Радиационная стойкость полимербетонов
Способность материалов после радиационного облучения до определенного уровня (пороговой дозы) сохранять свои свойства называется радиационной стойкостью. Мерой радиационной стойкости является пороговая доза, при которой происходит существенное изменение определенных свойств материала.
Известно, что в цементных бетонах количество воды не превышает 20—25% по массе цемента, или 3—4% по массе бетона. В то же время у полимербетонов содержание полимерного связующего может составлять от 8 до 12% общей массы полимербетона. Расчеты показывают, что вода и полимерное связующее примерно эквивалентны по эффекту дозового фактора накопления частиц проникающих излучений. Это дает основание предполагать высокую эффективность полимербетонов как защитных материалов.
Так, мелкозернистый полимербетон плотностью 3230 кг/м3 на основе полиэфирной смолы ПН-1 и баритового песка фракции 5 мм, превосходит цементный бетон по защитным свойствам от излучения в 1,5 раза. Расчеты показывают, что содержание числа ядер водорода в 1 см3 у полимербетона в 1,5 раза больше, чем цементного бетона — 0,67-1022 и 43-1022 соответственно. Испытания на нейтронном генераторе НГ=15 м полимербетонов на полиэфирных смолах и цементного бетона класса В45 на гранитном щебне (20%) по массе цемента химически связанной воды) свидетельствовали, что для полимербетонов кратность ослабления дозы для нейтронов с различной энергией в среднем на 40% выше.. В то же время в результате воздействия ионизирующего излучения на атомном и молекулярном уровне происходят качественные изменения микроструктуры полимерного связующего. При этом эти воздействия могут приводить как к улучшению, так и ухудшению характеристики материала. Известно, что при определенных уровнях облучения мономеров типа метилметакрилата радиоактивным излучением происходит так называемая радиационная полимеризация. При такой полимеризации степень сшивки и соответственно прочностные характеристики полученного полимера значительно выше, чем при использовании термокаталитической полимеризации. Воздействие ионизирующего облучения на термопластичные полимеры при определенных дозах также приводит к увеличению их прочностных характеристик за счет дополнительной сшивки и появления в полимере поперечных связей.
Высокое содержание водорода и в термореактивных полимерах предопределяет их повышенную радиационную стойкость. Однако при больших дозах облучения и у этих материалов происходят существенные структурные изменения.
В Гидропроекте и МИСИ были выполнены исследования радиационной стойкости полимербетонов на основе фурановых и эпоксидных смол. Испытания проводились на гамма-установках, ускорителях протонов и линейном ускорителе электронов. В гамма-установках источником излучений являлся радиоактивный Со60, мощность дозы составляла от 1 до 555 рад/с, температура облучения 20—30°С поддерживалась специальной системой охлаждения. Радиационные нагрузки на образцы при облучении определились с помощью дозиметрических систем полного поглощения излучения.
Радиационную стойкость оценивали по изменению упругопрочностных свойств образцов после их облучения при различных дозах. В качестве образцов использовали призмы размером 40X40X160 мм, которые испытывались на сжатие с определением призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона. В результате исследований было установлено, что при облучении полимеррастворов ФАМ дозой до 5-109 рад прочность не изменяется, а модуль упругости возрастает примерно на 50%. У полимеррастворов на эпоксидной смоле при дозах облучения до 109 рад прочность снижается на 38%, а при 5-109 на 70%, модуль упругости при этом увеличивается в 2 раза.
Увеличение модуля упругости и повышение хрупкости у полимеррастворов ФАМ связано с дополнительной сшивкой полимера. Более высокое увеличение модуля упругости и снижение прочности у полимеррастворов на эпоксидном связующем объясняется более интенсивной сшивкой полимера и одновременным началом его деструкции.
Характер изменения прочности и модуля упругости при облучении полимербетонов аналогичен, однако при этом прочностные и деформационные свойства более стабильны, так как увеличение степени наполнения крупными фракциями заполнителей способствует повышению радиационной стойкости.
Результаты исследований позволили установить порог радиационных повреждений, которые для полимербетонов на основе ФАМ находятся в пределах 108рад и для полимербетонов на основе ЭД-20 — 108рад. При использовании в составах полимербетонов тяжелых, в особенности барийсодержащих заполнителей и металлических включений их радиационная стойкость может быть существенно повышена.