СЫРЬЕВАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ОСОБО ПРОЧНОГО И ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА Российский патент 1997 года по МПК C04B28/00 G21F5/00 G21F1/04 

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

Известны контейнеры для транспортировки и хранения ОЯТ, способ изготовления которых включает бетонирование резервуара в виде стакана (патент ФРГ N 3331892, кл. G 21 F 5/02, 1986, патент ГДР N 235353, кл. G 21 F 5/00, 1986).

В соответствии с нормами радиационной безопасности и требованиями МАГАТЭ подобные контейнеры должны обеспечивать высокие защитные свойства при аварийных ситуациях, возможных в процессе транспортировки и хранения ОЯТ. Например, предъявляемые нормативными документами МАГАТЭ включают обеспечение:
радиационной безопасности персонала при транспортировке и хранении контейнера;
герметичность при аварийном падении с высоты 9 м и на жесткое основание или на штырь диаметром 150 мм с высоты 1 м;
стойкости к воздействию ударной волны с давлением во фронте 30 кПа;
сохранности при падении на контейнер самолета массой 20 т при скорости самолета 200 м/с;
стойкости к тепловому воздействию при пожаре при 800^oC в течение 30 мин и при погружении в воду на глубину 15 м в течение 8 ч;
длительной эксплуатации при отрицательной температуре до минус 40^oC.

В то же время целесообразно иметь контейнер относительно малой массы и относительно большого полезного объема. Масса контейнера не должна превышать грузоподъемность используемых транспортных средств.

Перечисленные требования к контейнеру вынуждают конструкторов изыскивать и применять материалы с весьма высокими механическими, физическими и 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. C 04 B 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.

Наиболее близкой к предложенному является сырьевая смесь для изготовления тяжелого бетона класса В 20 на окалине прокатного производства, предназначенная для защитных экранов от радиоактивных излучений.

Состав сырьевой смеси следующий, кг на м³ бетона:
Крупный заполнитель из окалины фракции 5-10 мм 1858
Мелкий заполнитель из окалины фракции 0-5 мм 1380
Цемент активностью 48 МПа 401
Вода 248
Плотность сырьевой (бетонной) смеси ρ 3,887 кг/м³, плотность бетона в возрасте 28 сут естественного твердения r 3820 кг/м³, подвижность смеси 14 см осадки стандартного конуса, прочность в 28-суточном возрасте 23,2 МПа (Строительство атомных электростанций / Под рук. В.Б. Дубровского, М. Энергоатомиздат, 1987, с. 122, табл. 5.7).

Указанное решение имеет следующие недостатки:
низкая прочность бетона, не позволяющая создать контейнер, удовлетворяющий МАГАТЭ по прочности и грузоподъемности стандартных железнодорожных платформ;
проявление бетоном усадки в процессе твердения, что следует по потере массы на 67 кг за 28 дн твердения; такая потеря массы исключает плотный контакт бетона из-за высокого водоцементного отношения (В/Ц 0,62).

Предложенное изобретение направлено на создание особопрочного (R_сж. 1000-1200 кгс/см²) и тяжелого бетона (r 4000-4100 кг/м³), как конструкционного и защитного элемента металлобетонного контейнера для транспортировки и хранения отходов ОЯТ.

Указанная задача решается благодаря тому, что сырьевая смесь включает цемент марки не ниже М 500, 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 500 610-650
Окалина фракции 10-20 мм 800-1000
Окалина фракции 5-10 мм 900-1100
Окалина фракции 1,25-5 мм 350-450
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 на основе Na солей продукта конденсации нафталинсульфокислоты с формальдегидом в количестве 0,5-1% от массы (расхода) цемента.

Окалину машинной огневой зачистки предварительно, до применения в дело, обрабатывают в течение 20-40 с в шаровой мельнице, затем из обработанной смеси удаляют зерна крупностью от 0 до 0,16 мм, а оставшуюся массу окалины рассеивают на перечисленные выше фракции. В процессе обработки окалины в шаровой мельнице происходит разрушение слабых включений и контактов крупных зерен, а также посторонних примесей. При рассеве слабые зерна удаляются вместе с зернами 0-0,16 мм. Общая масса заполнителей составляет 3150-3300 кг/м³; водоцементное отношение находится в интервале 0,27-0,30; подвижность бетонной смеси 8-14 см осадки конуса.

Предлагаемое техническое решение позволяет:
в несколько раз повысить прочность бетона, достигнуть весьма высокой плотности, обеспечить плотный контакт и надежную совместную работу металлической конструкции и бетона контейнера благодаря формированию безусадочного бетона;
гарантировать высокую однородность бетона по прочности и плотности по высоте контейнера за счет повышенной плотности растворной части сырьевой смеси бетона;
создать контейнер, удовлетворяющий требованиям МАГАТЭ по прочности и степени защиты от радиационных излучений и соответствующий грузоподъемности стандартных железнодорожных платформ.

Исследования по подбору составов особопрочного и тяжелого бетона производились методом многофакторного эксперимента с варьированием соотношений компонентов и их характеристик, указанных в формуле изобретения.

В табл. 1 приведены примеры составов особопрочного и тяжелого бетонов на обогащенной окалине и цементе М 500, их основные механические и физические свойства и технологические параметры бетонной смеси в зависимости от соотношения и свойств компонентов.

Прочность бетона определялась испытанием стандартных образцов (ГОСТ 10178 Бетон. Методы определения прочности на сжатие и растяжение, подвижность бетонной смеси определялась по ГОСТ 10181.1 Бетонные смеси. Методы определения удобоукладываемости, плотность бетона в соответствии с требованиями ГОСТ 12730.1 Бетоны. Методы определения плотности. В таблице С-3 - суперпластификатор на основе а солей продукта конденсации нафталинсульфокислоты с формальдегидом, ТУ 6-36-0204229-625-90; В/Ц - водоцементное отношение).

Весьма высокая прочность бетона достигнута за счет применения наиболее прочной из разновидностей 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, оборудования, загрязненных изделий и т.п. выбрана окалина (отход металлургического производства), обладающая высокой истинной плотностью (r_и 4,8-5,6) и прочностью, а из видов окалин-листопрокатного производства, обжимного производства, непрерывной разливки стали, машинной огневой зачистки (МОЗ) выбрана последняя. Окалина МОЗ наиболее прочная, обладает более высокой и стабильной плотностью (ρ_и 5,3-5,6), содержит зерна крупностью от 0,14 до 20 мм. Ее можно разделить на фракции и составить наиболее плотные смеси. Кроме того, зерна окалин МОЗ ближе к кубической форме.

В качестве заполнителей для особопрочного и тяжелого бетона исследовались все виды окалины, в том числе наиболее полно окалина, примененная в прототипе. Окалина листопрокатного производства, примененная в прототипе, представляет собой пластинки различных размеров, менее плотная и прочная, чем окалина МОЗ (плотность меньше на 0,2-0,5 г/см³), в основном мелкозернистая. Используя новшества, принятые в предлагаемом изобретении, на ней удалось получить бетон прочностью от 63 до 73 МПа, что ниже прочностей бетона на окалине МОЗ на 30-60 МПа (см. табл. 2).

В изобретении принципиально новым является применение обогащенного заполнителя, полученного за счет удаления слабых пород и посторонних примесей в окалине и непрочных контактов в крупных зернах. Это достигается частичным помолом (обработкой) исходной окалины в стандартной шаровой мельнице в течение 20-40 с с последующим удалением зерен 0-0,3 мм и рассевом оставшейся массы на стандартные фракции. Критерием улучшения свойств окалины после частичного помола является повышение истинной плотности соответствующей фракции окалины до и после частичного помола и снижение содержания в ней отмучиваемых частиц.

Результаты обработки окалины в шаровой мельнице, представленные в табл. 3, убедительно показывают улучшение свойств ее, как заполнителя: повышается плотность, снижается загрязненность. В табл. 4 приведены результаты подбора составов бетона на необработанной окалине. Сравнивая их со свойствами бетонов, полученных на обработанной окалине (табл. 1), видно, что предложенное новшество по механической обработке окалины позволяет получить более прочные и плотные бетоны.

Техническая эффективность предлагаемого особопрочного и тяжелого бетона в качестве конструкционного и защитного материала металлобетонного контейнера по сравнению с прототипом состоит в том, что применение предложенного бетона позволяет создать контейнер, удовлетворяющий требованиям МАГАТЭ по прочности и защитным свойствам и условиям транспортирования стандартными средствами.

Изобретение позволяет повысить прочность и плотность бетона, используемого при изготовлении металлобетонных контейнеров, преимущественно для транспортировки и/или хранения отработавшего ядерного топлива. Сырьевая смесь для изготовления тяжелого бетона классов В 80 - В 105 включает цемент марки не ниже М 500, крупный и мелкий заполнители из предварительно обработанной в шаровой мельнице окалины машинной огневой зачистки, например блюмов, слябов и других заготовок, воду и суперпластификатор на основе Na -солей продукта конденсации нафталинсульфокислоты с формальдегидом. Расход компонентов в кг на м³ бетона следующий: цемент марки не ниже М 500 610-650, крупный заполнитель из упомянутой окалины: фракции 10-20 мм 800-1000, фракции 5-10 мм 900-1200, мелкий заполнитель из упомянутой окалины: фракции 1,25-5 мм 400-500, фракции 0,63-1,25 мм 400-500, фракции 0,16-0,63 мм 500-650, вода 165-180, суперпластификатор, % от расхода цемента 0,5-1. В варианте осуществления изобретения используют окалину, обработанную в шаровой мельнице в течение 20-40 с и обогащенную за счет удаления фракций мельче 0,31 мм, содержащих слабые включения и посторонние примеси. 1 з.п. ф-лы, 4 табл.

1. Сырьевая смесь для приготовления особо прочного и тяжелого бетона, включающая цемент, крупный и мелкий заполнители из окалины и воду, отличающаяся тем, что она содержит цемент марки не ниже М 500, крупный и мелкий заполнитель фракций 10 20 мм, 5 10 мм, 1,25 5 мм, 0,63 1,25 мм, 0,16 0,63 мм из окалины машинной огневой зачистки при следующем расходе компонентов, кг на м³ бетона:
Цемент марки не ниже М 500 610 650
Крупный заполнитель из упомянутой окалины фракции 10 20 мм 800 1000
фракции 5 10 мм 900 1200
Мелкий заполнитель из упомянутой окалины фракции 1,25 5 мм 400 500
фракции 0,63 1,25 мм 400 500
фракции 0,16 0,63 мм 500 650
Вода 165 180
кроме того, сырьевая смесь дополнительно содержит суперпластификатор на основе Na-солей продукта конденсации нафталинсульфокислоты с формальдегидом в количестве 0,5 1% от массы расхода цемента. 2. Сырьевая смесь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит крупный и мелкий заполнители из окалины, обработанной в шаровой мельнице в течение 20
40 с и обогащенной за счет удаления фракций мельче 0,16 мм, содержащих слабые включения и посторонние примеси.