Penza, Russian Federation
Russian Federation
Moscow, Russian Federation
GRNTI 67.01 Общие вопросы строительства
BBK 38 Строительство
To ensure radiation protection at nuclear power facilities, one of the promising materials is metal-concrete, combining the properties of plastic metal matrixes and stone aggregate. During the manufacturing process, it becomes necessary to heat the metal matrix to the melting point. With the cooling of a skeleton-type metal-skeleton product, internal stresses arise due to different coefficients of temperature expansion, elasticity moduli of the matrix and aggregate grains, and also thermophysical properties of the components. These voltages, combined with stresses from operational influences and loads, can be the reason for reducing the physico-mechanical properties of the material. In this paper, the effect of the ratio of the modulus of elasticity of the filler E3 and the matrix Em, as well as the degree of filling of the material (determining the thickness of the binder interlayer h), is estimated on the magnitude and nature of changes in internal stresses in the radial and tangential directions.
reinforced concrete, internal stresses, modulus of elasticity
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. Pavlenko V.I., Matyuhin P.V. Osnovnye aspekty razrabotki sovremennyh radiacionno-zaschitnyh konstrukcionnyh metallokompozicionnyh materialov // Sovremennye naukoemkie tehnologii. 2005. № 10. S. 85-86.
2. Matyuhin P.V. Neorganicheskiy radiacionno-zaschitnyy metallokompozicionnyy material stroitel'nogo naznacheniya // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Stroitel'stvo. 2007. № 9. S. 35-39.
3. Yastrebinskiy R.N., Matyuhin P.V., Sa-moylova Yu.M. Ispol'zovanie oksidov tyazhelyh metallov dlya sinteza radiacionno-zaschitnyh materialov // Mezhdunarodnyy zhurnal prikladnyh i fundamental'nyh issledovaniy. 2015. № 12-7. S. 1199-1202.
4. Matyuhin P.V. Termostoykie polimer-nye kompozity dlya neytronnoy i gamma-zaschity // Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatel'skiy zhurnal. 2014. № 9 (28). S. 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 // Mezhdunarodnyy zhurnal prikladnyh i fundamental'nyh issledovaniy. 2011. № 2. S. 42.
6. Matyuhin P.V., Bondarenko Yu.M., Pav-lenko V.I. Sintez vysokodispersnogo napolnitelya na osnove gematitovogo koncentrata iz vodnyh rastvorov ionov alyuminiya dlya radiacionno-zaschitnogo metallokompozicionnogo materiala // Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2013. № 3 (74). S. 80-85.
7. Yastrebinskiy R.N., Matyuhin P.V., Yast-rebinskaya A.V., Karnauhov A.A. Modificirovannye zhelezooksidnye napolniteli dlya konstrukcionnoy radiacionnoy zaschity atomnyh reaktorov //Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tehnologicheskogo universiteta im. V.G. Shuhova. 2016. № 10. S. 209-213.
8. Matyuhin P.V. Radiacionno-zaschitnyy konstrukcionnyy kompozicionnyy material // Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatel'skiy zhurnal. 2014. № 9 (28). S. 40-41.
9. Pavlenko V.I., Yastrebinskiy R.N., Ma-tyuhin P.V., Yastrebinskaya A.V., Kuprieva O.V., Samoylova Yu.M. Radiacionno-zaschitnye transportnye konteynery otrabotavshego yadernogo topliva na osnove vysokonapolnennoy polimernoy matricy i zhelezorudnogo syr'ya KMA // V sbornike: Regional'naya nauchno-tehnicheskaya konferenciya po itogam konkursa orientirovannyh fundamental'nyh issledovaniy po mezhdisciplinarnym temam, provodimogo Rossiyskim fondom fundamental'nyh issledovaniy i Pravitel'stvom Belgorodskoy obla-sti Belgorodskiy gosudarstvennyy tehnologicheskiy universitet im. V.V. Shuhova. 2015. S. 320-330.
10. Matyuhin P.V., Yastrebinskaya A.V., Pavlenko Z.V. Ispol'zovanie modificirovannogo zhelezorudnogo syr'ya dlya polucheniya konstrukcionnoy biologicheskoy zaschity atomnyh reaktorov // Uspehi sovremennogo estestvoznaniya. 2015. № 9-3. S. 507-510.
11. Bondarenko Yu.M., Matyuhin P.V., Pavlenko V.I., Yastrebiskiy R.N. Konstrukcionnyy radiacionno-zaschitnyy metallokompozicionnyy material na osnove alyumosoderzhaschey matricy i vysokodispersnyh oksidov tyazhelyh metallov // Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2013. № 1. S. 120.
12. Samoshin A.P. Karkasnye metallobetony dlya zaschity ot radiacii Stroitel'nye materialy. 2008. № 9. S. 84-88.
13. Korolev E.V., Koroleva O.V., Samoshin A.P., Smirnov V.A. Struktura i svoystva krupnoporistyh karkasov dlya radiacionno-zaschitnyh materialov // Izvestiya Kazanskogo gosudarstvennogo arhitekturno-stroitel'nogo universiteta. 2010. № 1 (13). S. 308-314.
14. Korolev E.V., Samoshin A.P., Smirnov V.A., Koroleva O.V., Grishina A.N Metodiki i algoritm sinteza radiacionno-zaschitnyh materialov novogo pokoleniya. Penza, 2009, 132 s.
15. Gorchakov G.I., Lifanov I.I., Terehin L.N. Koefficienty temperaturnogo rasshireniya i temperaturnye deformacii stroitel'nyh materialov: spravochnoe posobie. M.: Izd-vo komiteta standartov, mer i izmeritel'nyh priborov, 1968. 167 s.
16. Solomatov V.I., Hvastunov V.L., Korolev E.V., Proshin A.P. Prognozirovanie svoystv stroitel'nyh materialov na osnove strukturnyh modeley // Vestnik volzhskogo regional'nogo otdeleniya rossiyskoy akademii arhitektury i stroitel'nyh nauk. Nizhniy Novgorod, NGASU. 2000. S.121-130.
17. Korolev E.V., Eremkin A.I., Makridin N.M., Smirnov V.A. Mehanika razrusheniya sernyh kompozitov // Ocenka riska i bezopasnost' stroitel'nyh konstrukciy : sbornik materialov Pervoy Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii. T.1.¬ Voronezh: VGASU, 2006. S.64-70.
