Сырьевая смесь и способ получения радиационно-защитного бетона

 

Изобретение относится к материаловедению, в частности, к сырьевым смесям для приготовления радиационно-защитного, особопрочного и тяжелого бетона преимущественно для контейнера для транспортировки или хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). Сырьевая смесь для получения радиационно-защитного бетона содержит цемент, заполнитель из окалины, суперпластификатор, воду и дополнительно термообработанный продукт щелочной модификации цеолита моноклинной или кубической структуры в количестве 0,3-1,0 мас.%. При этом смесь содержит цеолит марки “Селекс-КМ” или “ЦМП-А” фракции 0,01-0,1 мм, цемент марки не ниже М-500 в количестве 600-640 кг на м³, окалину в количестве 3000-3500 кг на м³ и воду в количестве 150-200 кг на м³. Можно использовать окалину машинной огневой зачистки в виде смеси крупной фракции от 5,0 до 20 мм и мелкой фракции от 0,16 до 5,0 мм при их массовом соотношении 1,5:1 соответственно, а суперпластификатор - на основе Na-солей продукта конденсации нафталинсульфокислоты с формальдегидом в количестве около 1%. Способ получения радиационно-защитного бетона включает фракционирование окалины машинной огневой зачистки, ее термоактивацию, поэтапное введение воды, цемента и суперпластификатора, перемешивание и выдержку, при этом указанную окалину измельчают в шаровой мельнице, а в смесь дополнительно вводят цеолит моноклинной или кубической структуры, подвергнутый обработке 2-5% раствором гидроксида натрия и прокаленный при 400-600°С. Цеолит можно вводить в виде гранул фракции 0,01-0,1 мм в количестве 0,3-1,0 мас.%. Технический результат - создание бетона с повышенной радиационной стойкостью, водонепроницаемостью, газопроницаемостью, высокой прочностью, способностью к сорбции Cs-137 других долгоживущих изотопов, надежностью в агрессивных средах, пожаро- и взрывобезопасностью, позволяющего создать на его основе контейнер, удовлетворяющий требованиям МАГАТЭ по прочности, защитным свойствам и условиям транспортирования стандартными средствами. 2 с. и 5 з. п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к материаловедению, в частности, к сырьевой смеси для приготовления радиационно-защитного, особопрочного и тяжелого бетона преимущественно для контейнера для транспортировки или хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ).

Для создания контейнеров относительно малой массы и большого полезного объема необходимо создать материалы с высокой механической прочностью и высокими защитными свойствами.

Известен тяжелый бетон для изготовления контейнера для транспортировки и хранения радиоактивного вещества, содержащий в 1 м³ от 280 до 370 кг цемента, от 2800 до 3400 кг наполнителя; содержание воды определяется отношением вода - цемент в интервале 0,40-0,60. В качестве наполнителя используют от 650 до 800 кг барита и от 2200 до 2400 кг гематита. Тяжелый бетон имеет предел прочности на сжатие от 40 до 60 МПа в 28 сут, плотность бетонной смеси до 3800 кг/м³, а бетона в сухом состоянии 3500 кг/м³ (ЕПВ, 0264321, кл С 04 В 20/00, 1988).

Недостатками указанного тяжелого бетона являются: низкая прочность бетона из-за недостаточной прочности баритового заполнителя и высокого водоцементного отношения бетонной смеси; наличие в бетоне баритового заполнителя с малым сопротивлением огневым воздействиям и низкой морозостойкостью; очень высокая стоимость заполнителя.

Среди заполнителей сырьевой смеси, обеспечивающих защитные свойства бетона, известны также титаномагнетитовая руда (RU 2170962, 20.07.01), шунгизит (RU 2107049, 20.03.98), железомарганцевые конкреции (RU 2029399, 20.02.95).

Известно введение в сырьевую смесь в качестве наполнителя цеолита в количестве 3-6%, что позволяет повысить защитные свойства бетона по отношению к проникновению изотопа цезия-137 (RU 2117645, 20.08.98).

Недостатком данного способа является то, что введение цеолита в количестве 5-6% ухудшает прочностные характеристики бетона.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является сырьевая смесь для радиационно-защитного бетона, содержащая: цемент марки не ниже М500, крупный и мелкий заполнитель из окалины машинной огневой зачистки (например, блюмов, слябов и других заготовок) фракций 10-20 мм, 5-10 мм, 1,25-5 мм, 0,63-1,25 мм, 0,16-0,63 мм, воду при следующем расходе компонентов на 1 м³ бетона, кг: цемент марки не ниже М500 - 610-650, окалина фракции 10-22 мм - 800-1000, окалина фракции 5-10 мм - 900-1100, окалина фракции 1,25-5 мм - 350-400, окалина фракции 0,63-1,25 мм - 400-500, окалина фракции 0,16-0,63 мм - 500-650, вода - 165-180. Кроме того, сырьевая смесь дополнительно содержит суперпластификатор - 0,5-1,0% от массы цемента (RU 2100304, 27.12.97).

Однако известная смесь не обладает высокой поглощающей способностью по таким изотопам, как Sr-90, Pu-239, Am-241, Cs-137.

Наиболее близким способом получения радиационно-защитного бетона является способ, по которому измельченный и разделенный на фракции заполнитель из окалины обогащают, затем его подвергают пассивированию, после чего подготовленные компоненты бетонной смеси, включая цемент, воду и суперпластификатор, с заданной последовательностью подают в бетоносмеситель с принудительным перемешиванием и выдержкой при заданных временных интервалах, при этом в бетоносмеситель подают замедлитель схватывания бетонной смеси, затем приготовленную бетонную смесь укладывают в конструкцию и выдерживают в заданном режиме (RU 2179538, 20.02.2002).

Задачей настоящего изобретения является повышение защитных свойств бетонной смеси по отношению к радионуклидам Cs и Sr при сохранении водогазонепроницаемости, прочности и долговечности, кроме того, смесь должна быть нерасслаивающейся, однородной, обладать текучестью, позволяющей заполнять конструктивные объемы сложной конфигурации.

Поставленная задача решается сырьевой смесью для получения радиационно-защитного бетона, содержащей цемент, заполнитель из окалины, суперпластификатор, воду и дополнительно термообработанный продукт щелочной модификации цеолита моноклинной или кубической структуры в количестве 0,3-1,0 мас.%.

В качестве цеолитов предпочтительно использовать цеолиты марки "Селекс-КМ" или "ЦМП-А" фракции 0,01-0,1 мм.

Предпочтительно смесь содержит цемент марки не ниже М500 в количестве 600-640 кг на м³ смеси, окалину в количестве 3000-3500 кг на м³ смеси и воду в количестве 150-200 кг на м³ смеси. Более предпочтительно сырьевая смесь содержит окалину машинной огневой зачистки в виде смеси крупной фракции от 5,0 до 20 мм и мелкой фракции от 0,16 до 5,0 мм при их массовом соотношении 1,5:1 соответственно.

Рекомендовано использовать суперпластификатор на основе Na-солей продукта конденсации нафталинсульфокислоты с формальдегидом в количестве около 1%.

Кроме того, поставленная задача решается описываемым способом получения радиационно-защитного бетона, включающим ее фракционирование окалины машинной огневой зачистки, ее термоактивацию, поэтапное введение воды, цемента, суперпластификатора, перемешивание и выдержку смеси, при этом указанную окалину измельчают в шаровой мельнице, а в смесь дополнительно вводят цеолит моноклинной или кубической структуры, подвергнутый обработке 2-5% раствором гидроксида натрия и прокаленный при 400-600°С.

Предпочтительно цеолит вводят в виде гранул фракции 0,01-0,1 мм в количестве 0,3-1,0 мас.%.

Способ осуществляют следующим образом. Окалину машинной огневой зачистки измельчают в течение 20-40 с в шаровой мельнице, затем удаляют зерна крупностью от 0 до 0,16 мм, а оставшуюся массу окалины рассеивают на фракции. Фракции с размером частиц 5-20 мм и с размером частиц 0,16-5 мм объединяют, предпочтительно при их соотношении 1,5:1. Затем заполнитель перемешивают с водой в промывочном агрегате, выдерживая соотношение заполнителя из окалины и воды по массе соответственно 1:3. Затем сливают воду, и мокрый заполнитель из окалины термоактивируют в печи при температуре 100-200°С в течение 18-24 ч, после чего поднимают температуру до 800°С. В результате из окалины выжигаются органические загрязнения, которые могут являться источником газовыделения.

Цеолит моноклинной или кубической структуры, например, “Селекс-КМ” или “ЦМП-А”, обрабатывают раствором гидроксида натрия NaOH с концентрацией 2-5% в течение 5-7 ч и подвергают прокалке при 400-600°С в течение 4-6 ч. Затем подготовленный цеолит измельчают на шаровой мельнице и отсеивают фракцию 0,01-0,1 мм.

В бетоносмеситель сначала подают заполнитель из окалины, осуществляют перемешивание в течение 20-30 с. Затем подают 30% от массы воды затворения и 30% от массы суперпластификатора С-3. Осуществляют перемешивание смеси в течение 20-30 с, после чего подают подготовленный цеолит, цемент, 50% от массы воды затворения, оставшуюся массу суперпластификатора С-3 и, возможно, замедлитель схватывания бетонной смеси. Осуществляют перемешивание смеси в течение 40-60 с. Затем подают оставшуюся массу воды затворения и осуществляют перемешивание смеси в течение 20-30 с. Общая продолжительность перемешивания бетонной смеси составляет 3-4 мин.

Приготовленную бетонную смесь укладывают в конструкцию железобетонного (металлобетонного) контейнера и выдерживают в заданном режиме.

В таблице приведены примеры составов сырьевой смеси бетонов на окалине и цементе М500 с добавлением цеолита, их основные механические и физические свойства и технологические параметры бетонной смеси.

Весьма высокая прочность бетона достигнута за счет применения наиболее прочной из разновидности окалин - окалины машинной огневой зачистки (МОЗ) блюмов, слябов и других заготовок, низкого водоцементного отношения бетонной смеси, оптимального подбора массового соотношения заполнителей в бетоне. Из многообразия заполнителей, рекомендованных для биологической защиты от ионизирующего излучения радиоактивных веществ, выбрана окалина (отход металлургического производства), обладающая высокой истинной плотностью (r_и 4,8-5,6) и прочностью, и специальным образом обработанный природный цеолит. Заявленная обработка повышает емкость природного цеолита по Cs-137 и Sr-90 и одновременно улучшает его адгезионные свойства, что обеспечивает его лучшую совместимость с компонентами бетонной смеси.

Преимуществом данного изобретения является достижение радиационной стойкости бетонной смеси до 6000 Мрад. Кроме того, полученный из заявленной смеси бетон обладает улучшенными свойствами по таким важным для его эксплуатации показателям, как водонепроницаемость и газопроницаемость, высокой прочностью в сочетании со способностью к сорбции долгоживущих изотопов, особенно по отношению к изотопу Cs-137, обладающему способностью в солевых средах мигрировать через обычные марки бетона, надежность в агрессивных средах, пожаро- и взрывобезопасность.

Применение предложенного бетона позволяет создать контейнер, удовлетворяющий требованиям МАГАТЭ по прочности, защитным свойствам и условиям транспортирования стандартными средствами.

Формула изобретения

1. Сырьевая смесь для получения радиационно-защитного бетона, содержащая цемент, заполнитель из окалины, суперпластификатор и воду, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит термообработанный продукт щелочной модификации цеолита моноклинной или кубической структуры в количестве 0,3-1,0 мас.%.

2. Сырьевая смесь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве цеолита используют цеолит марки “Селекс-КМ” или “ЦМП-А” фракции 0,01-0,1 мм.

3. Сырьевая смесь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит цемент марки не ниже М-500 в количестве 600-640 кг на м³ смеси, окалину в количестве 3000-3500 кг на м³ смеси и воду в количестве 150-200 кг на м³ смеси.

4. Сырьевая смесь по п. 1, отличающаяся тем, что она содержит окалину машинной огневой зачистки в виде смеси крупной фракции от 5,0 до 20 мм и мелкой фракции от 0,16 до 5,0 мм при их массовом отношении 1,5:1, соответственно.

5. Сырьевая смесь по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что она содержит суперпластификатор на основе Na-солей продукта конденсации нафталинсульфокислоты с формальдегидом в количестве около 1%.

6. Способ получения радиационно-защитного бетона, включающий фракционирование окалины машинной огневой зачистки, ее термоактивацию, поэтапное введение воды, цемента и суперпластификатора, перемешивание и выдержку, отличающийся тем, что указанную окалину измельчают в шаровой мельнице, а в смесь дополнительно вводят цеолит моноклинной или кубической структуры, подвергнутый обработке 2-5% раствором гидроксида натрия и прокаленный при 400-600°С.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что цеолит вводят в виде гранул фракции 0,01-0,1 мм в количестве 0,3-1,0 мас.%.