Kinga Dziedzic z Zakładu Mechaniki Doświadczalnej IPPT PAN została laureatką konkursu Narodowego Centrum Nauki (NCN) „Preludium”. Jest to konkurs na projekty badawcze realizowane przez osoby nieposiadające stopnia naukowego doktora.
Tytuł projektu: Przewidywanie właściwości termo-sprężystych materiałów kompozytowych w układzie aktywnej krzemionki z wodorotlenkami metali alkalicznych w polu temperatury i promieniowania gamma
Projekt ma przyczynić się do poszerzenia wiedzy na temat radiacyjnych uszkodzeń materiałów budowlanych. Znaczenie tematyki jest związane z obecnym i przyszłym rozwojem źródeł energii. Perspektywa przedłużenia eksploatacji obecnych elektrowni jądrowych ponad 60 lat wywołuje ważne pytania o integralność osłon biologicznych przed długotrwałym promieniowaniem neutronowym i gamma. Nowe koncepcje zaawansowanych reaktorów jądrowych oferują poprawę bezpieczeństwa i niezawodności, obiecują lepszą wydajność, ale kosztem większej agresywności oddziaływania na osłony, wyższej temperatury i wyższych poziomów napromieniowania. Dlatego ogromne znaczenie mają skład i właściwości materiałów narażonych na promieniowanie jonizujące. Projekt będzie się koncentrował na kompozytach o matrycy cementowej, które są pod tym względem znacznie mniej znane niż metale i stopy. Wyniki Projektu poszerzą wiedzę o ich właściwościach termomechanicznych w polu promieniowania gamma. W szczególności oczekuje się, że wyniki wzbogacą wiedzę na temat wewnętrznych reakcji pęcznienia, które mogą powodować niestabilność objętości i uszkodzenia materiałów o matrycy cementowej. Doświadczalnie wyznaczone zależności między właściwościami składników a właściwościami materiałów kompozytowych, uogólnione na podstawie modelu materiałowego, mogą przydać się do selekcji składników pod kątem trwałości w polu promieniowania gamma.
Uszkodzenia radiacyjne kompozytów cementowych narażonych na promieniowanie gamma występują po przekroczeniu granicznej dawki pochłoniętej wynoszącej około 2∙105 kGy. Obserwuje się wówczas znaczne pogorszenie właściwości mechanicznych kompozytu. Uznaje się, że poniżej tej dawki główne produkty hydratacji cementu nie są podatne na uszkodzenia spowodowane promieniowaniem i dlatego zakłada się stabilność właściwości fizycznych i mechanicznych materiałów o matrycy cementowej w zakresie umiarkowanych dawek promieniowania gamma (do 20 MGy). Założenie to może być jednak błędne, jeśli wewnętrzne reakcje pęcznienia, takie jak reakcja alkalia-krzemionka (ASR), zostaną wyzwolone przez promieniowanie gamma lub podwyższoną temperaturę otoczenia. Kinetyka reakcji alkalia-krzemionka pod wpływem promieniowania gamma i podwyższonej temperatury nie była szeroko badana niezależnie od rozważanej dawki promieniowania. Aby prawidłowo przewidywać zmiany właściwości termosprężystych kompozytów cementowych z potencjalnie reaktywnymi kruszywami w polu promieniowania gamma, potrzebne jest lepsze zrozumienie zjawisk i identyfikacja parametrów modelu materiałowego.
Celem pracy jest ocena stabilności objętościowej i właściwości termosprężystych materiałów kompozytowych o matrycy cementowej oraz identyfikacja modeli ich przewidywania pod wpływem temperatury i promieniowania gamma. Program badawczy zakłada zaawansowaną charakterystykę kompozytów cementowych przed i po ekspozycji na promieniowanie gamma i temperaturę. Zakres badań obejmuje wybór materiałów składowych, opracowanie metodologii ekspozycji kompozytów na promieniowanie gamma, scharakteryzowanie zmian objętości i właściwości termosprężystych oraz implementacja określonych właściwości w modelach obliczeniowych opisujących zjawisko degradacji materiału.
Materiały składowe kompozytów zostaną dobrane tak, aby zapewnić warunki do wystąpienia ASR. Określony zostanie skład chemiczny materiałów (cementu, kruszywa i modyfikatorów). Podatność kruszyw na ASR zostanie oceniona poprzez określenie ich składu mineralogicznego i identyfikację reaktywnych składników mineralnych tj. kwarc mikro- i kryptokrystaliczny, kwarc zdeformowany, chalcedon i szkło wulkaniczne. Potencjał wybranych cementów i dodatków do kontrolowania kinetyki reakcji alkalia-krzemionka zostanie określony na podstawie obserwacji zmian objętościowych próbek kompozytów cementowych wystawionych na działanie środowiska alkalicznego i podwyższonej temperatury.
Opracowana zostanie metodologia ekspozycji materiałów o matrycy cementowej na promieniowanie gamma w środowisku alkalicznym. Zaprojektowana zostanie kapsuła na próbki oraz wybrane zostanie źródło promieniowania gamma. Przeprowadzone zostaną testy laboratoryjne w celu potwierdzenia możliwości określenia właściwości termosprężystych na próbkach dostosowanych do warunków źródła gamma.
Analizowany będzie wpływ zmienności składu mineralnego i zawartości składników, a także wpływ wybranych warunków ekspozycji na kinetykę procesów degradacji w wyniku reakcji alkalia-krzemionka. Próbki przygotowane z wybranych materiałów zostaną poddane działaniu promieniowania gamma lub podwyższonej temperatury w środowisku alkalicznym. Kinetyka procesów degradacji będzie mierzona poprzez rejestrację wydłużenia w czasie. Analizowany będzie wpływ różnych dawek promieniowania i temperatury. Trwałość kompozytu w środowiskach o wysokim pH zostanie oceniona poprzez zbadanie zmian właściwości termosprężystych, takich jak współczynnik rozszerzalności cieplnej, mikrotwardość, moduł sprężystości i porowatość. Analiza zmian właściwości termosprężystych zapewni lepsze zrozumienie konsekwencji zmian objętości kompozytów spowodowanych ASR. Dane uzyskane z badań eksperymentalnych kompozytów o matrycy cementowej pozwolą na określenie parametrów modelu obliczeniowego w zależności od składu materiału, co umożliwi modelowanie zjawisk pęcznienia wewnętrznego oraz przewidywanie właściwości w czasie i w funkcji pochłoniętej dawki promieniowania gamma.
