Какой бетон применяют для защиты от радиации
Обновлено: 01.05.2024
Особо тяжелые и гидратные бетоны, являющиеся основным материалом для одновременной защиты от у- и нейтронного излучения. Значение сернокислого белого минерала бария. Биологическая защита ядерных реакторов. Характеристика и области применения бетона.
| Рубрика | Безопасность жизнедеятельности и охрана труда |
| Вид | контрольная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 13.04.2011 |
| Размер файла | 23,4 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Бетон для защиты от радиации
бетон радиация излучение ядерный реактор
В связи с развитием ядерной энергетики и все более широким использованием атомной энергии в научных исследованиях, промышленности, сельском хозяйстве, здравоохранении необходимо обеспечить защиту обслуживающего персонала и окружающей территории от опасных радиоактивных воздействий.
Естественные радиоактивные вещества и искусственно получаемые радиоактивные изотопы воздействуют на живую ткань посредством испускаемых ими при распаде а-, р-, у- лучеи и нейтронов. а-Лучи (потоки ядер гелия) и р-лучи (потоки электронов) обладают сравнительно небольшой проникающей способностью. Значительно опаснее у-лучи, представляющие собой поток фотонов, и нейтронное излучение. у-Лучи имеют скорость света и обладают большой проникающей способностью.
Закон ослабления у-излучения, проходящего через вещество, состоит в следующем: при последовательном увеличении толщины слоя вещества на одну и ту же величину интенсивность излучения уменьшается в одном и том же определенном отношении. Так называемый слой половинного ослабления уменьшает интенсивность излучения в 2 раза. Два таких слоя ослабят излучение в 4 раза, и каждый последующий слой будет дополнительно ослаблять излучение вдвое. Исходя из этого (с учетом некоторых других факторов) рассчитывается толщина защитного ограждения, необходимая для ослабления излучения до допускаемой нормами интенсивности. Толщина слоя половинного ослабления у-излучения зависит от плотности вещества-поглотителя: чем тяжелее материал, тем меньше толщина ограждения. Незаряженные частицы нейтроны также обладают большой проникающей способностью. Не взаимодействуя с заряженными частицами атомов на расстоянии (как а- и р-частицы), они замедляются только при соударениях. Наибольший эффект поглощения энергии нейтронов имеет место при соударении их с частицами близкой к ним массы, например с ядрами водорода -- протонами. В этом случае энергия нейтрона распределяется примерно поровну между двумя столкнувшимися частицами, т. е. нейтрон при каждом соударении значительно тормозится. При соударении с тяжелыми ядрами нейтрон отражается при сравнительно малой потере скорости. Поэтому в отличие от излучения наибольшее замедление нейтронов имеет место в веществах, содержащих легкие элементы, особенно водород. Веществом-замедлителем может служить, в частности, вода.
Основным материалом для одновременной защиты от у- и нейтронного излучения являются особо тяжелые и гидратные бетоны. Поскольку гидраты, задерживающие поток нейтронов, содержатся в цементном камне, основное назначение тяжелых заполнителей -- поглощение у-лучей.
В качестве заполнителей применяются барит, железные руды, металлолом.
Барит -- сернокислый барий (BaS04) -- весьма распространенный в природе минерал белого цвета. Его плотность -- около [4500 кг/м3, предел прочности при сжатии -- около 50 МПа. Плотность бетона на баритовом заполнителе достигает 3800 кг/м3.
Магнетит, или магнитный железняк,-- слабоокисленная железная руда (Fe304) с плотностью около 4500. 5000 кг/м3 и пределом црочности при сжатии до 200 МПа. Плотность бетона на песке и щебне из магнетита составляет около 4000 кг/м3.
Гематитовые руды содержат красный железняк (Fe203). Плотность гематита -- до 4300 кг/м3, а бетона на его основе -- до 3500 кг/м3.
Лимонит, или бурый железняк, содержит гидроксид железа (2Fe203-3H20), т. е. может быть средством защиты как от у-лучей, так и от нейтронов. Плотность лимонита -- около 3500 кг/м3, лимонитового бетона -- 2600. 2800 кг/м3, т. е. лимонитовый бетон лишь немного тяжелее обычного, однако связанной воды в нем может быть вдвое больше.
Для получения особо тяжелых бетонов плотностью 5000. 7000 кг/м3 применяют чугун (плотность около 7500 кг/м3) в виде дроби, крошки и скрапа (крупного лома), а также сталь (плотность около 7800 кг/м3) в виде обрезков, отходов от штамповки, дробленой стружки. Применяют также чугунный лом и обрезки стержней, которые несколько дешевле, чем дробь, но возникают дополнительные трудности в перемешивании бетонной смеси из-за формы заполнителя. Следует помнить, что металл должен быть очищен от масла, препятствующего сцеплению.
Необходимо учитывать воздействие нейтронного излучения на свойства заполнителей. Во-первых, при поглощении нейтронов ядрами атомов возможно вторичное у-излучение. Это особенно характерно для железа. Поэтому железный лом и руды не всегда могут быть использованы. В этом отношении предпочтителен барит, не дающий вторичного у-излучения. Во-вторых, нейтроны при столкновении с ядрами атомов могут нарушить их равновесное положение в кристаллической решетке.
При этом возможно изменение объема и свойств заполнителей. Например, при облучении кварца нейтронами происходит его аморфизация, сопровождающаяся значительным анизотропным расширением, что может привести к разрушению бетона. Данное явление следует учитывать не только при проектировании составов защитных бетонов, но также обычных конструкционных, жаростойких и теплоизоляционных бетонов, применяемых при строительстве ядерных установок.
Крупность заполнителей для защитных бетонов определяется массивностью бетонируемой конструкции и принимается максимально возможной. Зерновой состав заполнителей подбирают с таким расчетом, чтобы как можно больше насытить бетон тяжелым заполнителем; чем тяжелее получится бетон, тем меньшей может быть толщина ограждения. В этом случае предпочтительны прерывистые зерновые составы заполнителей, позволяющие получить бетон наибольшей плотности. Бетонные смеси на особо тяжелых заполнителях в значительной степени подвержены сегрегации, расслоению. Поэтому большое значение имеет плотность и вязкость растворной части бетона. При прерывистом зерновом составе заполнителя иногда применяют раздельное бетонирование методом восходящего раствора.
Особотяжелый бетон
В последние годы бетону найдено новое применение -- биологическая защита ядерных реакторов. Так как способность бетона поглощать *у-лучи пропорциональна его объемной массе, толщина защитного экрана может быть уменьшена при применении бетона с большей объемной массой.
Проблема защиты в действительности сложнее, так как для ослабления потока нейтронов в защитный экран должно быть включено определенное количество материала с малым атомным весом, как, например, водород. Бетон, как обычный, так и особотяжелый, содержит тяжелые и легкие компоненты, и было установлено, что при десятилетней эксплуатации в потоке 10й нейтрон/см2 максимальная температура и температурный градиент не превысили допускаемые пределы.
Для повышения объемной массы бетона часть заполнителя или весь заполнитель заменяется материалом с очень большой удельной массой, обычно более 6,4 г/см3 (а у обычного заполнителя 2,6 г/смг). Применяют естественные и искусственные тяжелые заполнители.
Объемная масса бетона зависит от состава смеси: для смеси 1:4, 6:6,4 при В/Ц = 0,58 она составляет порядка 3670 кг/м3. Прочность такого бетона, определенная на стандартных цилиндрах в возрасте 28 суток, равна 430,9 кгс/см2. При В/Ц=0,9 прочность бетона 246,1 кгс/см2.
Кристаллизационная вода, содержащаяся в лимоните, является надежным источником образования водорода для замедления потока нейтронов, при этом температура должна быть не выше 200° С.
При укладке особотяжелых бетонов применяют метод раздельной укладки бетонной смеси; это уменьшает расслоение, особенно при использовании обычного мелкого заполнителя.
Не следует забывать, что кроме защиты от радиации бетон, применяемый в защитных экранах, должен обладать и другими свойствами, необходимыми для эксплуатации при высоких температурах: к ним относятся теплопроводность, усадка, коэффициент термического расширения и ползучесть. Так как эти требования трудновыполнимы, в ряде случаев предпочитают делать толстые защитные экраны из бетона на обычных заполнителях.
Универсальны широко применяемые в строительстве защитных сооружений бетон и увлажнённая грунтовая засыпка, содержащие и водород и относительно тяжёлые элементы. Очень хорош для строительства бетон с добавкой бора (20 кг B4C на 1 м? бетона), при одинаковой толщине с обычным бетоном (0,5 -- 1 м) он обеспечивает в 2 -- 3 раза лучшую защиту от нейтронной радиации и подходит для защиты от нейтронного оружия.
Содержание в бетоне материалов, имеющих высокую степень поглощения радиационного излучения (бора, водорода, кадмия, лития и др.), устанавливается проектом. Не допускается применение в бетонах добавок солей (хлористого кальция, поваренной соли), вызывающих коррозию арматуры при облучении.
Требования к гранулометрическому составу, физико-механическим характеристикам минеральных, рудных и металлических заполнителей должны соответствовать требованиям, предъявляемым к заполнителям для тяжелого бетона. Металлические заполнители перед употреблением должны быть обезжирены. На металлических заполнителях допускается наличие неотслаивающейся ржавчины.
В паспортах на материалы, применяемые для изготовления бетонов радиационной защиты, проверяют наличие данных полного химического анализа этих материалов.
Подвижность бетонной смеси при подборе состава бетона с металлическими заполнителями должна соответствовать осадке конуса до 2 см.
При приготовлении бетонной смеси объем замеса особо тяжелых бетонных смесей следует уменьшать по сравнению с паспортными данными смесителя обратно пропорционально объемной массе смеси; продолжительность перемешивания бетонных смесей на рудных, металлических и серпентинитовых заполнителях, а также бетонных смесей со специальными добавками, вводимыми в сухом виде, должна устанавливаться строительной лабораторией, но быть не менее 4 мин.
Транспортировку и укладку бетонной смеси для радиационной защиты производят с соблюдением следующих правил: запрещается применение ленточных и вибрационных конвейеров, вибробункеров, виброхоботов; свободное сбрасывание особо тяжелой бетонной смеси допускается с высоты не более 1 м; бетонную смесь на серпентинитовых, рудных и металлических заполнителях укладывают горизонтальными слоями с уплотнением их внутренними вибраторами; толщина слоя не должна превышать длины рабочей части вибратора. Работы с применением бетонов на металлических заполнителях допускаются только при положительных температурах окружающего воздуха.
При контроле качества бетона, применяемого в радиационной защите, пробы бетонной смеси для определения плотности бетона следует отбирать не реже одного раза в сутки; плотность бетона, работающего при повышенных и высоких температурах, определяют после сушки образцов до постоянной массы при температуре, соответствующей максимальной температуре эксплуатации конструкции; отклонения величины плотности бетонной смеси ог проектной не должны превышать 3 %.
Подобные документы
Аварии на радиационно-опасных объектах. Действие радиации на организм человека. Организация дозиметрического контроля. Химическая защита населения в чрезвычайных ситуациях. Меры медико-биологической защиты по предотвращению и снижению тяжести поражения.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 13.12.2016
Открытие нейтрона - поворотный пункт в исследовании ядерных реакций. Способность радионуклидов спонтанно превращаться в атомы других элементов. Основные виды радиоактивных излучений при распаде ядер. Воздействие на организм человека нейтронного излучения.
контрольная работа [198,7 K], добавлен 18.11.2010
Источники ионизирующих излучений. Предельно допустимые дозы облучения. Классификация биологических защит. Представление спектрального состава гамма-излучения в ядерном реакторе. Основные стадии проектирования радиационной защиты от гамма-излучения.
презентация [812,1 K], добавлен 17.05.2014
Прямое и косвенное действие ионизирующего излучения. Действие больших доз ионизирующих излучений на биологические объекты. Генетические последствия радиации. Внутреннее облучение населения. Основные методы и средства защиты от ионизирующих излучений.
презентация [1,1 M], добавлен 25.12.2014
Анализ концепции приемлемого риска при работе с материалами, излучающими радиацию. Средняя допустимая индивидуальная доза облучения персонала как от естественных, так и от техногенных источников радиации. Материалы для защиты от нейтронного излучения.
контрольная работа [74,4 K], добавлен 27.01.2016
Основные источники излучения и классификация средств защиты. Понятие об ультрафиолетовом, инфракрасном и ионизирующем излучении. Радиоактивное загрязнение окружающей среды. Источники и зашита от электромагнитных полей, безопасность при работе с лазерами.
реферат [2,1 M], добавлен 01.05.2010
Понятие электромагнитного излучения, его характеристики и диапазоны. Особенности инфракрасного и ультрафиолетового излучений, история их исследований. Защита от источников излучения в доме и на рабочем месте. Экранирование стен и окон промышленных зданий.
Бетон предназначается для конструкций биологической защиты атомных электростанций, предприятий по производству и переработке изотопов и т. п.
Защитная конструкция энергетических ядерных реакторов может иметь различную форму, но чаще применяется цилиндрическая (рис. 103). Из активной зоны идет поток нейтронов и у-лучей.
Рис. 103. Вертикальный бетонный цилиндрический корпус реактора АЭС со сферической внутренней поверхностью (по А. Н. Кемеровскому): 1 — арматурные тросы, осуществляющие предварительное напряжение бетонного корпуса; 2 — парогенераторы; 3 — тепловая защита; 4 — активная зона; 5 — загрузочные трубы; 6 — станционное оборудование; 7 — ребра (з которых закреплена наружная спиральная предварительно напряженная арматура); 8 — газодувка
Нейтронный поток включает быстрые, промежуточные и тепловые нейтроны. Поглощение нейтронов в графите, стали и бетоне сопровождается образованием захватного у-излучения, которое учитывается в расчетах защиты (рис. 104).
Рис. 104. Схема защиты реактора (по А. Н. Комаровскому): а — активная зона; 6 — графит; в — стальной корпус; г — бетон
Защитные свойства бетонов определяются в основном плотностью (объемной массой бетона )и содержанием связанной воды, являющейся замедлителем нейтронов. Для биологической защиты наряду с тяжелым бетоном применяют особо тяжелые бетоны с объемной массой 2500 — 6000 кг/м3. Гидратные бетоны содержат повышенное количество связанной воды (более 3% по массе). В борсодержащих бетонах бор входит в состав вяжущего, заполнителей или специальных добавок.
Материалы, применяемые для сооружения бетонной защиты, должны обеспечить возможно большую объемную массу бетона и определенное содержание водорода — обычно в виде воды, связанной с вяжущим.
Цементы. Применяют портландцемент или шлакопортландцемент, который выделяет при гидратации немного тепла и поэтому хорошо зарекомендовал себя в массивных защитных конструкциях. В качестве заполнителей используют тяжелые природные или
искусственные материалы. Для особо тяжелого бетона применяют
в качестве заполнителя близкие по своим свойствам железные руды — магнетит (Fe304) и гематит с содержанием железа не менее 60%. Бурый железняк (лимонит) Fe203-nH20 позволяет значительно повысить содержание связанной воды в гидратном бетоне. Баритовые руды (или барит), содержащие около 80% сульфата бария применяют в качестве мелкого и крупного заполнителя.
Металлический крупный заполнитель получают из отходов металлообрабатывающих заводов, мелким заполнителем служит кварцевый или лимонитовый песок, а также чугунная дробь. Свинцовая дробь дорогая и ее применяют при малой толщине защиты для заделки отверстий в конструкциях, когда требуется бетон с повышенными защитными свойствами. Объемная масса бетона на металлическом заполнителе достигает 6000 кг/м3.
Бетон должен иметь заданную марку по прочности и относительно низкий модуль упругости, что позволяет снизить величину растягивающих напряжений во внешней зоне защиты, вызываемых односторонним нагревом. Кроме того, бетон, расположенный у активного корпуса реактора, должен обладать достаточной стойкостью к воздействию излучений, быть огнестойким и жаростойким даже при температурах, возможных при аварийном режиме реактора. Для массивных конструкций желательна меньшая теплота гидратации цемента и минимальная усадка бетона (для предотвращения температурных и усадочных трещин), а также небольшая величина коэффициента температурного расширения.
Механические свойства особо тяжелых магнетитового, гематитового, лимонитового и баритового бетонов близки. Особо тяжелый бетон имеет марки по прочности Ml00, М200 и МЗОО, при этом марки на осевое растяжение составляют Р10, Р20.
В качестве дополнительной характеристики бетона, которую учитывают в расчете толщины защиты, подбирают количество связанной воды <В), исходя из того, что она связывается цементом или входит в состав заполнителя (лимонита, серпентина).
В табл. 35 приведены примерные составы особо тяжелого бетона на разных заполнителях.
ООО "Арена"
г. Ижевск, ул. Маяковского 13
Email: Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.
Телефон: (3412) 51-22-73
Факс: (3412) 51-22-73
Примечание
Нормы и стандарты по бетонному строительству в Европе переживают перелом. В переходный период параллельно действуют как старые, так и новые нормы. Данная спецификация основывается на стандарте.
Текст, выделенный в данной спецификации курсивом, указывает на изменения, обозначенные в новом поколении норм и стандартов.
В соответствии с DIN 1045 тяжелый бетон (плотность в сухом состоянии > 2,8 кг/м или плотность бетона, высушенного в печи > 2,6 кг/дм3) используется для:
- защиты от излучения (медицина, дефектоскопия, таможня, исследования, атомные электростанции),
- балластировки (строительные машины, корабли, защита фундамента от выталкивающей подъемной силы, трубопроводы),
- сейфы и
- звукоизоляция
С целью защиты от радиационного облучения законодатели установили максимальные значения допустимых доз облучения. Бетон для защиты от радиации (называемый также экранирующий бетон) служит для ослабления воздействия опасного излучения. В таблице 1 представлено действие защиты, образуемой бетоном. Подтверждение ослабления излучения не является задачей инженера-бетонщика; специалист по радиационной защите должен предоставить необходимые параметры для проектирования бетона с учетом конструктивных характеристик (например, толщина строительного элемента):
- плотность жесткого бетона,
- содержание химически связанной воды,
Таблица 1: Действие бетона для защиты от радиации
Источники
излучения
(примеры)
Требования к качеству бетона для защиты от радиации
рентгеновски приборы, линейный ускоритель
- обычный бетон с pR ≥ 2,4 кг/дм 3 и толщиной около 300 мм
альфа-
излучение
бета-излучение
- толщина бетона должна быть в мм
ядерные
реакторы,
радионуклиды,
ядерные
взрывы
- высокая плотность и/или
- высокое содержание химически связанной воды
- добавки в виде бора, кадмия или гафния
Таблица 2: Заполнители (зернистые заполнители) и добавки в тяжелый бетон и бетон для защиты от радиации
Группы веществ (имеющиеся размеры зерен)
Плотн
ость
зерна
кг/дм 3
Содерж
ание
железа
Весовой
процент
Кристаллиз
ационная
вода
Весовой
процент
Содерж
ание
бора
Весовой
процент
Химические
элементы
(Основные
составляющие)
Ориентировоч ная цена Обычная надбавка = 1
(обычный зернистый заполнитель)
Тяжелые природные заполнители
(природные тяжелые зернистые заполнители)
Барит (тяжелый шпат)
Ильменит (титанистый железняк)
Магнетит (магнитный железняк)
Гематит (красный железняк)
Тяжелые искусственные заполнители (промышленно произведенные тяжелые зернистые заполнители)
Шлаки тяжелых металлов 1)
Стальная дробь (0,2. 3 мм)
Заполнители (зернистые заполнители) с
повышенным
содержанием
кристаллизационной
воды
Лимонит (4.. .16 мм) Серпентин
Fe, O, H
Si, Mg, O, H
1) Содержание тяжелых металлов может колебаться.
Таблица 3: Кривые гранулометрического состава согласно гранулометрической кривой Фуллера
Содержание подрешетного продукта в % от объема для размера ячеек сита (мм)
Таблица 4: Ориентировочные данные по содержанию учитываемой связной воды (водорода) wzs в сухом цементном камне
Рабочая температура в °С
при продолжающейся гидратации 1)
1) Строительные элементы, защищенные от высыхания, и массивные конструкции в возрасте минимум 3 месяца
2) Высокие значения получаются при водоцементном отношении > 0,5 для
- быстро твердеющего цемента
- цемента с высоким содержанием C3S и более крупной мелкодисперсной взвесью
- количество добавок с высокой вероятностью захвата нейтронов,
- химико-минералогический состав заполнителей (зернистых заполнителей)
Другие требования к бетону могут вытекать из
- термических нагрузок,
- механического и химического разрушения,
- экономических ограничений
Для защиты от радиации используются тяжелый бетон с плотностью в сухом состоянии от 2,8 до 6,0 кг/дм3 (от 2,6 до 6,0 3 «-* кг/дм ), а также обычный бетон, причем в медицинской технике конструктивные элементы должны иметь толщину до 2 м.
1. Исходные вещества
Цемент
Можно использовать цемент в соответствии с DIN EN 197-1 и DIN 1164 при условии соблюдения правил применения цемента (DIN 1045-2 устанавливает области использования цемента в зависимости от классов экспозиции строительных элементов). Для создания массивных элементов может использоваться цемент с нормальным начальным твердением или низкотермичный цемент.
Заполнители (зернистые заполнители) и добавки
Обзор заполнителей (зернистых заполнителей) и добавок, используемых при изготовлении тяжелого бетона и бетона для защиты от радиации, представлен в таблице
2. Свинец и камни, содержащие свинец, не подходят для использования при приготовлении бетона, так как они могут привести к нарушениям в процессе схватывания, при этом не образуется достаточной связи сцепления с цементным камнем.
Предпочтительным является использование зерен заполнителя, имеющих приплюснутую форму. Для удобоукладываемости и получения высокой плотности бетона его гранулометрический состав должен находиться в зоне кривой A/B. Если поставляемые зернистые заполнители не соответствуют заполнителям, обычно используемым в бетонном строительстве, то необходимо использовать смесь с уменьшенным содержанием мелкодисперсной взвеси (таблица 3). Заполнители (зернистые заполнители) должны соответствовать требованиям стандарта DIN 4226. Если производитель бетона получает тяжелый заполнитель (тяжелый зернистый заполнитель) от поставщика, не подлежащего контролю качества (подтверждению соответствия) согласно DIN 4226, то производитель должен предоставить свидетельство о составе и однородности бетонной смеси, а также в случае необходимости, анализ, проведенный компетентными лабораториями.
Разрешено использовать тяжелые заполнители, удовлетворяющие следующим основным условиям:
- должны быть обеспечены необходимый гранулометрический состав, плотность зерен, содержание кристаллизационной воды и химический состав,
- свойства заполнителей (зернистых заполнителей) не должны оказывать отрицательного влияния на прочность и плотность бетона,
- износ, обусловленный хранением заполнителей (зернистых заполнителей), а также смешиванием и укладкой бетонной смеси, должен быть незначительным,
- структура поверхности компонентов заполнителя (зернистого заполнителя) не должна снижать сцепление в строительном растворе, и соответственно, бетоне,
- заполнитель (зернистый заполнитель) не должен содержать компонентов, отрицательно влияющих на бетон и разрушающих стальную арматуру,
- минимальный предел прочности на сжатие должен составлять 80 Н/мм2 (опытные данные).
Можно использовать установленные нормой или разрешенные добавки.
Присадки
Необходимо использовать только установленные нормой или разрешенные присадки. Так как нельзя исключить возникновение химической реакции между присадками и тяжелыми заполнителями (тяжелыми зернистыми заполнителями), необходимо проводить испытания на определение пригодности, специально провести проверку изменения схватывания и твердения.
Химические реакции, приводящие к повреждению бетона и возникающие между природным тяжелым заполнителем (природным тяжелым зернистым заполнителем) и пластификаторами, разжижителями и замедлителями, не известны.
Арматурная сталь
Можно использовать все виды арматурной стали в соответствии с DIN 488. При динамической нагрузке (удары, взрывы) к предельному удлинению и обратному изгибу могут предъявляться повышенные требования.
2. Состав бетонной смеси
Содержание учитываемой связной воды (водорода)
В настоящее время не существует общепризнанных данных о связывании воды в цементном камне и заполнителях (зернистых заполнителях). В таблице 4 представлены ориентировочные данные по содержанию учитываемой связной воды (водорода) в цементном камне при различных условиях хранения и эксплуатации. Более детальные данные требуют проведения трудоемких экспериментальных исследований в соответствии с каждым отдельным случаем.
В таблице 2 представлено учитываемое содержание кристаллизационной воды в заполнителях (зернистых заполнителях) в обычных климатических условиях. При рабочей температуре от 80 °C заполнители (зернистые заполнители) теряют влагу в зависимости от температуры и времени воздействия. Заполнители (зернистые заполнители), содержащие лимонит, в целом сохраняют достаточно высокое содержание кристаллизационной воды до рабочей температуры 150 °C, заполнители (зернистые заполнители), содержащие серпентин, до температуры 350 °C.
Плотность бетонной смеси
Путем определения плотности свежеприготовленной бетонной смеси pb,h (Pc,h) с учетом ее производственного распределения можно регулировать плотность жесткого бетона pb (pc), имеющую решающее значение при его проектировании: Pb,h = Pb + 1,645 • s + w - wzs Для предварительной оценки можно использовать формулу s = 0,01 • pb
Предел прочности при сжатии
Используя названные заполнители (зернистые заполнители) можно получить классы прочности B 25 и B 35 (C 20/25, C 25/30 и C 30/37), необходимые для тяжелого бетона и бетона для защиты от радиации. Главными факторами, оказывающими влияние на прочность, являются так же, как и в обычном бетоне, водоцементное отношение, прочность цемента и количество пор уплотнения. При использовании искусственных и содержащих кристаллизационную воду заполнителей (зернистых заполнителей) могут возникать отклонения в процессе твердения по сравнению с обычным бетоном.
Свойства свежеприготовленной бетонной смеси
Объем пор в свежеприготовленной бетонной смеси даже при хорошем уплотнении составляет 1,5 % от общего объема, а при использовании искусственных заполнителей (промышленно произведенных зернистых заполнителей) объем пор может повышаться до 3 %.
Содержание воды, необходимое для получения определенной консистенции, соответствует содержанию воды в обычном бетоне, при использовании искусственных заполнителей (промышленно произведенных зернистых заполнителей) возможны отклонения. Необходимо удерживать содержание воды на низком уровне, так как иначе снизится плотность бетона, увеличится усадка, и будут образовываться трещины.
При наличии мягкой и текучей консистенции и различной плотности заполнителей (плотности зернистых заполнителей) существует опасность расслоения.
Проектирование бетонной смеси
При проектировании бетонной смеси действуют такие же условия, что и для обычного бетона, при этом необходимо учитывать различную плотность заполнителей (плотности зернистых заполнителей).
Для пояснения можно посмотреть следующий пример:
- Необходимые свойства: B 25 (C20/25), внутренний элемент (XC 1) Pb = 3 200 кг/м 3 Консистенция KP (C 2, F 2)
Пористость свежеприготовленной бетонной смеси p = 2,0 % по объему Рабочая температура < 40 °С
- Имеющиеся вещества:
Цемент CEM III/B 32,5N - NW с pz = 3000 кг/м3
Тяжелый заполнитель с pg1 = 4 200 кг/м Обычный заполнитель с pg2 = 2 700 кг/м 3
- Согласно диаграмме: в/ц отношение = 0,59 w = 165 кг/м 3 z = 280 кг/м3
- Объемная доля заполнителя:
Vg = 1 - z/pz - w/1 000 - p
Vg = (1 - 280/3 000 - 165/1 000 - 0,02) м 3 /м 3 Vg = 0,72 м 3 /м 3
- Массовая доля заполнителя с учетом плотности свежеприготовленной бетонной смеси:
Pb,h = Pb + 1,645 s + w - wzs
pb,h = 3 200 + 1,645 • 0,01 • 3 200 + 165 - (0,2 • 280 + 30)
Pb,h = 3 300 кг/м 3 g = pb,h - z - w g = 3 300 - 280 - 165 g = 2 880 кг/м 3
- Распределение общей массы по обоим заполнителям с обоими уравнениями: g = g1 + g2
V g = g1/Pg,1 + g2/Pg,2 g1 = (Vg • pg,1 • pg,2 -g • pg,1) / (pg,2 - pg,1) g1 = (0,72 • 4 200 • 2 700 - 2 880 • 4 200) / (2 700 - 4 200) g1 = 2 620 кг/м 3 g2 = g-g1 = 2 880 - 2 620 g2 = 260 кг/м 3
Заполнители должны быть разделены в соответствии с необходимым гранулометрическим составом на отдельные фракции.
Ориентировочные данные представляют также рецептуру уже изготовленных деталей, таблица 5.
3 Производство и укладка Опалубка и леса
При повышенной плотности свежеприготовленной бетонной смеси необходимо определить соответствующие размеры опалубки и лесов. Целесообразным является применение временной стяжки элементов опалубки, так как в целом сложно закрыть анкерные отверстия с помощью раствора бетона для защиты от радиации. Необходимо подтвердить пригодность стяжки элементов опалубки и распорок.
Опасность для всего живого представляют гамма-лучи и нейтронное излучение. Для того, чтобы защититься от вредных излучений, используют радиационно-защитные бетоны. Их эффективность достигается в том случае, если материал, из которого они изготовлены, характеризуется высоким содержанием водорода. Используемые в конструкциях защитных экранов, установленных возле ядерных реакторов, они имеют высокую термостойкость и хорошую теплопроводность, а также низкие показатели коэффициента термического расширения.
Бетон защищает все живое от радиационного излучения. В нем соединяется высокая плотность и достаточно большое количество водорода. Чтобы уменьшить действие радиации возле атомных электростанций, применяют тяжелые бетоны, плотность которых не меньше 2500—7000 кг/м3.
Какие бетоны не пропускают радиацию?
Используя атом в мирных целях, нужно, в первую очередь, полностью обеспечить безопасность персонала, работающего на атомных электростанциях возле ядерных реакторов, а также на других вредных предприятиях. В качестве надежной защиты использовали бетоны с наполнителями из материалов с высокой плотностью, а именно: портландцементы, шлакопортцементы, глиноземистые цементы.
Создание новых материалов стало возможным из-за увеличенной доли водорода в ходе производства.
Благодаря увеличению содержания водорода, что способствовало использование большого количества воды вместе с связующим элементом, например, гидросульфоалюминатом кальция, создавались новые соединения. Чтобы улучшить их защитные свойства, начинают вводить добавки, включающие борсодержащие вещества.
Характеристики защитных свойств бетонов
Как основную защиту от радиационного облучения, давно используют тяжелые гидратные бетоны. Для их наполнителей берут следующие материалы:
- Барит — природный минериал белого цвета — сернокислый барий (BaSO4);
- Железные руды:
- магнетит (Fe304);
- красный железняк (Fe203);
- лимонит (2Fe203).
Плотность на заполнителе из барита — 38000 кг/м3, на песке и щебне — 2600—4000 кг/м3, а на отходах из чугуна, стали, крупного лома (дробь, крошка, скрап) — 5000—7000 кг/м3. Поэтому, изготовляя их, нужно учитывать влияние облучения на разные материалы. Существует вероятность, что это может нарушить состав и привести к разрушению всей конструкции. Это нужно учитывать еще при планировке и проектировании. Конструкционные, жаростойкие и теплоизоляционные бетоны, которые используют при строительстве атомных станций, тоже должны соответствовать этим требованиям.
Как влияет радиация?
Известно, что радиация способна уничтожить не только все живое, но и защиту, которая была возведена для безопасности. Цемент, вода, щебень, песок, камень, минеральные заполнители не могут создать 100% защиты, именуемой «иммунитет». Излучение способно изменить даже атомную структуру, снизить стойкость к химическим разрушениям использованого материала, привести к дефомации, а затем — к полному уничтожению. Это касается не только прочности какого-то одного материала, а и балок, перекритий, что поставит под угрозу всю структурную целостность сооружения.
Для биологической защиты от радиоактивных излучений используют обычный (тяжелый) бетон, а также специальный тяжелый (или особо тяжелый) бетон. Защитные свойства бетонов от действия наиболее опасных для живых организмов гамма-лучей и нейтронов определяются в основном плотностью (объемной массой) бетона и содержанием связанной воды.
Защитные бетоны должны соответствовать особым требованиям плотности и однородности: в бетоне не должно быть сквозных швов, каверн, раковин и трещин, по которым могут проникнуть «прострелы» излучения.
Особо тяжелые бетоны делятся на бетоны на тяжелых заполнителях с объемной массой более 2,5 т/м 3 , гидратные — с повышенным содержанием связанной воды (более 3%) и боросодержащие — независимо от объемной массы и водосодержания.
Материалы для изготовления особо тяжелого бетона.
Для особо тяжелых бетонов применяют обычный портланд- или шлакопортландцемент. Глиноземистый и расширяющийся гипсоглиноземистый цементы можно использовать в гидратных бетонах. Однако нужно учитывать, что прочность бетона, изготовленного на этих цементах, снижается при высоких температурах.
В качестве заполнителей применяют руды — магнезит и гематит с объемной массой в плотном теле 3,2—4,3 т/м 3 и содержанием железа не менее 60%; баритовые руды, содержащие около 80% сульфата бария, с объемной массой 4— 4,5 т/м 3 . В качестве крупного заполнителя применяется металлический скрап. Мелким заполнителем служит обычный песок, измельченный лимонит или магнетит, а также чугунная дробь. Крупные железные заполнители применяются в виде различных обрезков, отходов от штамповки металла и мелких некондиционных изделий, которые рубят на куски (до размеров, установленных для минеральных заполнителей) и очищают от масляной пленки горячей водой, острым паром или растворами щелочей.
Для гидратных бетонов применяют лимонитовые руды (бурый железняк) с объемной массой в плотном теле 3,2—4 т/м 3 и содержанием железа около 60%. Содержание связанной воды в бетоне с заполнителем из лимонитовых руд в 2 раза больше, чем в обычных. Однако чисто лимонитовые бетоны не применяются из-за большей усадки и низкой прочности. Лимонитовый мелкий заполнитель используется в бетонах, включающих тяжелые составляющие.
Серпентин, основная часть природной руды серпентинита,— весьма перспективный заполнитель для получения гидратных бетонов. Объемная масса в плотном теле 2,4—2,6 т/м 3 , содержание химически связанной воды 9—17%. Характерная особенность серпентина — способность удерживать воду при сравнительно высокой температуре. В основном используется как мелкий заполнитель в сочетании с крупным из магнетита, железного скрапа и т. д.
Боросодержащими заполнителями являются бораты (группа минералов, содержащих бор) Некоторые из них содержат связанную воду, что повышает их эффективность. Используют также искусственные соединения: карбиды бора, борат кальция и др.
Приготовление и контроль качества особо тяжелого бетона.
Вид бетона по защитным свойствам и его состав выбирают на основании «Указаний по проектированию бетонных конструкций из специальных бетонов». Качество бетона для защиты определяется объемной массой и количеством связанной воды.
Для повышения водоудерживающей способности бетонной смеси вводят дисперсные минеральные добавки — золы ТЭЦ, молотые шлаки и т. д. Состав бетона определяется по методу абсолютных объемов. Расход цемента колеблется в пределах 250—400 кг/м 3 .
Бетонная смесь для особо тяжелых бетонов труднее перемешивается в бетономешалке, и время перемешивания должно быть не менее 2 мин. Объем замеса бетономешалки следует уменьшить обратно пропорционально объемной массе перемешиваемой смеси.
Опалубка и формы для укладки бетонной смеси должны быть рассчитаны на повышенное давление. Объемная масса заполнителей определяется после 30 с вибрирования на стандартной виброплощадке.
Читайте также: