Будівельні матеріали для захисту від електромагнітного випромінювання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Будівельні матеріали для захисту від електромагнітного випромінювання

В статі запропоновано використання металонасиченого бетону як радіопоглинаючого і радіоекрануючого матеріалу. Приведені основні радіозахисні характеристики бетелум ніздрюватої і щільної структури.

На сучасному етапі життєдіяльності людини все активніше впроваджується техніка, яка генерує електромагнітне випромінювання (ЕМВ) різного діапазону частот. При цьому має місце постійне нарощування робочих потужностей. Cумарна напруженість електромагнітного поля (ЕМП) в місцях використання такого обладнання збільшується в порівнянні з природним рівнем ЕПМ від 100 до 10000 разів [1-2]. Особливо великі потужності електромагнітного випромінювання мають місце поблизу радіотранслюючих станцій, засобів радіолокації, радіозв'язку, різних енергоємних установок [2].

Постановка проблеми. Встановлено, що організм людини реагує як на зміни природного геомагнітного поля, так і на вплив електромагнітних випромінювань від технічних джерел [2-5]. Негативний вплив ЕМВ на здоров'я людини є предметом великої кількості наукових досліджень. З кожним роком збільшується кількість наукових даних, що свідчать про негативну біологічну дію електромагнітних випромінювань на людину, її імунну і нервову системи. Варто очікувати, що і в подальшому у зв'язку з постійним зростанням виробництва і використання електромагнітної енергії, її вплив на всі живі організми буде збільшуватися. ЕМП стають потенційно більш небезпечними, чим радіаційні аварії [6].

Зростаючий рівень електромагнітного випромінювання вимагає розробки нового типу будинків і споруд, які захищали б живі організми, а також радіоелектронні засоби від його впливу.

Радіоекрануючі конструкції (РЕК) і радіопоглинаючі матеріали (РПМ) дозволяють знизити рівень антропогенних електромагнітних полів (ЕМП) всередині будинку до необхідного мінімуму, і забезпечити нормальну життєдіяльність людей. Тому створення нових сучасних ефективних, доступних і недорогих радіозахисних матеріалів (РЗМ) є актуальною задачею сьогодення.

Аналіз існуючих радіопоглинаючих матеріалів. РПМ діляться на два класи: немагнітні і магнітні. Немагнітні мають багатошарову структуру з плавною або ступінчастою зміною діелектричної і магнітній проникності по товщині. Верхній (вхідний) шар зазвичай складається з матеріалу, що має діелектричну проникність, близьку до одиниці; наступні шари виготовляються з твердих діелектриків з великою і малою діелектричною проникністю. Основними недоліками таких РПМ є їх громіздкість і складність у виготовленні, що обмежує діапазон експлуатаційних умов їх застосування, а також використання при їх виготовленні токсичних матеріалів і речовин. [7-9]. До певної міри цих недоліків позбавлені магнітні РПМ, основним компонентом яких є мелкодісперсні феритові матеріали. Недоліком таких РПМ є значна вага і крихкість, так як основним компонентом таких матеріалів (біля 80%) є магнітний наповнювач.

Постановка задачі. У Вінницькому національному технічному університеті виконуються роботи зі створення РЗМ на основі бетону електропровідного металонасиченого (бетелм). Компонентом такого бетону є дисперсний електропровідний наповнювач, а функції в'яжучого виконує цемент.

Електропровідний наповнювач дисперсний шлам сталі ШХ-15 є відходом шарикопі-дшипникового виробництва. Металевий порошок має ряд особливостей у порівнянні з порошками, отриманими за допомогою інших технологій. У процесі шліфування (абразивного стирання) при високих температурах відбувається процес окислення металу, який в практичні діяльності отримав назву оксидування [9-11]. На поверхні частинок сталі утворюється три шари, які складаються із закису заліза (FeО), магнетиту (Fe3O4) і гематиту (Fe2O3). В результаті шлам сталі ШХ-15 набуває властивостей фериту і його можна розглядати як спеціально підготовлений наповнювач для створення радіозахисних матеріалів.

Для оцінки ефективності захисту від ЕМВ необхідно визначити два основних показники: рівень затухання електромагнітної енергії за екраном; потужність відбитої електромагнітної хвилі перед екраном. Затухання енергії обумовлене тепловими втратами в товщі матеріалу, які залежать від частоти ЕМВ, товщини екрана і властивостей самого матеріалу. Питома вага відбитої електромагнітної хвилі залежить від властивостей екрана.

Оцінка ефективності екранування з урахуванням реальних умов є досить складною задачею, яка залежить від товщини екрана, його діелектричної і магнітної проникності. Для попередньої оцінки можна скористатися наступними рівняннями:

ефективність екранування для електричної складової ЭМП

ефективність екранування для магнітної складової

ефективність екранування в децибелах

будівельний бетон електромагнітний

де Епр, Нпр, Епад, Нпад - відповідно електрична і магнітна складові напруженості проникного і падаючого ЕМВ.

Згідно приведених рівнянь матеріал, у якого велика ефективність екранування, застосовується як радіозахисний матеріал. Варто відмітити, що при цьому не враховується його основна властивість - поглинання ЕМВ. З огляду на сучасні вимоги з екологічної безпеки для радіозахисних приміщень виконання умови щодо максимально можливого екранування явно недостатньо. Не менш важлива вимога забезпечення нормованого поглинання і розсіювання енергії ЕМВ в середині екрану. Адже відбитий сигнал ЕМВ може породжувати хвильовий резонанс. За таких умов навіть невеликі потужності ЕМВ на окремих частотах можуть підсилюватися в тисячу разів і перевищувати встановлені безпечні для людини норми [11-13].

Дослідження радіозахисних властивостей бетелум. При проведенні досліджень нами використовувався портландцемент ПЦ I-500 Кам'янець - Подільського цементного заводу і відмитий шліфувальний шлам сталі ШХ-15. Хімічний і мінералогічний склад цементу приведено в табл.1 і табл.2.

Таблиця 1. Фізико-механічні характеристики портландцементу

Таблиця 2. Хімічний склад портландцементу

Хімічний склад шліфувального шламу сталі ШХ-15 Вінницького підшипникового заводу приведено в табл.3.

Таблиця 3. Хімічний склад сталі ШХ-15 після термообробки протягом 1,2 годин при 9000 С

будівельний бетон електромагнітний

Необхідно відмітити, що не менш важливою екологічною вимогою до будинків і споруд є зведення їх із будівельних матеріалів, які повинні виконувати умову по гранично допустимому рівню природних радіонуклідів, які є джерелами іонізуючого ЕМВ. Рівень САПРН (сумарна питома активність природних радіонуклідів) в основному характеризується радіоактивними елементами Th232, Ra226 i K40. Згідно ДБН В.1.4-97, введеного з 1.01.98 всі будівельні матеріали і сировина на території України розподілені на три класи: матеріли. Рівень САПРН, в яких менше 370 Бк кг-1 відносяться до першого класу, від 370 до740 Бк кг-1 - до другого, від 740 до 1350 Бк кг-1 - до третього. Використання матеріалів першого класу дозволяється для усіх видів будівництва без обмежень.

Результати оцінки рівня концентрації природних радіонуклідів в сировинних матеріалах композиту - бетелу-м проведені в лабораторії радіаційної гігієни Українського науково-гігієнічного центру в м. Києві ( табл. 4).

Таблиця 4. Власна активність природних радіонуклідів будівельних матеріалів

Згідно даних таблиці 4 складові компоненти дрібнозернистого металонасиченого бетону відносяться до 1 класу. Таким чином даний матеріал не є джерелом надмірного іонізуючого електромагнітного випромінювання.

Зразки для вивчення радіозахисних властивостей бетелум виготовлялися ніздрюватої (400-700 кг/м3) і щільної (1600-2100 кг/м3) структури, з різною кількістю дисперсного провідника (в % від маси в'яжучого). Вимірювання рівня проникаючої та відбитої енергії ЕМВ проводилися в лабораторії “Електродинаміки та мікрохвильових телекомунікаційних пристроїв” Вінницького національного технічного університету. Для вимірювання радіозахисних властивостей матеріалу використовували вимірювальну лінію, яка включала високочастотний генератор, хвилевід в який поміщали зразки, а також приймач, за допомогою якого фіксували результати вимірювань.

В результаті проведених досліджень було встановлено, що ефективність екранування ЕМВ бетелум залежить від частоти ЕМВ, структури і товщини матеріалу, а також концентрації шламу (рис.1,2) в композиційному матеріалі.

Рис.1. Ефективність екранування бетелум щільної і ніздрюватої структури в залежності від концентрації шламу сталі ШХ-15 і частоти ЕМВ

Як видно з рис.1 незалежно від структури матеріалу по мірі збільшення концентрації шламу ефективність екранування покращується, але разом з тим збільшуються коефіцієнт відбиття, особливо для бетелу-м щільної структури (рис.2). Необхідно відмітити, при зменшенні частоти ЕМВ до 4 ГГц ефективність екранування зменшується на 20-30%, а при збільшенні - до 20 ГГц навпаки покращується.

Рис.2. Коефіцієнт відбиття бетелум щільної і ніздрюватої структури в залежності від концентрації шламу сталі ШХ-15 і частоти ЕМВ.

будівельний бетон електромагнітний

Проаналізувавши рис.1 і 2, приходимо до такого висновку, бетелм щільної структури має достатньо високі радіозахисні властивості (20-50 дБ, що означає зменшення ЕМВ в 10-350 раз), при товщині 10 мм. Такий матеріал відбиває 30-50% енергії ЕМВ від своєї поверхні, а іншу чаcтину поглинає металоцементна матриця. Наприклад, металеві екрани відбивають майже все електромагнітне випромінювання, яке є дуже небезпечне в замкнутих приміщеннях для здоров'я людини. Врахувавши два основних показники радіозахисних матеріалів, щільний бетел-м займає проміжне місце між радіопоглинаючим і радіоекрануючим матеріалом. На наш погляд, такий матеріал все ж таки необхідно віднести до радіоекрануючого через високий коефіцієнт відбиття ЕМВ.

Необхідною умовою радіо-поглинаючих матеріалів (РПМ) є низький коефіцієнт відбиття ЕМВ. В бетелі-м ніздрюватої структури виконується дана умова (рис.2), що дає можливість віднести його до радіо-поглинаючого. Однак ніздрюваті бетели мають порівняно низьку ефективність поглинання ЕМП ( рис.1), яка складає 4-22 дБ, при товщині матеріалу 40мм. Покращити поглинання можна за рахунок збільшення товщини екрана. Поєднання ніздрюватої і щільної структури дає можливість отримати радіопоглинаючий матеріал з низьким коефіцієнтом відбиття, великим рівнем поглинання ЕМВ і порівняно невеликою товщиною екрана.

Додаткові вимоги до радіозахисних матеріалів і конструкцій, крім основних характеристик: екологічна безпека, негорючість, поєднання в собі звукопоглинаючих і теплозахисних властивостей, а іноді і декоративних властивостей.

Найбільш повно перерахованим вимогам відповідає ніздрюватий бетел-м. Поєднання низької теплопровідності, малої щільності з достатньою конструктивною міцністю, а головне, регулювання фізико-механічними властивостями через зміну середньої щільності, макроструктури робить його найперспективнішим радіозахисним матеріалом. Саме ніздрюватий бетел-м через особливості своєї структури забезпечує порівняно мале відбиття електромагнітних хвиль, що є основною характеристикою РПМ.

Висновки

Шлам сталі ШХ-15, який отримують в результаті технологічного процесу отримання шарикопідшипників, можна вважати спеціально підготовленим наповнювачем для радіозахисних матеріалів через вміст відповідних оксидів заліза.

На основі проведених досліджень бетел-м щільної структури можна вважати, як радіоекрануючий матеріал, а ніздрюватий бетел-м - радіопоглинаючий матеріал. Перспективним для захисту від ЕПВ представляється суміщення ніздрюватої та щільної структури в одній конструкції.

Список використаної літератури

будівельний бетон електромагнітний

1.В. И. Комлев [и др.] // Рабочая одежда. - 2003. - №1. - С. 4-8. Современное состояние проблемы индивидуальной защиты человека от электромагнитных излучений радиочас-тотного диапазона / Р. Х. Фатхутдинов, Р. А. Тарасова,

2.Радиочастоты и микроволны. Совместное издание Программы ООН по окружающей среде Всемирной организации здравоохранения и Международной ассоциации по радиационной защите. - М.: Медицина, 1984. - 145 с.

3.Сердюк, В.Р. Технологічні особливості формування металонасичених бетонів для виго-товлення радіозахисних екранів / В.Р. Сердюк, М.С. Лемешев, О.В. Христич // Сучасні технології, матеріали і конструкції в будівництві. - 2007. - № 4. - С. 58-65.

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

Размещено на Allbest.ru