еm - модули упругости заполнителя и матрицы; De - разность деформаций; Р - давление, возникающее на границе раздела фаз.
Значения sr и st равны:
|
; |
(2) |
|
, |
(3) |
где - объёмная степень наполнения материала; - максимальная плотность упаковки частиц наполнителя в объёме композита.
Результаты расчётов представлены в табл. 1, на рис. 1. Из представленных данных видно, что матрица испытывает как растягивающие, так и сжимающие напряжения. На величину этих напряжений значительное влияние оказывают модули упругости матрицы и заполнителя, их соотношение, а также степень наполнения материала. Увеличение модуля упругости заполнителя (уменьшение соотношения Еm/Ез) приводит к росту внутренних напряжений в композите.
Таблица 1
Величина напряжений возникающих в свинцовой оболочке
|
|
|
Соотношение модулей упругости заполнителя |
|||||||||
|
0,9 |
0,8 |
0,7 |
0,6 |
0,5 |
0,4 |
0,3 |
0,2 |
0,1 |
0 |
||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
Температура расплава 350 оС |
|||||||||||
|
|
0,38 |
-0,0323 |
-0,0336 |
-0,0350 |
-0,0365 |
-0,0382 |
-0,0400 |
-0,0420 |
-0,0442 |
-0,0466 |
-0,0494 |
|
|
0,0338 |
0,0352 |
0,0366 |
0,0382 |
0,0399 |
0,0418 |
0,0439 |
0,0462 |
0,0488 |
0,0516 |
|
|
|
0,50 |
-0,0260 |
-0,0269 |
-0,0278 |
-0,0288 |
-0,0299 |
-0,0310 |
-0,0323 |
-0,0336 |
-0,0350 |
-0,0366 |
|
|
0,0418 |
0,0432 |
0,0446 |
0,0462 |
0,0479 |
0,0497 |
0,0517 |
0,0538 |
0,0562 |
0,0587 |
|
|
|
0,59 |
-0,0291 |
-0,0299 |
-0,0308 |
-0,0317 |
-0,0327 |
-0,0337 |
-0,0348 |
-0,0360 |
-0,0373 |
-0,0386 |
|
|
0,0636 |
0,0634 |
0,0637 |
0,0693 |
0,0714 |
0,0737 |
0,0761 |
0,0787 |
0,0815 |
0,0844 |
|
|
|
0,64 |
-0,0280 |
-0,0286 |
-0,0294 |
-0,0301 |
-0,0309 |
-0,0317 |
-0,0326 |
-0,0336 |
-0,0345 |
-0,0356 |
|
|
0,0776 |
0,0795 |
0,0815 |
0,0836 |
0,0858 |
0,0881 |
0,0905 |
0,0932 |
0,0959 |
0,0988 |
|
|
Температура расплава 400 оС |
|||||||||||
|
|
0,38 |
-0,1702 |
-0,1770 |
-0,1844 |
-0,1924 |
-0,2011 |
-0,2106 |
-0,2211 |
-0,2327 |
-0,2456 |
-0,2600 |
|
|
0,1777 |
0,1848 |
0,1925 |
0,2009 |
0,2100 |
0,2199 |
0,2309 |
0,2430 |
0,2564 |
0,2714 |
|
|
|
0,50 |
-0,1285 |
-0,1328 |
-0,1373 |
-0,1422 |
-0,1474 |
-0,1530 |
-0,1591 |
-0,1657 |
-0,1728 |
-0,1806 |
|
|
0,2057 |
0,2125 |
0,2198 |
0,2276 |
0,2360 |
0,2450 |
0,2547 |
0,2653 |
0,2767 |
0,2892 |
|
|
|
0,59 |
-0,0998 |
-0,1026 |
-0,1056 |
-0,1087 |
-0,1121 |
-0,1156 |
-0,1194 |
-0,1235 |
-0,1278 |
-0,1324 |
|
|
0,2178 |
0,2239 |
0,2304 |
0,2373 |
0,2446 |
0,2524 |
0,2606 |
0,2695 |
0,2789 |
0,2891 |
|
|
|
0,64 |
-0,0908 |
-0,0931 |
-0,0954 |
-0,0978 |
-0,1004 |
-0,1031 |
-0,1060 |
-0,1090 |
-0,1123 |
-0,1156 |
|
|
0,2521 |
0,2582 |
0,2647 |
0,2715 |
0,2786 |
0,2862 |
0,2941 |
0,3026 |
0,3115 |
0,3209 |
|
|
Температура расплава 450 оС |
|||||||||||
|
|
0,38 |
-0,1787 |
-0,1858 |
-0,1936 |
-0,2020 |
-0,2111 |
-0,2211 |
-0,2322 |
-0,2443 |
-0,2579 |
-0,2730 |
|
|
0,1864 |
0,1938 |
0,2018 |
0,2106 |
0,2201 |
0,2306 |
0,2421 |
0,2548 |
0,2606 |
0,2846 |
|
|
|
0,50 |
-0,1371 |
-0,1416 |
-0,1465 |
-0,1517 |
-0,1573 |
-0,1633 |
-0,1698 |
-0,1768 |
-0,1844 |
-0,1928 |
|
|
0,2192 |
0,2265 |
0,2342 |
0,2426 |
0,2515 |
0,2611 |
0,2115 |
0,2827 |
0,2949 |
0,3082 |
|
|
|
0,59 |
-0,0977 |
-0,1004 |
-0,1033 |
-0,1064 |
-0,1097 |
-0,1131 |
-0,1169 |
-0,1208 |
-0,1251 |
-0,1296 |
|
|
0,2130 |
0,2190 |
0,2253 |
0,2321 |
0,2392 |
0,2468 |
0,2549 |
0,2635 |
0,2728 |
0,2827 |
|
|
|
0,64 |
-0,0885 |
-0,0906 |
-0,0929 |
-0,0953 |
-0,0978 |
-0,1005 |
-0,1033 |
-0,1062 |
-0,1094 |
-0,1127 |
|
|
0,2353 |
0,2513 |
0,2580 |
0,2642 |
0,2712 |
0,2785 |
0,2863 |
0,2945 |
0,3032 |
0,3124 |
|
|
а) |
|
|
б) |
|
Рис. 1. Зависимость внутренних напряжений от объёмной степени наполнения и соотношения модулей упругости матрицы и заполнителя Еm/Ез:
а) в тангенциальном направлении; б) в радиальном направлении
Изменяя степени наполнения материала и проведя анализ полученных данных можно отметить, что зависимость напряжений в радиальном и тангенциальном направлениях имеет различный характер: внутренние напряжения в тангенциальном направлении увеличиваются, а в радиальном - уменьшаются (рис. 1). Анализ уровня внутренних напряжений показывает, что их величина значительно меньше прочности на разрыв свинца ( МПа). Это позволяет прогнозировать формирование предлагаемого металлобетона без горячих трещин в структуре.
1. Павленко В.И., Матюхин П.В. Основные аспекты разработки современных радиационно-защитных конструкционных металлокомпозиционных материалов // Современные наукоемкие технологии. 2005. № 10. С. 85–86.
2. Матюхин П.В. Неорганический радиационно-защитный металлокомпозиционный материал строительного назначения // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2007. № 9. С. 35–39.
3. Ястребинский Р.Н., Матюхин П.В., Са-мойлова Ю.М. Использование оксидов тяжелых металлов для синтеза радиационно-защитных материалов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. № 12-7. С. 1199–1202.
4. Матюхин П.В. Термостойкие полимер-ные композиты для нейтронной и гамма-защиты // Международный научно-исследовательский журнал. 2014. № 9 (28). С. 39–40.
5. Matyukhin P.V. Theoretical preconditions of new kinds of nuclear protective metal composite materials development based on ferric and bismuth oxides capsulated into metallic aluminum matrix // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2011. № 2. С. 42.
6. Матюхин П.В., Бондаренко Ю.М., Пав-ленко В.И. Синтез высокодисперсного наполнителя на основе гематитового концентрата из водных растворов ионов алюминия для радиационно-защитного металлокомпозиционного материала // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2013. № 3 (74). С. 80–85.
7. Ястребинский Р.Н., Матюхин П.В., Яст-ребинская А.В., Карнаухов А.А. Модифицированные железооксидные наполнители для конструкционной радиационной защиты атомных реакторов //Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2016. № 10. С. 209–213.
8. Матюхин П.В. Радиационно-защитный конструкционный композиционный материал // Международный научно-исследовательский журнал. 2014. № 9 (28). С. 40–41.
9. Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Ма-тюхин П.В., Ястребинская А.В., Куприева О.В., Самойлова Ю.М. Радиационно-защитные транспортные контейнеры отработавшего ядерного топлива на основе высоконаполненной полимерной матрицы и железорудного сырья КМА // В сборнике: Региональная научно-техническая конференция по итогам конкурса ориентированных фундаментальных исследований по междисциплинарным темам, проводимого Российским фондом фундаментальных исследований и Правительством Белгородской обла-сти Белгородский государственный технологический университет им. В.В. Шухова. 2015. С. 320-330.
10. Матюхин П.В., Ястребинская А.В., Павленко З.В. Использование модифицированного железорудного сырья для получения конструкционной биологической защиты атомных реакторов // Успехи современного естествознания. 2015. № 9-3. С. 507–510.
11. Бондаренко Ю.М., Матюхин П.В., Павленко В.И., Ястребиский Р.Н. Конструкционный радиационно-защитный металлокомпозиционный материал на основе алюмосодержащей матрицы и высокодисперсных оксидов тяжелых металлов // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 1. С. 120.
12. Самошин А.П. Каркасные металлобетоны для защиты от радиации Строительные материалы. 2008. № 9. С. 84–88.
13. Королев Е.В., Королева О.В., Самошин А.П., Смирнов В.А. Структура и свойства крупнопористых каркасов для радиационно-защитных материалов // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2010. № 1 (13). С. 308–314.
14. Королев Е.В., Самошин А.П., Смирнов В.А., Королева О.В., Гришина А.Н Методики и алгоритм синтеза радиационно-защитных материалов нового поколения. Пенза, 2009, 132 с.
15. Горчаков Г.И., Лифанов И.И., Терёхин Л.Н. Коэффициенты температурного расширения и температурные деформации строительных материалов: справочное пособие. М.: Изд-во комитета стандартов, мер и измерительных приборов, 1968. 167 с.
16. Соломатов В.И., Хвастунов В.Л., Королев Е.В., Прошин А.П. Прогнозирование свойств строительных материалов на основе структурных моделей // Вестник волжского регионального отделения российской академии архитектуры и строительных наук. Нижний Новгород, НГАСУ. 2000. С.121-130.
17. Королев Е.В., Еремкин А.И., Макридин Н.М., Смирнов В.А. Механика разрушения серных композитов // Оценка риска и безопасность строительных конструкций : сборник материалов Первой Международной научно-практической конференции. Т.1.¬ Воронеж: ВГАСУ, 2006. С.64–70.
