Оценка эффективности энергоиспользования при тепловлажностной обработке бетона (стр. 2 )

γ-Излучение обычно чаще, чем нейтроны, определяет необходимую толщину бетонной защиты реактора. Задача проектировщиков состоит в правильном выборе толщины и состава бетонной защиты, которая могла бы обеспечить ослабление потоков ионизирующих излучений до безопасного уровня при минимальных затратах на сооружение реакторной установки.

Многие из требований к материалу биологической защиты для обеспечения им высоких защитных свойств противоречивы. В природе нет материалов, удовлетворяющих сразу всем требованиям. Так, при применении в защите материала с высокой плотностью трудно обеспечить высокое содержание в защите лёгких элементов, особенно водорода. Применение водородсодержащих материалов не обеспечивает эффективного ослабления потоков γ-квантов и быстрых нейтронов.

Итак, высокоэффективный материал защиты реактора должен иметь в своём составе тяжёлые элементы, водородсодержащие вещества, и, желательно, бор для уменьшения выхода захватного γ-излучения. Все эти вещества могут быть применены в защите в виде чередующихся слоёв, но лучше в виде равномерной смеси. Радиационнозащитный бетон представляет собой именно такую равномерную смесь из элементов с различными массовыми числами: тяжёлые материалы вводятся в бетон или в виде тяжёлого (баритового) цемента, в виде руд, или в виде металлических заполнителей. Водородсодержащим компонентом в бетоне является вода, химически связанная затвердевшим цементом или входящая в состав заполнителей бетона. Серьезной трудностью эксплуатации бетонной защиты является обеспечение в её составе необходимой концентрации воды, поэтому этот вопрос заслуживает специального обсуждения.

Вопрос о необходимом количестве воды в бетоне рассматривался во многих работах. Введение в состав бетона большого количества воды не вызывает больших трудностей, однако сохранение её в процессе эксплуатации бетонной защиты представляет сложную задачу, так как бетон в биологической защите реактора работает при высоких температурах и постепенно теряет содержащуюся в нём воду, что приводит к ухудшению его защитных свойств. Потеря воды при эксплуатации особенно опасна для тяжёлых бетонов с железосодержащим заполнителем, так как это может привести к очень большому накоплению промежуточных нейтронов в толстой бетонной защите и защита сама станет источником ионизирующих излучений [3].

Рабочая температура защиты ядерных энергетических установок с водо – водяными реакторами 300 °С. Гидросиликаты цементного камня при этой температуре дегидратируются на 85±3 %, следовательно, с целью сохранения бетоном защитных свойств по отношению к тепловым нейтронам наполнители бетонов такой защиты должны при указанной температуре дегидратироваться в течение всего периода эксплуатации незначительно. При определении пригодности того или иного природного материала для применения в защите, кроме требования содержать определённое количество связанной воды, важна и доступность материала. Многие породы и минералы по своему химическому составу, интересные с точки зрения использования их в защите, были отклонены именно по причине малой распространённости. Среди широкодоступных природных минералов, содержащих более 10 % структурной воды, следует отметить гидробораты, каолинит, серпентин и брусит. Из этих минералов наиболее доступны каолинит и серпентин. Каолинит – высокодисперсный набухающий глинистый минерал. В количестве более 3 % заметно снижает прочность бетонов, в связи с чем, в соответствии с требованиями ГОСТа, его введение в бетон в больших количествах недопустимо. Серпентин, как и каолинит, – слоистый гидросиликат, но ненабухающий, благодаря чему он нашёл широкое применение в бетонах биологической защиты. С точки зрения использования в защите серпентин интересен тем, что он содержит 12-14 масс. % структурной воды и пригоден как высокотемпературный заполнитель бетона. Бетон на серпентинитовом заполнителе сохраняет свои защитные свойства в условиях длительной эксплуатации при температурах до 480 °С. Благодаря этому серпентинитовый бетон можно использовать в качестве эффективного материала в конструкциях биологической защиты ядерных энергетических установок без специального охлаждения.

Защитные свойства серпентинового бетона при нормальных температурных условиях не сильно отличаются от свойств обычного бетона, его преимущества выявляются при высоких температурах. Для повышения защитных качеств этого бетона в его состав вводят железо. У железосерпентинового бетона больше объёмная масса, он обладает повышенными защитными свойствами и сохраняет работоспособность при высоких температурах [4 и др.]. В блоках радиационной защиты сб. 11 реакторов РБМК применяется железобарийсерпентинитовый бетон плотностью 3700±100 кг/м3, марки 200, который приготовлялся из смеси барийсерпентинитового цемента с чугунным порошком путём затворения её с водой согласно инструкции НИКИЭТ И.325-74. В настоящее время этот материал не производится и возобновить его производство невозможно. Предстояло разработать ему замену. Выполненный обширный комплекс НИР по изучению различного вида железорудного сырья КМА при изготовлении материалов биологической защиты, позволил разработать способ и технологию производства композиционных радиационно-защитных бетонов для изготовления различных изделий для АЭС. Бетонные блоки различных размеров и формы можно изготавливать на типовых заводах железобетонных изделий, используя высокоалитовый портландцемент, магнетитовый железорудный концентрат и, ранее не применявшийся в бетонах биологической защиты реакторов, хризотил – волокнистую разновидность серпентина.

Основные физико-механические и защитные свойства товарного железо-магнетито-серпентинитового цементного бетона приведены в таблице:

Таблица

Наименование показателя	Размерность	Значение (средние в серии)
1. Температура длительной эксплуатации,	°С	До 300
2. Объёмная масса высушенного при 110 °С бетона,	кг/м3	4000±100
3. Предел прочности при изгибе,	МПа	7,7±0,3
4. Прочность при сжатии после 1 сут твердения (1 сутRсж),	МПа	10±3
5. Прочность при сжатии после 3 сут твердения (3 сутRсж),	МПа	25±4
6. Прочность при сжатии после 28 сут твердения (28 сутRсж),	МПа	45±5
7. Прочность при сжатии после сушки при 110 °С,	МПа	47±5
8. Прочность при сжатии после сушки при 300 °С,	МПа	30±4
9. Количество воды в бетоне после 28 сут. твердения,	масс. %	2,5±0,2
10. Количество химически связанной воды при 300 °С,	масс. %	1,00±0,1
11. Коэффициент линейного расширения при 300 °С,	м ∙ град–1	8 ∙ 10–6
12. Коэффициент теплопроводности при 300 °С,	Вт/(м ∙ °К)	3,85
13. Длина релаксации быстрых нейтронов Е > 1 МэВ,	см	9,6±0,2
14. Длина релаксации мощности дозы гамма-излучения для б0Со; 137Cs; спектра нейтронов реактора,	см	5,7±0,1; 4,4±0,1; 10,9±0,2

Технология нового, альтернативного железобарийсерпентиновому бетону, материала из Российского недефицитного сырья, по своим свойствам не уступающего ранее применявшемуся бетону, запатентована и начато его производство.

СПИСОК литературЫ

1. Биологическая защита ядерных реакторов. Справочник. Сокр. пер. с англ. Под ред. . – М.: Атомиздат, 1965. – 328 с.

2. , В., Болтышев ёлый бетон для защиты от радиации // Строительные материалы, оборудование, технологии 21 века. – 2003. – № 11. – С. 20–21.

3. Бетон в защите ядерных установок. Изд. 2. – М.: Атомиздат, 1973. – 319 с.

4. Радиационная защита на атомных электростанциях. – М.: Атомиздат., 1978. – 253 с.

УДК 666.97

канд. техн. наук, с. н. с.

Белгородский государственный технологический университет им.

К ПРОБЛЕМЕ ТЕХНОЛОГИИ КОМПОЗИЦИОННЫХ
БЕТОНОВ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Развитие промышленности требует создания новых композиционных строительных материалов с заданным сочетанием свойств и низкой стоимостью [1]. Требуемые сочетания свойств наиболее легко достигаются созданием композиционных бетонов, компоненты которых при совместной работе способны проявлять синергетический эффект, например водорода с тяжёлыми элементами в радиационнозащитных бетонах. В технологии многокомпонентных композиционных бетонов сконцентрированы достижения современного строительного материаловедения [2]. По мере перехода в «век композиционных материалов» всё более настоятельной становится необходимость систематического выявления факторов, определяющих технологические и эксплуатационные свойства, а также потенциальные возможности их регулирования. К сожалению, обсуждение всех вопросов технологии (принципов выбора и сочетания компонентов, перспективах развития и эффективности применения) в объёме одной, даже очень большой статьи, – невозможно. Рассмотрим самые основные. Основу технологии композиционных материалов составляют три элемента – наполнитель, матрица и граница раздела между ними. Для получения материалов с заданными физико-механическими показателями каждый из этих элементов должен обладать оптимальным сочетанием физико-химических свойств, проявляющихся как индивидуально в каждом из них, так и при их, совместной работе. Физико-химическое взаимодействие связующего (матрицы) с наполнителями (химическая связь подробно рассмотрена в специальной литературе и здесь не обсуждается.) позволяет получать гетерофазные композиционные материалы, обладающие совершенно новым сочетанием технологических или эксплуатационных свойств, отличным от свойств исходных компонентов, но сохраняющие их индивидуальность. Компоненты бетонов по химической природе относятся к силикатам сложного состава и строения. Все они являются типичными гетеродесмическими соединениями, в которых реализуются одновременно различные типы химической связи: ионная, ковалентная, ионно-ковалентная, координационная, водородная и др. многоцентровые связи. В силикатах преобладает тот или иной вид связи. Кроме силы химической связи на прочность бетона влияет много других технологических и эксплутационных параметров: размер катионов и анионов, вязкость, хрупкость, пластичность наполнителей и матрицы, вид и количество микро - и макродефектов. Наличие на поверхности наполнителя слабых поверхностных плёнок и загрязнений. Наличие непрочных включений: слюда, глины, органические – полимеры, уголь.