БЕТОННАЯ СМЕСЬ "БЕТОНОСИЛ-С СОРБИРУЮЩИЙ" Российский патент 1998 года по МПК C04B28/00 C04B111/20 

Изобретение относится к защитным бетона, преимущественно от ионизирующего излучения, а также к бетонам-консервантам, применяемым в качестве отверждающих смесей, при установке защитных укрытий, при бетонировании радиационно-опасных объектов.

Технологические разработки носят пионерный характер, поэтому в качестве аналогов и прототипа используются бетонные смеси, имеющие иной состав.

Известно техническое решение по авт. св. СССР N 1423527 (кл. C 04 B 28/00, опубл. 15.09.88), где в бетонную смесь, состоящую из цемента, песка, суперпластификатора на основе натриевой соли, для улучшения структурных характеристик, снижения теплопроводности и повышения прочности бетона при сохранении удобоукладываемости, дополнительно вводится карбонат калия.

Другие известные смеси на основе портландцемента, путем добавки в них тех или иных компонентов, решают ту или иную задачу частного порядка (Венюа М. Цементы и бетоны в строительстве. Перевод с французского. - М.: Стройиздат, 1980, с. 415).

Известны бетонные смеси на основе портландцемента, используемые для тех же целей, что и защищаемая композиция. В их состав входят серпентинитовый наполнитель, заполнитель-щебень из плотных скальных пород, модифицирующая добавка, например, зола-унос и вода (В.Б. Дубровский и др. Строительные материалы и конструкции для защиты от ионизирующего излучения. - М.: Строитель, 1983, с. 240). Эти бетонные смеси близки к заявляемой и выбраны в качестве прототипа. Серпентинитовые бетоны из этих смесей, снижая количество воды затворения, существенно ограничивают радиолиз воды и обеспечивают радиационную защиту, однако не позволяют получить необходимые показатели по водонепроницаемости и газопроницаемости.

Техническим результатами изобретения является достижение радиационной стойкости бетонной смеси до 6000 Мрад, существенное улучшение таких показателей, как водонепроницаемость и газопроницаемость, создание состава, обладающего достаточной прочностью и высокой долговечностью, в сочетании со способностью к сорбции долгоживущих изотопов, обеспечивающего возможность пассивной защиты металлических конструкций от коррозии, надежность даже в агрессивных средах, нетоксичность, пожаро- и взрывобезопасность, наличие доступных компонентов и обладание пригодностью к механизированной укладке. Бетонная смесь должна быть нерасслаивающейся, однородной, обладать текучестью, позволяющей заполнять конструктивные объемы сложной конфигурации.

Для решения поставленной задачи к защите предложена бетонная смесь, включающая портландцемент, модифицирующую добавку, заполнитель, наполнитель и воду, причем она содержит в качестве модифицирующей добавки аморфный микрокремнезем, в качестве заполнителя - шунгизит, в качестве наполнителя - цеолит и дополнительно суперпластификатор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Портландцемент - 36-40
Аморфный микрокремнезем - 6,8-8
Шунгизит - 36-40
Суперпластификатор - 0,8-1,0
Цеолит - 3-6
Вода - 11-13
Новыми компонентами в смеси являются аморфный кремнезем, шунгизит (заполнитель), цеолит (наполнитель) и суперпластификатор.

Присутствие в смеси аморфного микрокремнезема в указанном количестве, наряду с увеличением прочности и долговечности состава, путем модификации его структуруы, позволяет связать в маслорастворимые соединения такие долгоживущие изотопы, как Sr-90, Pu-239, Am-241. Частицы аморфного микрокремнезема, обладая высокой удельной поверхностью (24 м²/г) и хорошей растворимостью, реагируют в поровом пространстве с гидроокисью кальция, связывая последнюю в труднорастворимый низкоосновный гидросиликат. Благодаря этому в структуре бетона возникает система тончайших микропор, проницаемых для газов, но практически непроницаемых для жидкостей, увеличивается плотность бетона, его прочность и долговечность. Передозировка аморфного микрокремнезема свыше заявленного приводит к росту водопотребности смеси и снижению прочности.

Присутствие в составе бетонной смеси шунгизита, обладающего свойствами сильного восстановителя, в заявленном количестве позволяет повысить эффективность и долговечность защитных свойств бетона. В процессе твердения бетона поры шунгизита постепенно заполняются гелеобразными продуктами гидратации, надежно закупоривая попавшие в них радиоактивные продукты распада. При этом прочность увеличивается, а проницаемость уменьшается.

Присутствие в составе цеолита в указанном количестве позволяет значительно уменьшить вымывание из состава такого долгоживущего изотопа, как Sr-137. Наиболее эффективный в данном случае является клиноптилолит, представляющий собой высококремнеземистый цеолит группы гейландита. Цеолиты имеют сравнительно низкую прочность, поэтому их применение в количествах, превышающих заявленные, может повлечь за собой существенное снижение прочности состава. Наибольший сорбирующий эффект достигается в случае применения молотого клиноптилолита, имеющего удельную поверхность (0,3-0,4) м²/г.

Присутствие в составе бетонной смеси суперпластификатора в указанном количестве позволяет снизить водопотребность смеси и, как следствие, увеличить прочность и водонепроницаемость композита. Передозировка суперпластификатора свыше заявленного приводит к неоправданному удорожанию смеси.

Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает достижение указанного технического результата, т.е. получение бетона с улучшенными показателями долговечности, прочности, газопроницаемости, водонепроницаемости и сорбирующей способности.

Технология приготовления защитного бетона включает следующие операции: в бетономешалке перемешиваются цемент, аморфный микрокремнезем, заполнитель и наполнитель. Отдельно в воду затворения вводится суперпластификатор. В случае применения сухого суперпластификатора необходимо осуществлять перемешивание до полного растворения последнего. Дозирование суперпластификатора осуществляется по весу, в пересчете на сухое вещество. Затворение смеси осуществляется после окончания перемешивания компонентов. После затворения смесь перемешивается в бетономешалке принудительного действия 3-4 мин. Промежуток времени между затворением и укладкой смеси не должен превышать 45 мин. В противном случае действие суперпластификатора ослабнет и значительно ухудшится удобоукладываемость.

Портландцемент - широко распространенный материал, промышленный выпуск которого осуществляется целым рядом цементных заводов, например Пикалевским.

Микрокремнезем - побочный продукт производства, получаемый в больших количествах на заводах по выпуску ферросилиция, например Челябинский и Новокузнецкий заводы ферросплавов.

Шунгизит - искусственный материал, получаемый при обжиге природного материала - шунгита, широко распространенного на территории Карелии, например Ковдорское месторождение на Кольском полуострове.

Клиноптилолит - природный материал, широко распространенный на территории Российской Федерации, например месторождения в Брянской, Курской и Орловской областях.

Конкретные примеры смесей с максимальным, оптимальным и минимальным содержанием компонентов представлены в табл. 1.

При соотношениях, меньше минимальных, не обеспечиваются необходимые качества бетонной смеси и надежность защиты бетона, бетон становится неудобоукладываемым.

При значениях, превышающих максимальные, наблюдается расслоение бетона, помимо этого, использование компонентов в таких количествах экономически нецелесообразно. Таким образом, из табл. 1 видно, что конкретным примером применения смеси "Бетоносил-С" может служить смесь оптимального состава (смотри вариант 2 табл. 1), в которой компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:
Портландцемент (Пикалевского завода, М-500) - 38
Аморфный микрокремнезем (пыль рукавных фильтров Челябинского завода ферросплавов) - 7,2
Шунгизит (песок Петрозаводского завода) - 38,9
Суперпластификатор (С-3) - 0,9
Цеолит (клиноптилолит) - 3,5
Вода - 11,5
Экспериментальные показатели свойств защищаемого состава, в сравнении с известным составом, представлены в табл. 2.

Применение бетонной смеси, приготовленной из предложенных компонентов, в заявленном соотношении позволяет получить защитный материал со стабильными во времени свойствами, имеющий прочность на сжатие в 28-суточном возрасте не ниже 65 МПа, водонепроницаемость не ниже W - 12, коэффициент фильтрации воздуха в пределах (3,5-4)•10^-10 м/с, морозостойкость свыше F - 300, хорошо сорбирующий и удерживающий изотопы Sr-90, Cs-137, Pu-239, Am-241. Такой состав может быть использован в качестве консерванта при выводе из эксплуатации и длительном хранении ядерно- и радиационно опасных объектов.

Бетонная смесь "Бетоносин-С, сорбирующий" относится к бетонам, защищающим от ионизирующих излучений и бетонам-консервантам, применяемым при отверждении радиоактивных отходов. Техническими результатами являются повышение радиационной стойкости бетона, снижение проницаемости, увеличение плотности, прочности и долговечности при сохранении высокой подвижности смеси, в сочетании со способностью к сорбции долгоживущих изотопов. Бетонная смесь содержит, мас.%: портландцемент 36 - 40, модифицирующую добавку - аморфный микрокремнезем 6,8 - 8, заполнитель - шунгизит 36 - 40, наполнитель - цеолит 3 - 6, воду 11 - 13, суперпластификатор 0,8 - 1,0. Бетонная смесь обеспечивает получение материала с прочностью в 28 суточном возрасте не ниже 65 МПа, водонепроницаемостью не ниже W - 12, имеющего коэффициент воздухопроницаемости в пределах (3,5 - 4) • 10^-10 м/с, морозостойкость свыше F-300, хорошо сорбирующего и удерживающего изотопы Sr-90, Cs-137, Pu-239, Am-241. 2 табл.

Бетонная смесь, включающая портландцемент, модифицирующую добавку, заполнитель, наполнитель и воду, отличающаяся тем, что она содержит в качестве модифицирующей добавки - аморфный микрокремнезем, в качестве заполнителя - шунгизит, в качестве наполнителя - цеолит и дополнительно - суперпластификатор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Портландцемент - 36 - 40
Аморфный микрокремнезем - 6,8 - 8
Шунгизит - 36 - 40
Цеолит - 3 - 6
Вода - 11 - 13
Суперпластификатор - 0,8 - 1,0т