Научные труды - Publikationen

Высокоплотные мастики для защиты от радиации

В.И.Соломатов, А.П.Прошин, Б.Б.Второв, В.А.Худяков

(Московский государственный университет путей сообщения,

Пензенская государственная архитектурно-строительная академия)

Развитие ядерных технологий определяет необходимость разработки и внедрения новых высокоэффективных композиционных материалов в строительстве для защиты конструкций и персонала от ионизирующих излучений. Особую актуальность приобретает проблема проведения ремонтно-восстановительных и отделочных работ зданий и сооружений в районах с повышенным радиационным фоном, где зачастую сроки этих работ должны быть минимальными при обеспечении максимальной защиты строительных конструкций.

Наиболее прогрессивными методами защиты в этих условиях является нанесение на поверхности поврежденных участков полимерных покрытий в виде мастик, шпаклевок, замазок. В качестве их основной составляющей используются синтетические смолы, способные образовывать неплавкие трехмерные сетки.

Кафедрой строительных материалов Пензенской государственной архитектурно-строительной академии проводится работа по созданию высоконаполненных мастик на основе резорцино-формальдегидной смолы для защиты от радиации.

В состав мастик входят: связующее - резорцино-формальдегидная смола ФР-12, отвердитель - параформальдегид и наполнитель - материал высокой плотности.

Резорцино-формальдегидные смолы, в отличии от других полимеров, обладают рядом положительных свойств, в числе которых - высокая реакционоспособность, способность отверждаться без дополнительного подогрева и давления, малая вязкость, нетоксичность, водо- и химостойкость, теплостойкость, а также нейтральный характер как самой смолы, так и ее отвердителя. Однако в настоящее время резорциновые полимеры используются в строительстве преимущественно в качестве клеев для соединения элементов деревянных конструкций. Для увеличения эффективности практического использования и придания новых свойств в состав резорциновых материалов предложено вводить наполнитель высокой плотности.

В ходе исследования ставились задачи подбора оптимального состава полимерных мастик, исследования возможности физико-химической модификации связующего, изучения деформативных характеристик полученного материала.

Для определения оптимальной дисперсности и концентрации наполнителя в полимерной композиции (ПК) исследована зависимость прочности на сжатие от объемного содержания наполнителя (v) с разной удельной поверхностью (рис.1).

Рис.1. Зависимость прочности на сжатие резорцинового композита от объемного содержания наполнителя :

1 - 50 м²/кг, 2 - 100 м²/кг, 3 - 200 м²/кг, 4 - 260 м²/кг

Кривые полученных зависимостей имеют экстремальный характер, что находит подтверждение у авторов, исследовавших композиции на других связующих [1,2].

При малых значениях v полимер находится в объемном состоянии. С увеличением содержания наполнителя уменьшаются расстояния между частицами, что вызывает повышение степени кристалличности композита за счет образования пленочной матрицы и ведет к повышению прочности. Дальнейшее увеличение объемного содержания наполнителя приводит к дефициту полимерного связующего и разрывам сплошности пленочной структуры матрицы, что способствует порообразованию и снижению прочности.

Данные экспериментов свидетельствуют о том, что с увеличением дисперсности наполнителя закономерно возрастает прочность материала, что объясняется ростом пленочной фазы матрицы в композите. При этом пики кривых смещаются в сторону уменьшения объемного содержания наполнителя.

Однако, с ростом удельной поверхности наполнителя S_у выше определенных значений эффект упрочнения снижается, а затем пропадает, что связано с агрегацией высокодисперсных частиц. Кроме того, для получения наполнителя с S_у>200 м²/кг резко возрастает время на его помол. Это сопряжено с дополнительными расходами электроэнергии. Поэтому для дальнейших исследований в работе был использован наполнитель с S_у=200 м²/кг. Таким образом, оптимальная степень наполнения для резорцинового композита по критерию прочности на сжатие составляет v=0,29.

Однако, значение оптимальной концентрации наполнителя в композите продиктовано также реологическими свойствами ПК, поскольку мастика должна обладать определенной пластичностью, вязкостью, способностью легко наноситься на вертикальные поверхности и удерживаться на них не стекая. Исходя из этих условий, была принята концентрация наполнителя в композите v=0,42...0,47.

Как известно, защитные свойства от g -излучения растут с повышением плотности материала. Поэтому была предпринята попытка увеличить наполнение полимерной смеси не изменяя ее реологических свойств путем физико-химической модификации полимера.

Для этой цели было исследовано влияние различных ПАВ на подвижность полимерных композиций. Подвижность мастик оценивали при помощи встряхивающего столика. Данные по подвижности приведены в табл.1 (подвижность состава без добавок принимается за 100%).

                                                                                                                                                Таблица 1

Как видно из результатов исследований, введение в мастику кремнийорганических жидкостей 136-41, ГКЖ-10 и суперпластификатора С-3 ведет к повышению подвижности смеси. Это объясняется тем, что адсорбируясь на поверхности наполнителя поверхностно-активные добавки препятствуют агрегированию частиц. Таким образом, кремнийорганические жидкости (КОЖ) и суперпластификатор С-3 являются адсорбционными пластификаторами для резорциновой композиции. В виде очень малых добавок они пластифицируют структуры, понижая их прочность и структурную вязкость [3].

При этом зависимость величины пластифицирующего эффекта от концентрации вводимых добавок КОЖ носит экстремальный характер с максимальными значениями в области 0,25...0,5%. Это объясняется тем, что с увеличением концентраций КОЖ выше оптимальных происходит адсорбционное насыщение поверхности наполнителя и молекулы ПАВ сами объединяются в агрегаты, состоящие из мицел, которые образуют прочные структуры внутри полимера резко снижая подвижность смеси.

Максимальный пластифицирующий эффект был достигнут при введении в композицию 0,5% ГКЖ-10. Увеличение подвижности смеси на 25% дает возможность повысить степень объемного наполнения ПК до v=0,46...0,50, что позволяет увеличить плотность композита на 5...8%.

Плотность модифицированной резорциновой мастики составляет r = 2980...3110 кг/м³ (рис.2). При содержании наполнителя в ПК выше определенных значений (v > 0,47) происходит замедление роста плотности материала вследствие снижения реологических свойств смеси, переходом ее в более жесткое состояние и ухудшением удобоукладываемости, сопровождающейся вовлечением в композицию воздуха. Добавки ПАВ повышают лиофилизующую способность связующего, что позволяет повысить степень наполнения композита не увеличивая его пористости.

Рис.2. Зависимость плотности резорцинового композита от объемного содержания наполнителя:

Применение пластифицирующих добавок позволяет улучшить деформативные свойства ПК путем увеличения объемного содержания наполнителя (рис.3).

Рис.3. Кинетика линейных усадочных деформаций РК в зависимости от степени их наполнения:

Кинетика усадки составов на основе реактопластов выражается следующим уравнением [4]:

,

где Y_t - усадка в % за время t ; Y_max - максимальная усадка в % при t a; b - коэффициент пропорциональности в 1/сут, характеризующий условия полимеризации; n - коэффициент, отражающий интенсивность роста и процесса затухания усадки.

По экспериментальным данным методом наименьших квадратов были получены функциональные зависимости усадки полимерных композитов от времени твердения, которые имеют вид:

                 при v=0,24 ;

                при v=0,31 ;

                 при v=0,43 ;

                при v=0,47

Развитие усадочных деформаций в резорциновых композитах достаточно медленное, что объясняется природой смолы и высоким содержанием в ней растворителей. Основной рост усадки происходит в первые 20 дней.

При увеличении степени наполнения композита происходит закономерное снижение усадочных деформаций. Наибольшее значение усадки отмечено при v=0,24, а наименьшее - при v=0,47.

Таким образом, рациональное применение наполнителей и пластифицирующих добавок позволяет получить резорциновые композиты с хорошими технологическими и физико-механическими характеристиками, придать им защитные свойства от действия радиации, а также снизить стоимость ПК путем снижения концентрации в нем связующего.

ЛИТЕРАТУРА

1. Соломатов В.И. Технология полимербетонов и армополимербетонных изделий. - М.:Строийздат, 1984 - 141с.
2. Соломатов В.И., Бобрышев А.Н., Химмлер Н. Полимерные композиционные материалы в строительстве. - М.:Строийздат, 1988 - 309с.
3. Ребиндер П.А. Поверхностно-активные вещества. - М.:Знание, 1961 - 45с.
4. Мощанский Н.А. Химически стойкие мастики, замазки и бетоны на основе термореактивных смол. - М.:Строийздат, 1968 - 184с.