Оптимизация состава особо тяжелого высокопрочного бетона для защиты от радиации Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.327: 666.97-136-16

В.И. КАЛАШНИКОВ, В.С. ДЕМЬЯНОВА, доктора техн. наук, Д.В. КАЛАШНИКОВ, К.Н. МАХАМБЕТОВА, кандидаты техн. наук, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства

Оптимизация состава

особо тяжелого высокопрочного бетона

для защиты от радиации

Как показывает практика, особо тяжелый высокопрочный бетон для одновременной защиты от у-излучений и нейтронных потоков изготавливают, как правило, на тяжелых заполнителях из барита, железной руды, лимонита, магнетита, металлического скрапа и др. [1]. В табл. 1 представлена плотность особо тяжелого бетона на различных заполнителях по данным [2].

Ниже приводятся физико-механические свойства и сравнительная характеристика бетонов, изготовленных на различных заполнителях и применяемых для создания тепловой и биологической защиты ядерных реакторов и других источников ионизирующих излучений.

Бетон, изготовленный на базальтовых заполнителях, имеет среднюю плотность 2410—2620 кг/м3 и характеризуется большой однородностью по плотности и химическому составу. Заполнители на основе базальтов отличаются от обычных заполнителей наличием значительного количества элементов с большим атомным номером ^е, Са, Т^ Мп, К), которые хорошо ослабляют нейтроны [3]. Бетоны на базальтовых заполнителях имеют слабокристаллизованную структуру с небольшими кристаллами, вследствие чего они достаточно стойки к воздействию повышенной и высокой температуры. Дополнительным преимуществом их являются достаточно близкие коэффициенты линейного температурного расширения [3]. Зерна дробленого базальта имеют угловатую форму. Это ухудшает удо-бообрабатываемость и способность бетонной смеси к уплотнению, что часто вызывает необходимость повышения величины водоцементного отношения. С другой стороны, подобная форма заполнителей улучшает сцепление их с цементным камнем и способствует увеличению прочности бетона при сжатии. В возрасте 28 сут она составляет 67—77 МПа. Базальтовый

Таблица 1

Вид заполнителя Показатели плотности, кг/м3

минимальная максимальная

Лимонитовый 2500 3000

Магнетитовый 2800 4000

Баритовый 3300 3600

Чугунный скрап 3700 5000

Комбинированный: - с лимонитовым песком и обычным щебнем из тяжелых каменных пород; - с баритовым щебнем; - магнетитовым щебнем; - с металлическим скрапом 2400 3000 2900 3600 2500 3200 3800 5000

бетон на портландцементе имеет высокие показатели модуля упругости, износостойкости, морозостойкости и низкое водопоглощение.

Плотность лимонитового бетона достигает только 2500—2900 кг/м3 вследствие малой плотности лимони-товой руды (3960 кг/м3 в куске). Однако содержание химически связанной воды в таком бетоне может быть вдвое больше (до 11 мас. %). Допускаемая температура эксплуатации без потери химически связанной воды 160оС [3]. По данным [4], при нагреве до 300оС лимони-товый заполнитель теряет половину химически связанной воды. При 500оС потеря воды составляет уже около 70%, а при температуре более 800оС вода испаряется полностью. Вследствие слоистой структуры заполнителя усадка лимонитового бетона колеблется в значительных пределах 0,6—1,2 мм/м [3]. Введение в лимонито-вые бетоны, даже в небольших количествах, стальных заполнителей повышает плотность до 3500—4000 кг/м3, прочность при сжатии до 35—40 МПа, а также снижает величину усадки до 0,4 мм/м.

Несмотря на невысокую плотность серпентинито-вого бетона (2300-2600 кг/м3), этот вид бетона является эффективной защитой от нейтронов всех энергий [3]. Это обусловлено высоким содержанием химически связанной воды, достигающей 10-15 мас. % при 20оС и 10% при 400оС [5]. В связи с этим серпентини-товый бетон сохраняет достаточное количество воды при температуре 400-500оС, что делает защиту достаточно эффективной. Модуль упругости серпентинито-вого бетона при 20оС 18200 МПа, при 500оС - 4420 МПа. Серпентинит пригоден для бетонов, используемых в конструкциях, подверженных воздействию температуры до 500оС. Такая стойкость обеспечивается малокри-сталлизованной формой скальной породы и соответствующим температурным расширением (6—9)-10-6-К-1, равномерным во всех направлениях и постоянным при разной температуре.

Для защиты от нейтронного и гамма-излучения, в условиях высокой температуры хорошо зарекомендовал себя бетон, в качестве заполнителей в котором используют хромитовые руды. Бетон на таких заполнителях выдерживает температуру до 1770оС. Хромитовый бетон на портландцементе, выдерживающий интегральный поток нейтронов 2,74 025 н/м2 при 200—350оС, описан в [6]. Образцы из хромитового бетона после облучения в указанных условиях сохраняли размеры, форму и достаточно высокую прочность. Аналогичными свойствами обладает бетон на магнетите и гематите. Плотность бетона на песке и щебне из магнетита составляет около 4000—4500 кг/м3, а прочность при сжатии достигает 50—70 МПа. Магнетитовые бетоны характеризуются хорошей теплопроводностью. Коэффициент теплопередачи их составляет 2,675—3,256 Вт/(м2-К).

Таблица 2

Используемая фракция смеси стеклозаполнителя Содержание стеклозаполнителя в смеси, % Плотность смеси, кг/м3 Межзерновая пустотность, %

в насыпном состоянии, рнас в уплотненном состоянии, рупл в насыпном состоянии, Vnнaс в уплотненном состоянии, Шупл

0,14-0,63 4

0,63-1,25 7,3

1,25-2,5 13,2 2916 3414 43,7 34

2,5-5 8,5

5-10 67

Таблица 3

Расход материалов на 1 м3 бетонной смеси, кг Дозировка С-3 в стеклоносителе, % Дозировка С-3 с водой затворения,% В/Ц ОК, см Ж, с Прочность, МПа Плотность, кг/м3

Ц П СЩ Щ Сп Сл СН

481 - 2312 - 1044 - 99 1,03 - 0,37 18-20 9,9 34,4 65

- 4115 4100 4095

481 - 2312 - 1044 - 99 1,03 - 0,28 3-5 11,5 41 77

- 4275 4238 4200

560 - 2312 - 1135 - 99 0,88 - 0,24 - 24,5 68 92

25-30 4337 4310 4297

510 280 2312 - 523 - 50 0,42 - 0,23 3-4 26 55 72

- 3620 3680 3600

510 560 2312 - - - 50 0,42 - 0,27 5-6 16 48,6 66

- 3800 3790 3780

478 - 2312 - - 897 82 0,83 - 0,29 - 3,2 26 40

3900 3885 3870

300 - 2312 - 1319 65 1,08 - 0,43 - ,5 13 20

4100 4090 4075

560 560 - 1300 - - - - - 0,38 2-4 17,6 38 74

- 2520 2490 2483

560 560 - 1300 - - - - 1 0,29 2-4 24 65 91

- 2515 2510 2500

Примечание. Ц - цемент; П - песок; СЩ - стеклощебень; Щ - щебень; Сп - стеклопесок (смесь фракций); Сл - стеклопесок фр. 0,14-2,5 мм; СН - стеклоноситель.

Температурный коэффициент линейного расширения магнетитового бетона составляет (9—15)^ 10-6 К-1, что обеспечивает в защитах из них равномерные температурные градиенты и, следовательно, температурные напряжения [3]. Близки по своим свойствам и бетоны на гематитовом заполнителе. Средняя плотность гематито-вого бетона 3800 кг/м3. Тепловой коэффициент линейного расширения гематитового бетона 5,9-10-6-К-1. Гематиты сильнее кристаллизованы, чем магнетиты, и состоят из большого числа крупных кристаллов. В связи с этим гематитовые бетоны менее стойки к воздействию высоких температур по сравнению с магнетитовыми бетонами. Радиационно-стойкий при флюенсе нейтронов до 7-1024-н/м-2 гематитовый бетон имеет следующий состав: портландцемент — 295—315 г/м3; гематит (крупный заполнитель) — 2150—2650 кг/м3; тонкомолотая добавка (гематит) — 295—315 кг/м3; вода — 230—300 кг/м3. Средняя плотность бетона 3000—3500 кг/м3. При указанной радиационной нагрузке линейное расширение бетона равно 1—2%. Бетон может быть использован в защите при температуре до 800оС. Кроме того, бетон на гематитовом заполнителе в два раза дешевле хромитового бетона.

Баритовые бетоны с заполнителем из баритовой руды имеют плотность 2700—3800 кг/м3; прочность при сжатии 16—30 МПа; прочность при растяжении составляет лишь 8—10% прочности при сжатии; коэффициент теплопередачи 1,28—1,98 Вт/(м2-К); температурный коэффициент линейного расширения (20-30) 10-6-К-1 в интервале температур 20-900оС [3]. Из всех бетонов, получивших широкое применение в сооружениях ядерных объектов, баритовые бетоны наименее стойки к темпера-

турным воздействиям, особенно цикличным. Это обусловлено тем, что кристаллы BaSO4 имеют значительные размеры, а также значительное и одновременно неодинаковое по кристаллическим осям температурное расширение Сх = 19 10-6-К-1; Су = 22 10-6-К-1; dz = 35-10-(6-К-1. При воздействии температурных циклов расшатывается как структура заполнителя, так и структура бетона. Учитывая это обстоятельство, баритовые бетоны рекомендуется применять лишь в конструкциях, не подвергаемых воздействию температуры свыше 80оС. Баритовые бетоны имеют низкую морозостойкость. Через 25 циклов попеременного замораживания и оттаивания баритового бетона происходит снижение его прочности на 40-60%. Это обусловлено присутствием в барите растворимых солей. Макроскопическое сечение поглощения гамма-излучения с энергией 5 МэВ для баритового бетона составляет 0,101 см-1. Вместе с тем в отличие от бетонов на железорудных заполнителях баритовые бетоны не вызывают существенного вторичного гамма-излучения.

Модифицирование бетонов на тяжелых плотных заполнителях стальным и чугунным ломом позволяет значительно повысить плотность бетона. Например, средняя плотность бетона, изготовленного из чугунных чушек, достигает 3000-5000 кг/м3. Плотность бетонов на металлическом скрапе в виде обрезков и отходов от штамповки металла, отходах от производства ферро-фосфора, феррокремния или на свинцовой дроби составляет 3600-6800 кг/м3. Вместе с тем такой бетон имеет несколько худшие механические показатели по сравнению с обычным бетоном, что объясняет трудности достижения равномерности состава и плотности

26

август 2011

Таблица 4

Расход материалов на 1 м3 бетонной смеси Расход добавок, % В/Ц ок , см Плотность, кг/м3 Прочность при сжатии, МПа, в возрасте, сут

цемент стекло-песок стекло-щебень стекло-носитель С-3 ОПЭ К^04 + Na2CO3 1 28

544 1081 2202 94 0,86 0,001 - 0,33 16 4025 22 35 62 100

544 1081 2202 94 0,86 0,001 0,65+0,14 0,33 4025 28,6 62,8

16 45 100

при укладке. Модуль упругости у бетона на заполнителе из чугунного лома (1—2,3) 104 МПа; прочность 6—11,5 МПа; усадка через 6 месяцев 0,45 мм/м; полная усадка 0,75 мм/м.

Использование в качестве заполнителей металлических отходов и чугунной дроби позволяет получить бетон плотностью 6800 кг/м3. При соответствующих методах укладки и уплотнения бетонной смеси удается получить бетон с плотностью 7000 кг/м3 и более [3]. Металлические заполнители перед применением должны быть очищены от масляных пленок, которые снижают сцепление их с цементным камнем [3]. Температурный коэффициент линейного расширения бетона на стальном ломе 5,1-10-6-К-1. Недостатком тяжелого бетона с железным ломом является активация железных включений под действием нейтронного потока и выделение ими жестких вторичных излучений.

Значительно превосходит защитные свойства бетон на свинцово-порошковом заполнителе. Свинец является поглотителем нейтронов и эффективным замедлителем гамма-излучения. Технология приготовления такого бетона не отличается от обычного. Бетон на основе алюминатного цемента и свинца в качестве заполнителя предлагается также для биологической защиты стен реакторов. Средняя плотность 8500 кг/м3; предел прочности при сжатии в возрасте 28 сут 30 МПа; при растяжении — 6 МПа.

Выполненный анализ свидетельствует, что бетон на основе тяжелых высокоплотных заполнителей из железных руд, хромита, барита обладает достаточно хорошей радиационной стойкостью. Согласно [4] он способен без существенного ухудшения строительно-технических свойств выдерживать длительное действие радиации с интегральным потоком нейтронов до 5-1024 н/м2 при рабочей температуре до 500оС. При локальных перегревах такой бетон устойчив до 1100оС, хотя и теряет до 70% исходной прочности.

В настоящее время возможности повышения плотности растворной матрицы бетона заметно возросли за счет использования эффективных добавок, способных снизить водопотребность бетонной смеси на 20—30% [7]. Особенно эффективно использование суперпластификаторов в комплексе с тонкомолотыми дисперсными и ультрадисперсными минеральными наполнителями, такими как микрокремнезем, зола-унос, металлургические шлаки и др. [8]. Введение суперпластификатора на дисперсных носителях позволяет снизить водоцемент-ное отношение до 0,28—0,32 [9].

Введение оптического стекла ТФ 10 в цементные суспензии в качестве тонкодисперсного носителя суперпластификатора в количестве до 20% массы цемента позволяет обеспечить водоредуцирующее действие суперпластификатора на различных видах цемента в пределах 44—50%. Очевидно, следует ожидать значительного снижения водопотребности бетонных смесей, изготовленных на комплексе мелкого и крупного стеклозаполни-теля и стеклоносителе суперпластификатора. В связи с этим получение особо тяжелого высокопрочного бетона

достигали, с одной стороны, путем комплексного использования тяжелого свинцово-силикатного оптического стекла ТФ 10 в качестве заполнителя и наполнителя бетонных смесей, с другой — за счет низкого водоце-ментного отношения, обеспеченного введением суперпластификатора на дисперсном стеклоносителе.

Опытные образцы-кубы размером 10x10x10 см готовили на цементе марки ПЦ500Д0 ПО «Осколцемент». В качестве крупного заполнителя использован дробленый стеклозаполнитель фр. 5—10 мм. Для сравнения готовили бетон на гранитном щебне фр. 5—10 мм марки М1400 Свердловского карьера.

Расход цемента для высокопрочного бетона находится в пределах 500-600 кг/м3 [9]. Поэтому на первом этапе исследований было принято его минимальное количество 480 кг/м3 с дальнейшим повышением до максимального значения Ц=620 кг/м3. Содержание дисперсного стеклоносителя суперпластификатора изменяли от 12 до 20%. При таком его содержании доля С-3 от массы цемента достигала 0,86-1,08%. В пересчете на массу смешанного вяжущего содержание С-3 составило 0,75-0,85%.

С целью повышения плотности бетона с учетом высокой межзерновой пустотности стеклозаполнителя фр. 5-10 мм (55,6%) предварительно изучали его гранулометрический состав. Минимальная межзерновая пу-стотность в насыпном и уплотненном состоянии 43,7 и 34% соответственно обеспечивает смесь фракций заполнителей при соотношении, указанном в табл. 2.

Составы и физико-механические свойства особо тяжелого высокопрочного бетона, изготовленного на стек-лозаполнителе и гранитном щебне, представлены в табл. 3. Как показали проведенные испытания, максимальная плотность 4297 кг/м3 была достигнута для бетона на заполнителе оптимальной гранулометрии (состав 3). Прочность при сжатии такого бетона достигает 92 МПа (при В/Ц=0,24), что не уступает бетону на гранитном заполнителе при водоцементном отношении В/ Ц=0,29. Соотношение компонентов бетонной смеси цемент:дисперсный носитель:стеклопесок:стеклоще-бень для указанного состава было принято 1:0,18:2,03:4,13 или 1:6,34 (цемент:стекло).

При использовании суперпластификатора С-3 не удалось получить бетонную смесь при В/Ц=0,24 на гранитном заполнителе фр. 5-10 мм и песке с Мкр=2,2 той же подвижности, что и на стеклозаполнителе. Только благодаря использованию оптического стекла в качестве мелкого и крупного заполнителя, а также сухого введения С-3 на дисперсном стеклоносителе эта задача была реализована. Можно полагать, что чрезвычайно низкая водопотребность стеклозаполнителя позволила бы изготовить бетонные смеси меньшего водосодержа-ния при наличии более эффективного суперпластификатора.

Достаточно высокая плотность 3870-4100 кг/м3 была получена для сильно наполненного тощего бетона низкой марки (прочность при сжатии в возрасте 28 сут 20 МПа, состав 7) и средней марки (40 МПа, состав 6).

Соотношение компонентов бетонной смеси для бетонов указанных составов было принято: состав 7 — 1:0,22:4,39:7,7 или цемент:стекло - 1:12,3 при В/Ц=0,43; состав 6 — 1:0,17:1,88:4,84 или цемент:стекло — 1:6,9 при В/Ц=0,29.

Низкое значение В/Ц в составах 3 и 4 обеспечивает в структуре бетона преимущественно гелевую и кон-тракционную пористость, что в свою очередь способствует снижению объемных изменений бетона при попеременном увлажнении и высушивании.

Необходимо отметить, что специфические особенности стеклозаполнителя, а именно его высокая плотность, вносят существенный вклад в изменение подвижности и жесткости бетонных смесей.

Установлено, что при одинаковой осадке конуса ОК=1—2 см бетонные смеси на стеклозаполнителе имеют меньшую жесткость, чем смеси на природных заполнителях. Одинаковый коэффициент уплотнения бетонных смесей марки по удобоукладываемости П1, изготовленных на стеклозаполнителе, достигается при времени вибрирования, в два раза меньшем по сравнению со смесями на природных заполнителях.

Для монолитного и сборно-монолитного строительства рекомендованы высокоподвижные и нерасслаива-ющиеся бетонные смеси (табл. 4), характеризуемые средней прочностью в пределах 50—60 МПа с достаточно высокими темпами набора суточной прочности при температуре 20оС.

Без комплексного ускорителя твердения суточная прочность составляет 35% марочной. Введение ускорителя в количестве 0,8% обеспечивает набор 45% прочности от 28-и суточной.

Ключевые слова: особо тяжелые высокопрочные бетоны, тяжелые заполнители, модифицированные бетоны,

суперпластификаторы, защита от радиационного излучения.

Список литературы

1. Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: Изд-во Ассоциации высших учебных заведений, 2002. 500 с.

2. Баженов Ю.М., Комар А.Г. Технология производства строительных материалов М.: Стройиздат, 1990. 182 с.

3. Дубровский В.Б., Аблевич З.И. Строительные материалы и конструкции защиты от ионизирующих излучений. М.: Стройиздат, 1983. 240 с.

4. Виноградов Б.Н. Влияние заполнителей на структуру и свойства бетонов. М.: Стройиздат, 198. 249 с.

5. Ицкович С.М., ЧумаковЛ.Д., Баженов Ю.М. Технология заполнителей бетона. М.: Высшая школа, 1991. 272 с.

6. Ицкович С.М. Заполнители для бетона. М.: Высшая школа, 1972. С. 208—211.

7. Калашников В.И., Демьянова В.С., Коровкин М.О., Калашников Д.В. Методологические и технологические аспекты формирования ранней суточной прочности мелкозернистых пластифицированных бетонов: В сб. «Современные проблемы строительного материаловедения. VI Академические чтения». Иваново, 2000. С. 163—166.

8. Каприелов С.С., Батраков В.Г. Модифицированные бетоны нового поколения: реальность и перспектива // Бетон и железобетон. 1996. № 6. С. 6—10.

9. Баженов Ю.М., Бабаев Ш.Г., Чумаков Ю.М. Влияние суперпластификаторов 10-03 и 30-03 на свойства бетонной смеси и бетона с учетом химико-минералогического состава цементов. Применение химических добавок в технологии бетона. М.: Знание, 1998. С. 54—56.

Активатор

измельчение активашм синтез

Активатор-231_

100 30

¿60

0

1 <Ю

15

20 о

•

5 мин^ и и

У • у 1 МИН

1 10 100 диаметр частиц, мкм

Для пробоподготовки материалов

Лабораторные мельницы "Активатор" для заводских и исследовательских лабораторий.

100

so

™

К

г 10

го

0

Активатор-4М

1 10 1оо

диаметр частиц, мкм

Для наработки небольших партий материалов

Активатор-23

Для помола материалов в ударном, сдвиговом, вихревом режимах

www.activator.ru »

Новосибирск, Софийская 13, оф 107 630056, Новосибирск 56, а/я 141 Факс: 8 (383) 325-18-49 Тел: 8 913 942 94 81 e-mail: belyaev@activator.ru

28

август 2011

iA ®