CC BY
46
Б/2011 М1ВЕСТНИК
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СЕРНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
TEPLOFIZICHESKY PROPERTIES SULFURIC THE BUILDER TH
OF MATERIALS
E.B. Королев, Д.Г. Киселев, H.A. Прошина, А.И. Альбакасов
E.V. Korolev, D.G. Kiselev, N.A. Proshina, A.I. Albakaspov
ФГБОУ ВПО «МГСУ», ПГУАС, ОГУ
В работе представлены результаты исследования влияния вида и количества наполнителя, а также способов его обработки на теплофизические свойства серных строительных материалов.
The results of investigation of influence of filler's class and amount together with filler's treatment methods to the thermophysicalproperties of sulfur construction materials are presented.
При облучении материала происходят различные структурные преобразования, которые могут значительно изменять свойства материала и геометрические размеры изделия. Количественное и качественное изменения свойств материала зависят от количества поглощенной энергии (поглощенной дозы радиации). Радиационное модифицирование серы имеет много общих и специфических вопросов, касающихся воздействия ионизирующего излучения на полимеры. Ионизирующее излучение одновременно оказывает влияние как на скорость полимеризации серы (активирует процесс полимеризации и увеличивает длину полимерной цепи), так и на стабилизацию ее полимерной модификации [1]. Однако образующаяся под действием ионизирующего излучения полимерная сера со временем реверсирует в кристаллические модификации с выделением некоторого количества тепла. Таким образом, сера, благодаря своему молекулярному строению и способности к полимеризации, обладает высокой радиационной стойкостью, поглощая при облучении энергию и рассеивая ее в виде тепла, не претерпевая при этом значительных изменений [2].
Как известно, под действием ионизирующего излучения происходят структурные изменения в материале, которые сопровождаются его разогревом [3]. Количество выделившегося тепла зависит от поглощенной дозы ионизирующего излучения, которая, в свою очередь, зависит от активности источника, расстояния от источника до слоя защиты, энергии квантов излучения, теплофизических и радиационно-защитных свойств материала, продолжительности облучения, теплового режима работы конструкции и т.д.
Расчет параметров температурного поля и его распределения по сечению конструкции, эксплуатирующейся в условиях радиационного воздействия, основывается на законе Ламберта - Буггера. Предложены различные методы расчета величины радиа-
ВЕСТНИК 8/2011
ционного разогрева, например в работах [4, 5]. Максимальное значение температуры Тмакс в конструкции защиты равно [4]:
т„»кс = ^ + |1 + — 1п С - С |+-(г1 - гг )1п С,
X ^ к ) к
где г1 - температура внутренней поверхности защиты; - температура наружной поверхности защиты; / - постоянный коэффициент, значение которого определяется для данных величин Е и 1а; Е - средняя энергия излучения гамма-квантов; 1а - плотность потока излучения фотонов; — - длина релаксации; X - коэффициент теплопроводности; к - толщина защиты;
С = -к
1 + х (а -12) . fEIв ЬК1
Распределение температур по толщине защитного экрана равно: г (- (. - к - -)-(,-).
На практике важно установить не только величину радиационного разогрева и параметры температурного поля, но и в зависимости от характеристик источника ионизирующего излучения определить тепловой режим конструкции. Важной характеристикой материала, оказывающей существенное влияние на параметры температурного поля, является коэффициент теплопроводности.
Высокая теплопроводность и большая удельная теплоёмкость материала в сочетании с малым тепловым расширением, малой усадкой и большой прочностью на разрыв обеспечивают уменьшение температурных напряжений, приводящих к образованию трещин. Поэтому для изготовления радиационно-защитных материалов подбирают дисперсные фазы, обладающие высокой теплопроводностью. Кроме того, они влияют на условия кристаллизации серы, ее структуру и свойства [5]. Эффективность воздействия наполнителя на структурообразование серных композиционных материалов можно существенно повысить предварительной обработкой. Различают физический, химический и физико-химический способы обработки наполнителей [5, 6]. В данной работе дисперсные фазы подвергали термической обработке (физический способ), обработке поверхности модификатором, претерпевающим преобразования в расплаве серы (физико-химический способ) и воздействовали комплексно (наносили модификатор на поверхность термически обработанного наполнителя).
Очевидно, что при использовании более теплопроводных наполнителей по сравнению с серой [7] повышение степени наполнения приводит к закономерному пропорциональному увеличению коэффициента теплопроводности серного композита (рис. 1). Зависимость X = f (у f) достаточно точно описывается линейной зависимостью
Х = кч f + Ь ,
где V/-- объемная степень наполнения; к, Ь - эмпирические коэффициенты, значения которых приведены в табл. 1.
Классическим представлениям подчиняются также зависимости коэффициента теплопроводности серных композитов от их средней плотности и общей пористости (рис. 2). В исследуемом диапазоне зависимости линейны; при увеличении диапазона изменения значений аргумента целесообразно ожидать появление нелинейных эффек-
8/2011
ВЕСТНИК .МГСУ
О и
ч
в Я
в ^
1
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0.2
0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 Объёмная степень наполвения
° - тальк; * - кварцевый наполнитель; + - ферроборовый шлак; ж - термообработанный тальк; ■ - комплексно модифицированный тальк; й - модифицированной ферроборовый шлак; ° — комплексно модифицированный кварцевый наполнитель
Рис. 1. Зависимость коэффициента теплопроводности серных композитов от степени
наполнения
Таблица 1
Значения эмпирических коэффициентов X - /{у /)
Наименование наполнителя у/ Значения коэффициентов
к Ь
Тальк 0,20...0,30 1,824 0,090
Термообработанный тальк 0,18...0,28 0,854 0,191
Комплексно модифицированный тальк 0,18.0,28 0,699 0,168
Кварцевый наполнитель 0,25.0,50 1,608 0,031
Комплексно модифицированный кварцевый наполнитель 0,25.0,50 0,836 0,267
Ферроборовый шлак 0,38.0,48 1,610 0,132
Модифицированный ферроборовый шлак 0,38.0,48 1,396 0,028
а)
р" 0.8
о
К 0.7
О
о Он 0.6
§«
с г 0.5
^ и
0.4
а
•е- 0.3
0.2
1900
2000
2100
2200 2300 2400 Средняя плотность кт/м3 -тальк; □ — комплексно модифицированный тальк;
- модифицированный ферроборовый шлак;
- комплексно модифицированный кварцевый наполнитель
б)
Я 0,8
н
о я 0,7
«
м о 0,6
с гу О Ьгз 0,5
К ^ С 3 и >
{- н ь « 0,4
X
Я 0,3
•е- (П 0,2
&
7 9 11 13
Пористость, % тальк; □ - комплексно модифицированный тальк; модифицированный ферроборовый шлак; комплексно модифицированный кварцевый наполнитель
Рис. 2. Зависимость коэффициента теплопроводности от средней плотности (а) и пористости (б) серных композитов
Существенное влияние оказывает способ обработки наполнителя: термическая обработка наполнителя (в частности талька) при Т > 700 0С приводит к его деструкции и
ВЕСТНИК 8/2011
способствует увеличению содержания полимерной фазы в серном композите. Также увеличивает содержание менее теплопроводной полимерной фазы модифицирование поверхности наполнителя полимерными веществами. Указанное влияет на интенсивность изменения коэффициента теплопроводности композита от степени наполнения, величину которой можно оценить по значению эмпирического коэффициента к зависимости Х = / (у 7).
Необходимо отметить, что коэффициент теплопроводности серы зависит от времени с момента изготовления образцов и наличия модифицирующих добавок (табл. 2): вследствие аллотропных переходов коэффициент теплопроводности серы увеличивается (на 24%), а введение добавок - снижает его величину (до 30%).
Таблица 2
Коэффициент теплопроводности образцов серы_
Образцы Возраст образцов, сут.
2...4 10.12 28.30
Сера 0,23 0,28 0,29
Сера + полимерная добавка 0,20
При создании новых композиционных материалов (в частности специального назначения) важно на стадии проектирования составов определить влияние вида и количества наполнителя на величину коэффициента теплопроводности материала. В настоящее время разработано несколько методов для вычисления теплопроводности композиционных материалов. Так, например, расчет теплопроводности бинарных строительных материалов Х^ с неупорядоченным распределением компонентов проводят по различным формулам (табл. 3).
Таблица 3
Теоретические зависимости для расчета теплопроводности строительных композитов
№ п/п Разработчик Формула
1. В.С. Грызлов ь. / -V2 „ • (1 -V7)2 + 7 " -V7 • (1 -V7) Л / т
2. В.Г. Довжик X 6 -X { ■ 2Х7 + Хт -2• (1 -V7)• (X,-Xт)" 2 -X 7 +Х т + (1 -V 7 ) • (X 7 -X т ) _
3. Кх Лихтенеккер ^6 Т • хТ +(1 -VТ)• ^Xт
4. Ах Миснар Х6 =х { 1 + (1 -V7)--1 ^ Р 7 1 -(1 -р)^(1 -V,) _
5. ВхИх Одолевский { \ 1 X6 = Х, • 1 -(1 -V, — 6 7 7\р-1 3 )
Примечания: Х^ - коэффициент теплопроводности заполнител ; Хт - коэффициент теплопроводности в жущего; р - соотношение коэ- - ициентов теплопроводности заполнител и в жущего; Vf - объёмное содержание заполнител э
Сопоставление результатов расчета коэффициента теплопроводности серных композитов, проведенных по представленным формулам, с экспериментальными данными (рис. 1) показывает, что изменение коэффициента теплопроводности для серных ком-
Б/2011 ВЕСТНИК
позитов на исследованных наполнителях от степени наполнения материала наиболее адекватно описывается зависимостью, предложенной К. Лихтенеккером.
Таким образом, серные композиты на рассмотренных дисперсных фазах обладают достаточно высокой теплопроводностью. Изменение взаимодействия на границе раздела фаз «сера - наполнитель» посредством физического или физико-химического способа модифицирования снижает величину коэффициента теплопроводности серных композитов. Кроме того, установлено, что на стадии проектирования состава прогнозирование коэффициента теплопроводности композитов может проводиться по зависимости (3).
Литература
1. Орловский Ю.И., Жук Н.Н. Радиационно-химическое модифицирование серы и стабилизация ее надмолекулярной структуры// Актуальные проблемы современного строительства. Материалы всероссийской XXXI научно-технической конференции, Пенза, ПГАСА, 2001, С. 59-61.
2. Орловский Ю.И., Прошин А.П., Жук Н.Н., Королев Е.В. Радиационно-защитные свойства полимерного бетона// Изв. вузов. Строительство. 2004. №9, С. 21-26 .
3. Аппен А.А., Асланова М.С., Амосов Н.М. Стекло. Справочник. М., Стройиздат, 1973, 487 с.
4. Дубровский В.Б., Аблевич 3. Строительные материалы и конструкции защиты от ионизирующих излучений, М., Стройиздат, 1983, 240 с.
5. Королев E.B., Прошин А.П., Баженов Ю.М., Соколова Ю.А. Радиационно-защитные и коррозионно-стойкие серные строительные материалы. М., «Палеотип», 2006, 272 с.
6. Волгушев А.Н., Шестеркина Н.Ф. Производство и применение серных бетонов. М., ЦНИИТЭИМС, 1991, 52 с.
7. Королев E.B., Киселев Д.Г., Прошина Н.А. Радиационно-защитные серные мастики на основе талька. Сб. науч. тр. «Проблемы современного строительства». Пенза, ПГУАС, 2009, С 219-223.
References
1. Orlovskij J.I., Zhuk N.N. Radiation-chemical modification of sulfur and stabilization of sulfur's supramolecular structure // Latest goals of modern construction. Proceedings of All-Russian XXXI scientific conference. Penza, PSAAC, 2001, pp. 59-61.
2. Orlovskij J.I., Proshin A.P., Zhuk N.N., Korolev E.V. Radiation-protective properties of polymeric concrete // Izvestija Vuzov (sect. "Construction"), №9, 2004, pp. 21-26.
3. Appen A.A., Aslanova M. S, Amosov N.M. Glass. A digest. M, Stroyizdat, 1973.
4. Dubrovskij V.B., Ablevich Z. Constructional materials and constructions for protection from ionizing radiation. M, Strojizdat, 1983. - 240 p.
5. Proshin A.P., Korolev E.B., Bazhenov Ju.M., Sokolova Ju.A. Radiation-protective and corrosion-proof sulfuric construction materials. M, Paleotip, 2006.
6. Volgushev A.N., Shesterkina N.F. Manufacture and application of sulfuric concrete. - M, CNIITEIMS, 1991.
7. Korolev E.V., Kiselev D.G., Proshina N.A. Radiation-protective talc-based sulfuric mastics. Sc. digest "Problems of modern construction". Penza, PGUAS, 2009, pp. 219-223.
Ключевые слова: сера, серные композиты, ионизирующие излучения, теплофизические свойства, теплопроводность
Keywords: sulfur, sulfur composites, ionizing radiation, thermophysical properties, thermal conductivity
e-mail: KiselevDenisGeorg@rambler.ru, korolevEV@mgsu.ru, KiselevDenisGeorg@rambler.ru, stroit@mail.osu.ru
Рецензент: Сулейманов A.M., д.т.н., профессор, Казанский государственный архитектурно-
строительный университет
