Рассматриваются композиты для защиты от ионизирующего излучения на основе отходов стекольной промышленности. Определяются рецептурно-технологические параметры с использованием методов планирования эксперимента.
Ключевые слова: защита от радиации, жидкостекольные композиты, состав, рецептура, свойства.
В ядерной энергетике в основном используются бетоны на основе минеральных вяжущих с тяжелыми наполнителями. Рассматривалась возможность использования композитов на основе жидкого стекла с традиционными наполнителями и заполнителями: кварцевого песка, гранита, базальта и др. Однако они обладают малой плотностью, что можно устранить при использовании в качестве наполнителя отходов производства стекла (содержит до 70 % оксида свинца). Идея создания таких материалов связана с именем А. П. Прошина [1]. В предлагаемых ниже материалах использовались: в качестве связующего — натриевое жидкое стекло (силикатный модуль m=2,81; содержит 
- 30,2 %; 
- 11,1 %; со свойствами сильной щелочи); отвердителя — 
и 
(технический порошок); наполнителя — отходы производства стекла 
(
; состав по массе: 
, — 0,5, 
— 1,27, — 27, 
– 70,9). Вводились легирующие добавки: оксид свинца (
); барит 
(
; удельная поверхность 170–180 
). Наполнитель, ускоритель твердения и добавки тщательно перемешивались, затем вводилось жидкое стекло при дополнительном перемешивании (3–5 мин) до однородности смеси. Свойства композитов изучались на образцах-цилиндрах (диаметр — 30 мм, высота — 20–50 мм), призмах (
мм) по традиционным методикам после хранения образцов в течение 28 суток в естественных условиях. Удельную поверхность определяли с использованием 
; плотность жидкого стекла — ареометра при температуре 
; содержание , ; плотность; прочность композита — по известным методикам; сопротивление удару — на копровой установке; радиационную стойкость (изменение прочности образцов на сжатие при поглощенной дозе 
-излучения) — на установке ГУРХ-1000. Линейный коэффициент ослабления -излучений определяли облучением материала радиоактивным источником 
с поправками на непараллельность пучка. Регистрация осуществлялась сцинтилляционным -детектором на основе кристалла 
и фотоумножителя 
. Коэффициент ослабления -излучения определяли по интенсивности пучка -квантов от источника без образца и после прохождения через образец с учетом фона [2].
Деформационные свойства определялись внедрением конусообразного индентора; линейная усадка — с использованием ИЗА-2; водопоглощение и водостойкость — по известным методикам. При структурном анализе получались рентгенограммы на дифрактометре ДРОН-2; использовался метод инфракрасной спектроскопии (диапазон частот: 400–4000 см-1; идентификация спектрального состава — по спектрам поглощения).
Для выбора гранулометрического состава отходов стекла ТФ-110 в композите определялись функции чувствительности, полученные методами математического планирования эксперимента [3]:
- плотность композита; 
. 
, 
, 
— процентное содержание заполнителей с указанными диаметрами в мм. Адекватность проверялась по критериям Фишера и Стьюдента при надежности — 0,95. В результате оптимизации был получен гранулометрический состав по фракциям: 
, 
, 
,
.
В результате исследований защитных свойств относительно -излучения получен композит с параметрами:
- линейный коэффициент ослабления -излучения — 0,3 см-1 при энергии фотонов 0,662 МэВ;
- макроскопическое сечение выведения нейтронов деления — до 0,093 см-1;
- плотность — 4130 кг/м3;
- твердость — 400 МПа;
- модуль деформации — 35000 МПа;
- модуль упругости — 39000 МПа;
- коэффициент теплопроводности — 0,42 Вт/м0К;
- водопоглощение — 1,5 % (после трехмесячного пребывания образцов в воде);
- коэффициент водостойкости — до 0,91;
- температура размягчения — 6000С;
- пористость — до 7 %.
- Композит содержит (по массе):
- жидкое стекло — 7,94 %;
- наполнитель — 79,37 %;
- ускоритель твердения — 0,79 %;
- оксид свинца — 11,9 %;
- В:H по массе — 1:11,5;
- добавка от массы наполнителя — 15 %
(давление прессования — 50 МПА).
Наблюдалось повышение твердости до поглощенной дозы 3,6 МГр, а при последующем увеличении дозы до 8,4 МГр — понижение твердости до 40 %; снижение прочности на сжатие после поглощенной дозы -облучения до 8,4 МГр — до 20 %. Образование новых кристаллических фаз по данным рентгеновского анализа при -облучения не было обнаружено. Процесс кристаллизации происходил медленно; преобладали в структуре композита аморфные фазы даже по истечении двух лет. Данные инфракрасной спектроскопии показали уменьшение количества воды в композитах с возрастанием поглощенной дозы облучения (с 2,5 МГр); данные термического анализа показали устойчивость композита к -облучению.
Опытная эксплуатация композиционного материала показала его эффективность при защите конструкций от ионизирующих излучений.
Литература:
1. Прошин А. П. и др.Разработка и управление качеством строительных материалов с регулируемыми структурой и свойствами для защиты от радиации // Идентификация систем и задачи управления Sicpro¢ 03: Труды II Международной конференции. — М.: ИПУ РАН. 2003.– С.2437–2460. ISBN 5–201–14948–0.
2. Соломатов В. И. и др. Композиционные материалы на основе жидкого стекла для защиты от радиации // Материалы научно-практической конференции «Долговечность строительных материалов и конструкций». — Саранск: Изд-во Мордов.ун-та. — 2000. — 148 с.
3. Планирование эксперимента. Обработка опытных данных: монография / И. А. Гарькина [и др.]; под ред. проф. А. М. Данилова.– М.: Палеотип, 2005. — 272 с.
