Тяжелый бетон для защиты от радиации

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

Таблица 2: Заполнители (зернистые заполнители) и добавки в тяжелый бетон и бетон для защиты от радиации

1) Содержание тяжелых металлов может колебаться.

Таблица 3: Кривые гранулометрического состава согласно гранулометрической кривой Фуллера

Таблица 4: Ориентировочные данные по содержанию учитываемой связной воды (водорода) wzs в сухом цементном камне

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/м³ 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/м³

- Согласно диаграмме: в/ц отношение = 0,59 w = 165 кг/м³ 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) м³/м³ Vg = 0,72 м³/м³
- 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/м³ g = pb,h - z - w g = 3 300 - 280 - 165 g = 2 880 кг/м³
- 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/м³ g2 = g-g1 = 2 880 - 2 620 g2 = 260 кг/м³
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.

Таблица 5: Примеры рецептур для тяжелой бетонной смеси (примы из практики)

Хранение заполнителей (зернистых заполнителей)
Необходимо избегать смешивания различных заполнителей (зернистых заполнителей), а также не допускать попадания различных загрязнений. Заполнители (зернистые заполнители), содержание железо, должны храниться в сухом месте. Легкий налет ржавчины является безопасным.

Дозировка и смешивание

Все компоненты смеси необходимо дозировать по массе (весу), при дозировке следует учитывать влажность заполнителя (зернистого заполнителя). Для тяжелого бетона количество наполняемых в смеситель веществ необходимо уменьшить в соотношении плотности тяжелого бетона к плотности обычного бетона (2400 кг/м3). Время, необходимое для смешивания, можно определить при проведении предварительных испытаний, чтобы обеспечить однородность, а также предотвратить чрезмерное истирание тяжелого заполнителя (тяжелого зернистого заполнителя) (как правило, 1-2 мин).

Товарный бетон

При использовании заполнителей (зернистых заполнителей) с различной плотностью зерен возможно расслоение смеси. Необходимо придерживаться допустимой грузовместительности автобетоносмесителей.

Подача, укладка, уплотнение

Укладка тяжелого бетона производится преимущественно с помощью бадьи или транспортерных лент. При использовании бетононасосов из-за необходимых свойств свежеприготовленной бетонной смеси могут возникнуть проблемы. Укладка в условиях строительного участка дает объяснения. Для предотвращения расслоения бетонной смеси при использовании заполнителя (зернистого заполнителя) различной плотности высота свободного падения должны быть как можно меньше. При укладке бетонной смеси слоями толщина слоя должна составлять 25 см.
При производстве строительных элементов с различными размерами, прокладкой трубопроводов или пазами используется метод бетонирования раздельной укладки составляющих. В отношении материала и используемых технологий действуют общие правила по бетонированию методом раздельной укладки составляющих (уложенный заполнитель (зернистый заполнитель) > 32 мм, заполнитель (зернистый заполнитель) строительной смеси < 4 мм). При укладке заполнителей (зернистых заполнителей) с различной плотностью, например, стальной лом вместе с другими материалами подходит пудлингование, при котором в уложенную слоями строительную смесь уплотняется компоненты тяжелого заполнителя (компоненты тяжелого зернистого заполнителя). Согласно DIN 4235 при использовании глубинного вибратора следует выбирать преимущественно вибраторы с высокой центробежной силой. Затраты на уплотнение тяжелого бетона повышаются. Расстояние между отверстиями, сделанными вибратором, глубина погружения и время вибрирования должны быть небольшими, при этом необходимо проводить предварительные испытания. При использовании поверхностных вибраторов необходимо обратить внимание на ограничения глубины воздействия. Положительное влияние может оказать дополнительное уплотнение. Дефекты в бетоне для защиты от радиации могут снижать экранирующее действие.

Рабочие швы

При возможности необходимо избегать рабочих швов. Если необходимо сделать перерыв в работе, то расположение рабочих швов должно быть запланировано в зонах низкой интенсивности излучения, например, при соединении паз-гребень или окантовке. Цементное молоко старого слоя бетона необходимо удалить напорной струей воды, пока не обнажатся грубые зерна заполнителя. Стоячую воду необходимо удалить с помощью сжатого воздуха. Перед дальнейшим бетонированием поверхность бетона должна быть матово-влажной.

Уход за бетоном

Необходимо особенно тщательно проводить непрерывный уход за бетоном для защиты от радиации, чтобы избежать образования трещин. Необходимо руководствоваться положениями директивы Немецкого комитета по железобетону по выдерживанию бетона и уходу за ним (или DIN 1045-3 : 2001), причем время выдерживания должно быть увеличено (например, в течение 14 дней выдерживать во влажных условиях). Для предотвращения температурных напряжений при выдерживании массивных строительных элементов необходимо использовать теплоизолирующее покрытие.

4. Контроль качества (определение соответствия и контроль)

Бетон для защиты от радиации должен производиться как бетон B II, а его контроль должен осуществляться в соответствии со стандартом DIN 1045 (Определение соответствия бетона для защиты от радиации необходимо проводить в соответствии с DIN EN 206-1 : 2001 и DIN 1045-2 : 2001. Контроль выполнения строительных работ проводится в соответствии с DIN 1045-3 : 2001 по классу контроля 2 или для высокопрочного бетона - по классу контроляЗ ). Дополнительно самоконтроль (контроль) должен определить следующие параметры:
- плотность зерен и при необходимости химический состав и содержание кристаллизационной воды заполнителей (зернистых заполнителей),
- плотность свежеприготовленной бетонной смеси и жесткого бетона.
Частота проведения испытаний должна быть установлена в соглашении. Экранирующее действие бетона можно проверить с помощью просвечивания.

5. Сопротивление бетона радиоактивному излучению

Из-за лучепоглощения температура бетона может сильно повышаться, при этом наряду с обезвоживанием бетона уже при температуре 100 -250 °C происходит потеря прочности бетона на 20-25 %. В соответствии с современным уровнем знаний нейтронное излучение с флюенсом выше 1019 нейтронов/см2 или гамма-излучение дозой 2 • 1014 Дж/г может привести к ухудшению механических свойств (прочность, модуль эластичности, коэффициент теплового расширения). Такие дозы облучения встречаются, например, в корпусе ядерного реактора.
Наряду с учетом данных факторов при измерении или конструировании сооружений необходимо выбирать наиболее устойчивые к излучению виды заполнителя (зернистого заполнителя).

6. Кладка из тяжелого бетона

Вместо монолитного бетона может использоваться кладка из блоков, выполненных из тяжелого бетона. Заделывание отверстий между камнями осуществляется с помощью цементного раствора MG III. В кладке из блоков, выполненных из тяжелого бетона, камни и раствор должны иметь одинаковую плотность в сухом состоянии. Штукатурка также может использоваться для защиты от излучения.

7. Нанесение защитного покрытия

Для покрытия строительных элементов, подвергаемых излучению, используются преимущественно содержащие растворитель или водоэмульсионные эпоксидные смолы и полиуретаны, к которым предъявляются особые требования в отношении радиационной стойкости и способности к дезактивации. Требования и методы испытаний представлены в DIN 55 991.