Электропроводные металлонасыщенные бетоны полифункционального назначения

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Обычный бетон находит широкое применение при сооружении различных зданий и сооружений, являясь основой большого числа несущих и ограждающих конструкций. В подавляющем большинстве случаев бетон выполняет чисто строительные функции в том числе и теплоизоляционные, например ячеистый бетон.

Вопрос об изучении электрических свойств бетона и превращение его в электротехнический материал представляет большой интерес для целого ряда отраслей народного хозяйства. Это вызвано тем, что использование электропроводных или электроизоляционных свойств цементного бетона открывает большие перспективы в строительстве, электротехнике и других отраслях народного хозяйства.

Работы по созданию специальных электропроводящих и электроизоляционных бетонов, которые наряду с доступностью сырьевых компонентов и необходимыми конструктивными характеристиками обладали бы заданными стабильными электрическими свойствами были начаты еще в 30-е годы. прошлого столетия в бывшем СССР, Англии, Германии, Франции [1-3].

Длительное время в Винницком политехническом институте проводятся работы по переработке шлифовальных шламов подшипникового производства и использованию их для разработки композиционных материалов различного назначения. Были разработаны электропроводные металлонасыщенные цементные бетоны (бетэл-м) [4-7], с целым комплексом полифункциональных свойств, как альтернатива известным бетонам электротехническим (бетэлам) полученным на основе углеродного проводникового компонента. В 60-е годы прошлого столетия в Сиб. НИИЭ АН СССР был создан новый электротехнический материал - бетон электропроводный (бетэл) на цементной связке [8-10]. Такой бетон, главным образом, был предназначен для использования в качестве электротехнических резисторов, способных принимать и рассеивать большие кратковременные электрические нагрузки. Этот материал глубоко и всесторонне исследован, запатентован во всех развитых странах мира, а разработчики отмечены Государственной премией.

К концу 90-х годов прошлого столетия сами разработчики пришли к выводу о том, что на современном уровне технологии производства резистивных композиционных материалов на основе бетэлов их конструктивно - технологические, технико - экономические, электрофизические показателей были практически исчерпаны. Наиболее существенными недостатками бетэлов, как резистивных материалов стало наличие эффекта “старения” электропроводной матрицы - рост сопротивления резисторов из-за перехода углерода при нагреве в газообразное состояние, низкая механическая прочность, теплопроводность. Отсутствие адгезии между цементным тестом и углеродосодержащими добавками позволяет квалифицировать последние, как условные поры.

Замена углеродосодержащего проводникового компонента металлическим позволила получить электропроводные бетоны полифункционального назначения с широким спектром электрофизических свойств: низкотемпературные электронагреватели, защитные экраны от ионизирующих излучений, радиопоглощающие экраны, катодные заземлители, антистатические полы [10-15].

Низкотемпературные электронагреватели изготовленные из бетона электропроводного с металлическим проводниковым компонентом методом прессования [16]. Бетэл-м имеет стабильные термофизические свойства до 150 С, поскольку температурный коэффициент линейного расширения стали ШХ-15 и цементного камня в интервале температур от 0 до 150 С, практически совпадают: для цементного камня - (10 -14 ) *10-6 С-1, для стали - 12 *10-6 С-1. Каких либо фазовых превращений в цементом камне при температуре до 150 С не происходит. Низкотемпературные электронагреватели изготовленные из бетэла-м по своей сути являются тепловыми аккумуляторами.

Наличие в составе бетэла-м металлического наполнителя обеспечивает им повышенные защитные свойства от ионизирующих излучений. Многочисленные работы исследователей показывают особенности гидратационного твердения цемента в присутствии добавок оксидов железа, которые обеспечивают интенсификацию образования низкоосновных гидросиликатов кальция, а серия твердых растворов, которые создаются гидрогранатами, вызвана наличием в составе вяжущего C3A, C4AF и оксидов железа. Гидратированные алюмофферитные новообразования содержат в 2,7 - 4,7 раза воды больше, чем гидросиликаты кальция. В этой связи, бетэл-м представляется как искусственно синтезированный материал для защиты от ионизирующих излучений: металл экранирует - излучения, а легкие ядра водорода в виде химически связанной воды - нейтронные потоки [17]. Результаты сравнительных испытаний защитных свойств от ионизирующих излучений стали, бетона и бетэла-м приведены на рис. 1.

Рис. 1. Влияние вида экранирующего материала на снижение дозы - излучения

Металлонасыщенный бетон по защитным свойствам занимает промежуточное положение между бетоном и сталью из-за наличия в его составе повышенного количества гидрогранатов, которые содержат в своем составе повышенное количество связанной воды и добавки порошка стали ШХ-15. С увеличением “жесткости” спектра ионизирующего излучения, то есть, по мере роста относительного количества высокоэнергетических частиц в общем потоке излучения, роль водорода (химически связанной воды) становится менее значимой и более важную роль играет плотность самого материала. Особенно важную роль в формировании стабильности защитных свойств композиционного материала выполняет микро и макроструктура цементного камня, фазовый состав новообразований [18].

Бетэл-м по защитным свойствам используется как альтернативный материал баритовым штукатуркам, но значительно эффективнее их по технологическим и экономическим показателям. Экранирующие элементы из бетэла-м пазогребневой конструкции могут быть использованы для снижения - фона отдельных помещений и при захоронении радиоактивных отходов.

В целом, подчиняясь экспоненциальному закону и зависимости защитных свойств материалов от их плотности с уменьшением энергии - квантов ионизирующего излучения эффективность защиты бетэла-м в большей степени проявляется, чем можно ожидать при определенной плотности. Так, при плотности 2,2-2,4 г/см3 линейный коэффициент ослабления 0,13-0,14 см-1 , длина релаксации - квантов 6,9-7,4 см. Для энергий - квантов до 100 кЭВ толщина экрана из бетэла-м в 2-3 раза меньше, чем для обычного строительного бетона при одинаковой их плотности и одинаковом уровне защиты. Повышенные защитные свойства бетэла-м от ионизирующих излучений при соизмеримой плотности с обычным бетоном объясняются тем, что в соответствии с законами квантовой механики ионизирующему излучению одновременно присущи корпускулярные и волновые свойства. При наличии в составе защитного материала металлического наполнителя с высокой удельной поверхностью искусственно удлиняется путь “элементарных псевдочастиц” электромагнитного ионизирующего излучения. Объемная электропроводная матрица препятствует прохождению электромагнитных волн. С помощью дисперсии металла в минеральном вяжущем и большой площади поверхности границы раздела фаз происходит многократное преломление и рассеивание энергии волн [19].

Бетон электропроводный металлонасыщенный плотной и особенно ячеистой структуры является хорошей моделью для создания радиопоглощающих экранов. Особенностью проводникового компонента бетэла - м является наличие в его составе кислорода, который содержится в гематите (Fe2O3), магнитите (Fe3O4), юстините (раствор Fe2O3 в FeO), лапидокрите (FeO(OH)) [7]. Лучшими и общепризнанными радиопоглощающими материалами являются ферриты (кубические кристаллы шпинельной структуры с большим содержанием Fe2O3 и, по крайней мере, еще одного оксида, обычно двухвалентного метала). Кроме того, технология производства бетэла - м обеспечивает изготовление многослойных изделий вариотропной структуры, различной формы, плотности и электропроводности.

Бетэл-м ячеистой структуры способен не только не пропускать электромагнитные излучения, но поглощать их энергию, прежде всего за счет большой пористости ( 2- 3 мм) верхнего слоя вариотропной структуры радиопоглощающего экрана и рассеивать - за счет многократного его преломления на границе проводникового компонента. В табл. 1 приведены результаты испытаний радиозащитных свойств металлонасыщенного бетонна ячеистой структуры

Таблица 1. Радиозащитные свойства металлонасыщенного бетона ячеистой структуры

Антистатические элементы полов, выполненные из бетэла-м, предварительно заземляют, соединив между собой. При толщине элемента пола 20-30 мм. скорость рассеивания электрического заряда с тела человека составляет 3,75*10 -12 сек. Такое быстрое рассеивание статических зарядов разрешает полностью исключить влияние статического электричества на организм человека, а также исключает возможность искрообразования в результате возможного накопления статического электричества.

На основе полученных данных можно сделать такие выводы:

Таким образом, шлифовальные шламы производства подшипников являются ценным сырьем для производства бетонов и материалов различного назначения.

Металлонасыщенный электропроводный бетон обладает широким диапазоном удельного электрического сопротивления, стабильными электрофизическими свойствами, и является материалом функционального назначения. На основе бетэла - м получены защитные материалы от ионизирующих излучений, низкотемпературные электронагреватели, радиопоглощающие материалы. Электропроводные бетоны используются в качестве катодных заземлителей, а также для устройства антистатических полов.

Литература

металлонасыщенный электропроводный бетон экранирующий

Тареев, Б.М. Бетон, как изоляционный материал / Б.М. Тареев. // Электричество, 1934, № 2. - С.19-22.

Корсунцев, А.В. Влияние импульсных токов на механические характеристики бетона в опорах / А.В. Корсунцев, С.Д. Мерхалев // Электрические станции, 1953, № 8. - С.73-76.

Hammond, E. Comparison of Electrical Properties of Various Cement and Concrete / E. Hammond, T. Robson // The Engineer, 1955, № 5. - С.49-52.

Сердюк, В.Р. Металлонасыщенные бетоны / В.Р. Сердюк. Винница: Континент, 1993. - 230с.

Ковальский, В.П. Применения красного бокситового шлама в производстве строительных материалов / В.П. Ковальский // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры, 2005, № 1(49). - С. 55-60.

Лемешев, М.С. Формування структури електропровідного бетону під впливом електричного струму / М.С. Лемешев // Науково-технічний збірник. Сучасні технології, матеріали і конструкції у будівництві -- Вінниця: УНІВЕРСУМ - Вінниця, 2006. - С. 36-41.

Лемешев, М.С. Теоретические предпосылки создания радиопоглощающего бетона бетела-м / М.С. Лемешев // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури, 2005, № 1. - С. 60 - 64.

Электротехнические бетоны / Тр. Ин-та СибНИИЭ АН СССР, 1964, Вып. 2(21). - 104 с.

Пугачев, Г.А. Технология производства изделий из электропроводных бетонов. -Новосибирск: СЩ АН СССР, 1988.- 198с.

Богородский, Н.П. Электротехнические материалы / Н.П. Богородский, В.В. Пасынков, Б.М. Тареев - Л.: Энергоатомиздат, 1985. - 304 с.

Несен, Л.М. Моделювання та оптимізація рецептурно-технологічних факторів отримання нагрівачів із цементно-шламових композицій. / Л.М. Несен, В.Р. Сердюк, О.В. Христич // Вісник ВПІ, 1996, № 3. - С.9-11.

Савуляк, В.І. Дослідження динаміки приводу плити для пресування твердих побутових відходів / В.І. Савуляк, О.В. Березюк // Вісник Вінницького політехнічного інституту, 2002, № 4. - С. 83-86.

Cердюк, В.Р. Строительные материалы и изделия для защиты от электромагнитного излучения радиочастотного диапазона / В.Р. Cердюк, М.С. Лемешев // Строительные материалы и изделия. - Киев: Аспект - Полиграф, 2005, №4. - С. 8-12.

Лемешев, М.С. Покриття із бетелу-м для боротьби з зарядами статичної електрики / М.С. Лемешев, О.В. Христич // Науково-технічний збірник. Сучасні технології, матеріали і конструкції у будівництві. - Вінниця: УНІВЕРСУМ - Вінниця, 2009. - С. 29-31.

Сердюк, В.Р. Формування структури анодних заземлювачів з бетелу-м для систем катодного захисту.

Коц, І.В. Вібраційний гідропривод для пресування промислових відходів / І.В. Коц, О.В Березюк. // Вісник Вінницького політехнічного інституту, 2006, № 5. - С. 146-149.

Сугак, Э.Б. Десорпция влаги из под влаги цементного камня при облучении / Э.Б. Сугак, А.В. Денисов, Л.П. Музолевский // Бетон и железобетон, 1992, № 6. - С. 24-29.

Ковальський, В.П. Обґрунтування доцільності використання золошламового в'яжучого для приготування сухих будівельних сумішей / В.П. Ковальський, В.П. Очеретний, М.С. Лемешев, А.В. Бондар. // Рівне: Видавництво НУВГіП, 2013. - Випуск 26. - С. 186 -193.

Cердюк, В.Р. Сингулярні ефекти в радіційно-захисних властивостях бетелу-м / В.Р. Cердюк, О.В.Христич // Вісник ВПІ, 2003, №1. - С.8-12.

Размещено на Allbest.ru