автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Радиационно-защитные растворы на основе высокоглиноземистого цемента

Введение.

Глава 1. БЕТОНЫ И РАСТВОРЫ ДЛЯ ЗАЩИТБ1 ОТ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

1.1. Материалы для радиационно-защитных бетонов и растворов

1.1.1. Вяжущие вещества для защиты от радиационных излучений

1.1.2. Заполнители для радиационно-защитных бетонов и растворов.

1.1.3. Модифицирующие добавки для защитных бетонов и растворов.

1.2. Особенности технологии изготовления особо тяжелых бетонов и растворов.

1.3. Свойства особо тяжелых бетонов и растворов.

Выводы.

Глава 2. ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Применяемые материалы и их характеристики.

2.2. Методы исследования и аппаратура.

2.3. Статистическая оценка результатов измерений и методы математического планирования эксперимента.

Глава 3. СТРУКТУРООБРАЗОВАПИЕ ОСОБО ТЯЖЕЛЫХ РАСТВОРОВ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОГЛИНОЗЕМИСТОГО ЦЕМЕНТА

3.1. Реологические свойства.

3.2. Тепловыделение высокоглиноземистого цемента. при гидратации.

3.3. Усадочные деформации.

3.4. Внутренние напряжения.

Выводы.

Глава 4. ФИЗЖО - МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОСОБО ТЯЖЕЛЫХ РАСТВОРОВ НА ВЫСОКОГЛИНОЗЕМИСТОМ ЦЕМЕНТЕ

4.1. Проектирование состава особо тяжелого раствора.

4.2. Средняя плотность и пористость.

4.3. Прочность.ПО

4.4. Деформативные свойства.

4.5. Теплофизические свойства

4.5.1. Температурное расширение растворов.

4.5.2. Теплопроводность и удельная теплоемкость.

Выводы.

Глава 5. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ОСОБО ТЯЖЕЛЫХ РАСТВОРОВ НА ВБ1СОКОГЛИНОЗЕМИСТОМ ЦЕМЕНТЕ

5.1. Водопоглощение и водостойкость.

5.2. Адгезионная прочность.

5.3. Радиационный разогрев.

5.4. Термостойкость.

5.5. Радиационно-защитные свойства и радиационная стойкость

5.5.1. Влияние вида наполнителя на защитные свойства растворов.

5.5.2. Исследование защитных свойств растворов с учетом фактора накопления.

5.5.3. Влияние степени наполнения на защитные свойства особо тяжелых растворов.

5.5.4. Защитные свойства особо тяжелых растворов от. нейтронного излучения.

Выводы.

Глава 6. ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОСОБО ТЯЖЕЛЫХ РАСТВОРОВ НА ВЫСОКОГЛИНОЗЕМИСТОМ ЦЕМЕНТЕ

6.1. Технология изготовления изделий из растворов.

6.2. Меры безопасности при изготовлении и проведении работ с особо тяжелыми растворами.

6.3. Промышленное внедрение особо тяжелых растворов на основе высокоглиноземистого цемента.

В процессе эксплуатации радиационно-опасных объектов (АЭС, могильников, бункеров и хранилищ радиоактивных отходов, контейнеров для транспортировки радиоактивных материалов и др.) возникают аварийные ситуации, которые создают угрозу здоровью человека и предпосылки для загрязнения биосферы радиоактивными веществами. Своевременная ликвидация аварий позволяет не только уменьшить негативное влияние радиации на окружающую среду, но и снизить экономические затраты на ее восстановление. Для проведения срочных ремонтно-восстановительных работ требуются бы-стротвердеющие и непроницаемые особо тяжелые строительные материалы. Поэтому создание новых высокоэффективных и недорогостоящих радиаци-онно-защитных материалов, удовлетворяющих указанным требованиям, является важной научной задачей, имеющей большое практическое значение.

Одним из перспективных путей создания быстротвердеющих материалов с высокими эксплуатационными и защитными свойствами является использование в качестве вяжущего глиноземистого и высокоглиноземистого цементов, а в качестве наполнителя и заполнителя - отхода производства оптического стекла (ОПОС).

Композиционные материалы, изготовленные на основе высокоглиноземистого цемента (ВГЦ) и ОПОС, характеризуются рядом положительных свойств: быстрым набором и относительно высокими значениями ранней прочности, высокой средней плотностью, непроницаемостью, термостойкостью, химической стойкостью, а также простотой технологии изготовления и т. д.

Такие материалы могут использоваться для проведения срочных ре-монтно-восстановительных работ зданий и сооружений, эксплуатируемых в районах с повышенным радиационным фоном, возведения ограждающих конструкций бункеров, хранилищ и могильников радиоактивных отходов, а также для заделки стыков и трещин в строительных конструкциях, оштукатуривания поверхностей стен и потолков рентгеновских кабинетов и кабинетов радиационной терапии, лабораторий радиационной дефектоскопии и других помещений, в которых эксплуатируются источники ионизирующих излучений.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является разработка рецептуры и исследование свойств быстротвердеющих строительных растворов на основе ВГЦ, предназначенных для защиты от ионизирующих излучений.

Для достижения цели работы были поставлены следующие задачи:

1. Изучить влияние рецептурных факторов (дисперсности наполнителя, степени наполнения, вида и концентрации модифицирующей добавки) на процессы структурообразования особо тяжелых растворов.

2. Исследовать влияние рецептурно-технологических факторов на физико-механические, теплофизические и эксплуатационные свойства растворов на основе ВГЦ.

3. Разработать составы и технологию изготовления высокоплотных растворов, обладающих высокими радиационно-защитными свойствами от воздействия ионизирующих излучений.

Научная новизна работы.

- Разработаны составы радиационно-стойких высокоплотных растворов на основе ВГЦ.

- Исследовано влияние различных модифицирующих добавок на реологические свойства цементного теста и физико-механические свойства цементного камня на основе ВГЦ.

- Изучены процессы структурообразования радиационно-защитных растворов на основе ВГЦ.

- Установлены закономерности изменения реологических свойств растворных смесей, а также физико-механических, эксплуатационных и радиа-ционно-защитных свойств особо тяжелых растворов на основе ВГЦ в зависимости от рецептурно-технологических факторов.

- Разработан метод проектирования состава особо тяжелого раствора на основе ВГЦ.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Созданы особо тяжелые радиационно-стойкие растворы на основе опое с использованием быстротвердеющего связующего - ВГЦ. Разработайные составы имеют среднюю плотность - 4050.4120 кг/мЛ, пористость -4.7%, предел прочности при сжатии через 3 сут - 40.55 МПа, усадку не более 0,097%, водопоглощение - 1,3.2,3%, коэффициент ослабления гамма-излучения с энергией 1,25 МэВ - 0,223.0,225 см'\ коэффициент радиационной стойкости (при поглощенной дозе 1,5 МГр) - 0,96. Установлены оптимальные концентрации компонентов (цемента, воды, заполнителей и модифицирующих добавок) для получения растворов на В ГЦ с оптимальными реологическими, физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Разработана технология изготовления быстротвердеющих особо тяжелых растворов, которые могут быть востребованы для проведения срочных работ, связанных с ликвидацией аварий на АЭС и других радиационно-опасных объектах.

Разработанные защитные растворы получили промышленную проверку и опытное внедрение на Федеральном Государственном унитарном предприятии «Завод «Красный гигант» в г. Никольске Пензенской области.

Апробация работы. По результатам исследований сделаны доклады и сообщения: на XXX Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» (Пенза, 1999 г); Международной научно-технической конференции. Шестые академические чтения РААСН «Современные проблемы строительного материаловедения» (Иваново, 2000 г); IV международном семинаре «Строительные и отделочные материалы. Стандарты XXI века» (Новосибирск, 2001г).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны составы быстротвердеющих особо тяжелых растворов на основе опое и ВГЦ, имеющие среднюю плотность р = 4045.4120 кг/мЛ, предел прочности при сжатии через 3 сут Ксж = 40. 54 МПа, коэффициент линейного ослабления гамма-излучения с энергией 1,25 МэВ р = 0,223. 0,225 см"', коэффициент радиационной стойкости (при поглощенной дозе излучения 1,5 МГр) - 0,96.

2. Установлено влияние рецептурно-технологических факторов (В/Ц, вида и концентрации модифицирующей добавки, условий эксплуатации и др.) на кинетику тепловыделения, реологические свойства цементного теста, физико-механические и другие свойства цементного камня на основе ВГЦ. Показано, что добавки карбамидной смолы и ЛСТ ускоряют процесс тепловыделения, а добавки ССК и лимонной кислоты замедляют его.

3. Экспериментально показано, что реологические свойства особо тяжелых растворов на основе ВГЦ можно регулировать изменением количества и удельной поверхности наполнителя, а также введением модифицирующих добавок. Определены оптимальные дозировки добавок (С-3 - 0,5%, лимонной кислоты - 0,1%, ССК - 0,2%, карбамидной смолы - 1% и ЛСТ - 0,15% от массы цемента), эффективно повышающих подвижность раствора. Выявлено влияние указанных факторов на кинетику изменения предельного напряжения сдвига растворных смесей. Показано, что эффект влияния добавок на изменение продолжительности периодов структурообразования растворов зависит от величины В/Ц. Применяемые добавки позволяют на 5,2. 18,6% снизить водопотребность растворных смесей при сохранении начальной подвижности.

4. Установлена возможность регулирования процесса тепловыделения растворов на основе ВГЦ путем введения модифицирующих добавок и изменения степени наполнения. Показано, что увеличение степени наполнения растворов приводит к снижению температурного максимума и уменьшению количества выделяющейся теплоты.

5. Определено влияние различных рецептурных факторов на усадку и величину внутренних напряжений в особо тяжелых растворах на основе ВГЦ. Выявлено, что величина усадки снижается при увеличении степени наполнения растворов и уменьшении В/Ц и для раствора оптимального состава равна 0,097%. Исследовано влияние добавок на усадку растворов. Установлено, что наиболее эффективно (в 1,5.2,5 раза) усадку растворов снижают добавки ЛСТ, С-3 и карбамидной смолы.

6. Разработан расчетно-экспериментальный метод проектирования состава особо тяжелого раствора на основе ВГЦ. Метод основан на теоретической зависимости средней плотности раствора от содержания цементного теста, количество которого должно быть достаточным для обеспечения как оптимальных реологических свойств растворной смеси, так и физико-механических свойств затвердевшего раствора.

7. Исследовано влияние В/Ц, степени наполнения растворов и вида модифицирующей добавки на поровую структуру особо тяжелых растворов на основе ВГЦ. Определена общая пористость немодифицированных (6,88.8,56%) и модифицированных (3,85.4,37%) растворов. По кинетике водопоглощения определены параметры норовой структуры растворов. Установлено, что норовая структура высокоплотных растворов характеризуется незначительным количеством крупных капиллярных пор (Л = 1,2. 1,28). Добавка С-3 приводит к существенному уменьшению размеров капиллярных пор (Я = 0,086), а добавка карбамидной смолы способствует увеличению однородности норовой структуры (а= 0,9).

8. Выявлено влияние рецептурных факторов (удельной поверхности наполнителя, степени наполнения и вида модифицирующей добавки) на величину и кинетику набора прочности исследуемых растворов. На основе экспериментальных данных получена математическая модель изменения прочности растворов от времени твердения. Показано, что предлагаемая модель более адекватно описывает кинетику набора прочности растворов на основе ВГЦ, чем известный логарифмический закон прочности.

9. Определены деформативные характеристики защитных растворов на основе ВГЦ: статический и динамический модули упругости, коэффициент Пуассона, предельные деформации и параметрические уровни границ микротрещинообразования. Показано, что зависимость деформативных свойств от степени наполнения растворов имеет экстремальный характер. Применяемые добавки увеличивают призменную прочность, модуль упругости растворов и смещают параметрические уровни границ микротрещинообразования в сторону больших значений. Добавка карбамидной смолы в 2,57 раза увеличивает значение предельной поперечной деформации раствора.

10. Установлена зависимость температурных деформаций цементного камня и растворов на основе ВГЦ от количества циклов нагревания и температуры. Определена зависимость КЛТР от степени наполнения и температуры, а также зависимость удельной теплоемкости и коэффициента теплопроводности от В/Ц и количества заполнителя в растворе.

11. Определено влияние рецептурных факторов на эксплуатационные свойства (водопоглощение, адгезионную прочность, термостойкость) особо тяжелых растворов. Установлено, что высокоплотные растворы на ОПОС, изготовленные при В/Ц = 0,45.0,5, характеризуются низким водопогло-щением - 1,31.2,23% и имеют высокую водостойкость. Изучено изменение прочности растворов на основе ВГЦ и ОПОС при нагревании. Выявлено, что исследуемые растворы имеют более высокую термостойкость, чем радиационно-защитные растворы на глиноземистом цементе и традиционных особо тяжелых заполнителях. Показано влияние поглощенной дозы гамма-излучения, активности источника и времени облучения, а также вида заполнителя в растворе и толщины защиты на величину радиационного разогрева. Установлено, что особо тяжелые растворы с заполнителем ОПОС под действием гамма-излучения разогреваются незначительно. С применением формул Д. Хэллидэя рассчитано распределение температур при тепловом воздействии, вызванном гамма-излучением в защите из исследуемых растворов.

12. Установлено, что особо тяжелые растворы на основе ВГЦ и ОПОС имеют высокие радиационно-защитные свойства. Линейный коэффициент ослабления гамма-излучения равен //= 0,223.0,225 см'' при энергии излучения 1,25 МэВ, и // = 0,143.0,146 см'' при энергии излучения 6 МэВ. Макроскопическое сечение выведения быстрых нейтронов = 0,096 см"') выв на 12,94% больше, чем у раствора на ОПОС и портландцементе. Радиационная стойкость при поглощенной дозе излучения 1,5 МГр - 0,96.

13. Предложена технологическая схема изготовления особо тяжелых раство

1. Егер Т. Бетоны в технике защиты от излучений. - М.: Атомиздат, 1960.84 с.

2. Miller E.W. «Concrete» (G.Brit) 1983, №12, p. 33 34.

3. Strahlenschutzbetone. Merkblatt for das Entwerfen, Herstellen und Prufen ven Betonen des bautechnischen Strahlenschutzes. «Beton» 1978, 28, №10, p. 368 371.

4. Биологическая защита ядерных реакторов. Справочник. (Перевод с англ. под ред. Ю.А. Егорова) М.: Атомиздат, 1965. - 139 с.

5. Grum W. Strahlunge und Bitzebestaindige Beton. «Bau und Bau industrie» 1963, №14, p. 595 -601.

6. Makatious A.S., Megahid R. M. Sekondaty у dose distvibutions in light and heavy weight concrete shields. «Int. I. Appl. Radiat and Isotop.» 1982, 33, №7, p. 569 - 573.

7. Антонюк В.Г. и др. Методическая разработка по применению строительных материалов в защите от радиоактивных излучений. (Криворожский горнорудный институт. Днепропетровск) 1972.

8. Дубровский В.Б., Кореневский В.В., Музалевский Л.П. Радиационная безопасность и защита АЭС. М.: Атомиздат, 1985. №9, - С. 242-246.

9. Денисов A.B., Дубровский В.Б., Кореневский В.В. Вопросы атомной науки и техники. «Проектирование и строительство» М. 1979. № 2/4. -С.41-44.

10. Дубровский В.Б., Кореневский В.В., Сучак Е.Б. Вопросы атомной науки и техники.«Проектирование и строительство» М.1979. № 2/4. - С.45-49.

11. Воробьев А.Н. и др. Радиационная стойкость хромитового бетона на портландцементе. «Бетон и железобетон» 1966. № 2. С. 11-13.

12. Дубровский В.Д., Жолдак Т.П. и др. Бетоны на железорудных заполнителях в условиях высоких радиационно-температурных нагрузок. «Вопросы физики защиты реакторов». М.: Атомиздат, 1972. - 124 с.

13. Дубровский В.Б. Радиационная стойкость строительных материалов.М.: Стройиздат, 1977. 278 с.

14. Весёлкин А.П., Воскресенс1сий Е.В., Егоров В.А. и др. Иссдедование защитных свойств бетонов разных составов. «Вопросы физики защиты реакторов». М.: Атомиздат, 1974. - 230 с.

15. Ябуути Эйдзо, Накого Цуёси. Япон. пат. кл. 22(3) С 11. (С 04 В 31/02).

16. Реммизникова В.И., Шепетицкий СП., Герасимов В.В., Салимов А.Г. Казанский ПСИ. A.c. 834772. №20, 1981. МКИ G 21F /2.

17. Alligae pour la fabrikation de beton an plomb fabrique a T'aige dudit alliage. /Societe dite «BREMATSA»/ 9. 1978. Франц.

18. Комаровский А.Н. Защитные свойства строительных материалов. М.: пАтомиздат, 1971.-238 с.

19. Skrara F., Kolar К., Novotny Z., Zadak Z. Smes pro vyrobu tiz Kych beton. A.c. 196887 Чехосл. 30.10.81. МКИ Q21 Fl/04.

20. Бибергаль A.B., Маргулис У.Я., Воробьев Е.И. Защита от рентгеновских и гамма-лучей. М.: Атомиздат, 1960. - 119 с.

21. БродерД.М., Зайцев Л.Н., Колмочков М.М. Бетон в защите ядерных установок. М.; Атомиздат, 1966. - 240 с.

22. Рояк СМ., Рояк Г.С. Специальные цементы, М.: Стройиздат, 1993. -392 с.

23. Гусев Н.Г. Защита от гамма-излучения продуктов деления. М.: Атомиздат, 1968.-319 с.

24. Лекищвили P.A., Заалишвили Г.И. и др. Безусадочные особо тяжелые цементы. /Третья всесоюзная научная конференция но защите от ионизирующих излучений ядерно-технических установок/. Тез. докл. конф. 2728 окт. 1981, Тбилиси 1981.

25. Zement und betonfragen bei der Errichtung von Kernreactoren und Karnenenergiean. /Bau und Bauindustrie./1900. №6. p. 300 305.

26. Дубровский В.Б., Ширенков А.Ф., Поспелов В.И. Гематитовый жароупорный бетон для биологической защиты атомных электростан-ций./Энергетическое строительство./-М., 1967, №7(43), С. 8-11.

27. Соблин И.И. Тяжелый бетон с заполнителями из чугунных чушек. /Защита от радиоактивных излучений./ Атомная энергия. 1968, вып. 1- 6, С.103- 104.

28. Материал, поглощающий излучение. Пат. Франц. G 21 F. №1458833, 24.11.1966., English Electric Со Ltd.

29. Hall W. T. Lead Concrete first extrahinh density shielding suitable, for installation bu mass production.Methods. /Nucl Engng and Design/. 1966. T 3.p. 476 477.

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

31. СудоГиити, ОтаОдокасу, ТакедаАцуси. Япон. патент С 04 В 15/04, № 56- 5371.

32. Р1цкович СМ. Заполнители для бетона. М.: Высшая школа, 1972. - 208211 с.

33. Miller Е. W. High density concrete. Concrete (Y. Brit), 1984, № 1, 23.

34. Виноградов. Влияние заполнителей на структуру и свойства бетонов. -М.: Стройиздат, 1986. 249 с.

35. Худяков В. А. Разработка и исследование свойств модифицированных эпоксидных композитов для защиты от ионизирующих излучений. Дисс. на соиск. ученой степени канд. техн. наук. Пенза, 1994. 141 с.

36. Воробьёв А.Н. и др. Радиационная стойкость хромитового бетона на портландцементе. / Бетон и железобетон/. 1986. №2.

37. Ma Б. М. Материалы ядерных энергетических установок. М.: Энергоатомиздат. 1987 - 405 с.

38. Комаровский А.Н. Строительство ядерных установок. М.: Атомиздат, 1969. - 196 с.

39. Ablewich Z., Jozwik В. Budownictwo w texnice jadrowej Arkady Warszawa. 1978.

40. Tourasse M. Les betons lom-ds proprietes physique et essais mechaniques. Second United Nation International Conference of the Peaceful Uses of Atomic Energu. P/1152. 1958.

41. Комаровский А.Н. Строительные материалы для защиты от излучений ядерных реакторов и ускорителей. М.: Атомиздат, 1958. - 116 с.

42. Marren М. Франц. патент, кл.С046021Е, №1489444, 9.08. 1966.

43. Кореневский В.В., Пергаменщик В.К. и др. О требованиях к бетону и к конструкции защиты реактора из железобетона. /Вопросы физики защиты реакторов/. М. 1974. 6 с.

44. Дубровский В.Б., Кулаковский М.Я. и др. Защитные свойства борсо-держащих бетонов. М.: Атомная энергия, 1967. Т. 23 № 1.46