СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНОГО БЕТОНА Российский патент 2002 года по МПК C04B28/02 C04B111/20 G21F1/04 G21F5/08 

Изобретение относится к строительству, в частности к технологиям изготовления радиационно-защитного бетона, применяемого преимущественно для изготовления железобетонных (металлобетонных) контейнеров, предназначенных для хранения и/или транспортировки радиоактивных материалов.

Эффективное использование бетона в качестве заполнителя замкнутых металлоконструкций корпуса металлобетонного контейнера, предназначенного для длительного хранения и/или транспортировки, например, отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), связано с необходимостью одновременного обеспечения высоких механических и радиационно-защитных свойств бетона. Это достигается, например, путем использования в качестве заполнителя при приготовлении бетонной смеси окалины, которую выбирают на металлургическом производстве от различных технологических процессов.

При эксплуатации металлобетонного контейнера, загруженного ОЯТ, в бетоне, заполняющем полость между металлическими наружной и внутренней оболочками металлобетонного контейнера, под воздействием радиации (главным образом γ-излучения) и теплового потока со стороны ОЯТ происходят различного рода процессы, сопровождаемые выделением водорода и повышением давления во внутренних порах бетона и, соответственно, в герметической полости между наружной и внутренней металлическими оболочками контейнера.

К таким процессам относятся:
1. Термохимическая коррозия "чистого" (неокисленного) железа, имеющегося в окалине, интенсивно протекающая при повышении температуры бетона.

2. Электрохимическая коррозия, определяемая протеканием через токопроводящую бетонную среду электрического тока между металлами с различным электрохимическим потенциалом.

Проводимость бетона в рассматриваемом случае определяется как наличием в порах бетона свободной и адсорбционно-связанной воды, так и ионизацией газовой смеси пор бетона под воздействием излучения ОЯТ.

3. Радиолиз воды бетона, в том числе и химически связанной, под воздействием излучения ОЯТ.

Активность реакций термохимической и электрохимической коррозии металла и, соответственно, выделение водорода при этих реакциях зависит от количества "чистого" (неокисленного) железа в окалине и количества мелких и пылевидных фракций окалины (наиболее химически активных фракций).

Существенным условием повышения надежности металлобетонных контейнеров, для которых характерно размещение массива бетона в герметической полости между наружной и внутренней металлическими оболочками контейнера, является сведение к минимуму интенсивности газовыделения и давления газовой фазы в порах бетона и в замкнутых полостях металлоконструкций.

Известны способы изготовления радиационно-защитного бетона, которые реализуются при изготовлении железобетонных (металлобетонных) контейнеров. Известные способы включают приготовление бетонной смеси, в состав компонентов которой входит заполнитель из окалины. Приготовленную бетонную смесь укладывают в конструкцию железобетонного (металлобетонного) контейнера и выдерживают в заданном режиме. При этом внутри бетона размещают средства для отвода газов из замкнутых полостей конструкции в окружающее контейнер пространство.

Например, известен железобетонный контейнер для хранения и транспортирования отработавших сборок ТВЭЛ ядерного реактора по патенту RU 2082232 (МПК⁶ G 21 F 5/008, 1994 г.). В конструкции контейнера применен бетонный состав, включающий в качестве заполнителя окалину отходов металлургического производства. Для отвода из бетона газов и паров воды в контейнере предусмотрена система перфорированных газоотводных труб, расположенных около внутренней металлической оболочки контейнера. В верхней части контейнера газоотводные трубы объединены в сборный коллектор, который во время сушки бетона через канал в кованом верхнем кольце корпуса контейнера соединяется при помощи технологического клапана с атмосферой. После завершения сушки упомянутый канал закрывается разрывной предохранительной мембраной.

Также известен контейнер для транспортировки и/или хранения ОЯТ по патенту RU 2089948 (МПК⁶ G 21 F 5/008, 1995 г.). В известном контейнере, содержащем внутреннюю и наружную цилиндрические оболочки с днищами, полость между которыми заполнена тяжелым бетоном, внутри бетонного заполнителя размещены газопроводы, соединенные кольцевым коллектором. Газопроводы и коллектор выполнены в виде металлических тросов. Коллектор сообщен с выведенным наружу каналом, перекрытым водородопроницаемой мембраной. При эксплуатации контейнера водород, который образуется в бетонном массиве в результате реакций радиолиза воды и коррозии металла, за счет диффузии по бетону достигает газопроводящих металлических тросов и далее через коллектор доходит до водородопроницаемой мембраны. Диффундируя через мембрану, водород выходит из контейнера в окружающее контейнер пространство.

Однако, известные решения, обеспечивающие сброс давления водорода в заполненных бетоном замкнутых полостях контейнера, предполагают снижение герметических свойств контейнера и, следовательно, снижение его экологической безопасности. Кроме того, известные решения, обеспечивая сброс давления газа, не решают задачи снижения интенсивности процессов газовыделения в бетоне.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ изготовления радиационно-защитного бетона, включающий приготовление бетонной смеси из мелкого и крупного заполнителя из окалины с предварительной подготовкой последнего с разделением на фракции, цемента, суперпластификатора и воды затворения (патент RU 2100304, МПК⁶ С 04 В 28/00, G 21 F 5/00, 1/04, 1996 г.). Известный способ предполагает укладку бетонной смеси в конструкцию металлобетонного контейнера, ее уплотнение и твердение с выдержкой временных интервалов. Окалину 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 фракции: 10-20, 5-10, 1,25-5, 0,63-1,25, 0,16-0,63 мм. 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.

Известный способ изготовления радиационно-защитного бетона обеспечивает достаточно высокую прочность бетона, которая достигнута благодаря применению наиболее прочной из разновидностей окалины - окалины машинной огневой зачистки блюмов, слябов и других заготовок, низкого водоцементного соотношения бетонной смеси, оптимального подбора массового соотношения заполнителей в бетоне и предварительной подготовке заполнителя из окалины.

Однако, известный способ изготовления радиационно-защитного бетона предполагает использование для приготовления бетонной смеси достаточно большого объема заполнителя из окалины, следствием чего является наличие в бетонной смеси большого количества "чистого" (неокисленного) железа, оказывающего нежелательное влияние на интенсивность процессов газовыделения в бетоне.

Задачей настоящего изобретения является создание способа изготовления радиационно-защитного бетона, обеспечивающего уменьшение проявления в бетонном массиве негативных факторов, влияющих на радиационно-химическую безопасность эксплуатации таких конструкций, как металлобетонные контейнеры.

Указанная задача решается благодаря тому, что в известном способе изготовления радиационно-защитного бетона, включающем приготовление бетонной смеси из мелкого и крупного заполнителя из окалины с предварительной подготовкой последнего с разделением на фракции, цемента, суперпластификатора и воды затворения, укладку бетонной смеси, ее уплотнение и твердение с выдержкой температурных и временных режимов, согласно изобретению подготовленный и разделенный на фракции заполнитель из окалины обогащают, затем его подвергают пассивированию. После этого подготовленные компоненты бетонной смеси с заданной последовательностью подают в бетоносмеситель с принудительным перемешиванием и перемешивают с выдержкой временных интервалов. При этом в бетоносмеситель подают замедлитель схватывания бетонной смеси. Затем приготовленную бетонную смесь укладывают в конструкцию и выдерживают в заданном режиме.

При пассивировании заполнителя из окалины сначала упомянутый заполнитель перемешивают с водой в промывочном агрегате. При этом выдерживают соотношение заполнителя из окалины и воды по массе соответственно 1:3. Затем сливают воду и мокрый заполнитель помещают в печь, где при температуре 100-200^oС выдерживают в течение 18-24 ч, после чего высушивают при заданном временном режиме при температуре до 800^oС до постоянной массы.

При подаче компонентов бетонной смеси в бетоносмеситель сначала подают заполнитель из окалины. После этого осуществляют перемешивание в течение 20-30 с. Затем подают 30% от массы воды затворения и 30% от массы суперпластификатора. Осуществляют перемешивание смеси в течение 20-30 с. После этого подают цемент, 50% от массы воды затворения, оставшуюся массу пластификатора и 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.

Вместе с этим барабан бетоносмесителя загружают компонентами бетонной смеси не более, чем на 60% от его объема.

В варианте осуществления изобретения заявляемый способ используется для изготовления радиационно-защитного бетона, например, для железобетонных (металлобетонных) контейнеров, предназначенных для хранения и/или транспортировки ОЯТ.

Технология способа изготовления радиационно-защитного бетона состоит в следующем. Бетонную смесь приготавливают в смесителе с принудительным перемешиванием. При этом барабан смесителя загружают компонентами бетонной смеси не более чем на 60% от его объема, что связано с достаточно высокой плотностью бетонной смеси. В варианте осуществления изобретения бетонная смесь включает следующие компоненты: мелкий и крупный заполнитель из окалины, цемент, воду затворения, суперпластификатор, например, на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида С-3 и замедлитель схватывания бетонной смеси, например, нитрилотриметиленфосфоновую кислоту. Вместе с этим в других вариантах выполнения бетонная смесь может включать и другие компоненты. Например, с целью повышения плотности и прочности бетона, бетонная смесь может дополнительно включать дробь чугунную или стальную вместо части мелкого заполнителя. Необходимую окалину выбирают на металлургическом производстве от различных технологических процессов. Окалину до применения в дело рассеивают на стандартные фракции, например, крупный заполнитель фракций 10-20, 5-10 мм и мелкий заполнитель фракций 1,25-2,5, 0,16-1,25 мм, удаляют зерна крупнее 20 мм и посторонние включения.

Предварительно подготовленный и разделенный на фракции заполнитель из окалины обогащают путем промывки в воде. Это позволяет свести к минимуму количество наиболее химически активных мелких и пылевидных фракций окалины.

После этого заполнитель из окалины подвергают пассивированию. В варианте выполнения изобретения пассивирование заполнителя из окалины заключается в следующем. Сначала заполнитель перемешивают с водой в промывочном агрегате. При этом выдерживают соотношение заполнителя из окалины и воды по массе соответственно 1:3. Затем сливают воду, и мокрый заполнитель из окалины в соответствующих емкостях помещают в печь, где при температуре 100-200^oС выдерживают в течение 18-24 ч, после чего высушивают при заданном временном режиме при температуре до 800^oС до постоянной массы. Временной режим определяется размером фракции окалины. В результате подобной сушки из окалины выжигаются органические загрязнения, которые могут являться источником газовыделения в бетоне при воздействии радиации и тепловом воздействии.

После этого подготовленные компоненты бетонной смеси с заданной последовательностью подают в бетоносмеситель с принудительным перемешиванием и перемешивают с выдержкой временных интервалов. В варианте выполнения при подаче компонентов бетонной смеси в бетоносмеситель сначала подают заполнитель из окалины, после чего 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 цемент, 50% от массы воды затворения, оставшуюся массу суперпластификатора С-3 и 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.

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

Благодаря пассивированию уменьшается количество "чистого" (неокисленного) железа на поверхности используемого при приготовлении бетонной смеси заполнителя из окалины, в результате чего снижается интенсивность газообразования в бетоне при воздействии радиации и тепловом воздействии в процессе эксплуатации железобетонных (металлобетонных) контейнеров, предназначенных для хранения и/или транспортировки ОЯТ.

Таким образом, благодаря особенностям исполнения, предлагаемый способ изготовления радиационно-защитного бетона обеспечивает снижение активности происходящих внутри бетонного массива процессов, сопровождающихся выделением водорода и повышением давления во внутренних порах бетона, что позволяет повысить надежность и экологическую безопасность конструкций, для которых характерно размещение массива бетона в герметических полостях, например, таких конструкций, как железобетонные (металлобетонные) контейнеры для транспортировки и/или хранения радиоактивных материалов.

Изобретение относится к строительству, в частности к технологиям изготовления радиационно-защитного бетона, применяемого для изготовления металлобетонных контейнеров, предназначенных для хранения и/или транспортировки радиоактивных материалов. Технический результат - повышение радиационно-химической безопасности при эксплуатации таких конструкций, как металлобетонные контейнеры. Способ изготовления радиационно-защитного бетона, включающий приготовление бетонной смеси из мелкого и крупного заполнителя из окалины с предварительной подготовкой последнего с разделением на фракции, цемента, суперпластификатора и воды затворения, укладку бетонной смеси, ее уплотнение и твердение с выдержкой температурных и временных режимов, предусматривает, что подготовленный и разделенный на фракции заполнитель из окалины обогащают, затем его подвергают пассивированию, после чего подготовленные компоненты бетонной смеси с заданной последовательностью подают в бетоносмеситель с принудительным перемешиванием и перемешивают с выдержкой временных интервалов, при этом в бетоносмеситель подают замедлитель схватывания бетонной смеси, затем приготовленную бетонную смесь укладывают в конструкцию и выдерживают в заданном режиме. Причем при пассивировании заполнитель перемешивают с водой в промывочном агрегате, при этом выдерживают соотношение заполнителя из окалины и воды по массе соответственно 1:3, затем сливают воду и мокрый заполнитель из окалины помещают в печь, где при температуре 100-200^oС выдерживают в течение 18-24 ч, после чего высушивают при заданном временном режиме до 800^oС до постоянной массы, при подаче компонентов бетонной смеси в бетоносмеситель сначала подают заполнитель из окалины, после чего осуществляют перемешивание в течение 20-30 с, затем подают 30% от массы воды затворения и 30% от массы суперпластификатора, осуществляют перемешивание смеси в течение 20-30 с, после чего подают цемент, 50% от массы воды затворения, оставшуюся массу суперпластификатора и 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, причем барабан бетоносмесителя загружают компонентами бетонной смеси не более чем на 60% от его объема. 3 з.п.ф-лы.

1. Способ изготовления радиационно-защитного бетона, включающий приготовление бетонной смеси из мелкого и крупного заполнителя из окалины с предварительной подготовкой последнего с разделением на фракции, цемента, суперпластификатора и воды затворения, укладку бетонной смеси, ее уплотнение и твердение с выдержкой температурных и временных режимов, отличающийся тем, что подготовленный и разделенный на фракции заполнитель из окалины обогащают, затем его подвергают пассивированию, после чего подготовленные компоненты бетонной смеси с заданной последовательностью подают в бетоносмеситель с принудительным перемешиванием и перемешивают с выдержкой временных интервалов, при этом в бетоносмеситель подают замедлитель схватывания бетонной смеси, затем приготовленную бетонную смесь укладывают в конструкцию и выдерживают в заданном режиме. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при пассивировании заполнитель перемешивают с водой в промывочном агрегате, при этом выдерживают соотношение заполнителя из окалины и воды по массе соответственно 1: 3, затем сливают воду и мокрый заполнитель из окалины помещают в печь, где при температуре 100-200^oС выдерживают в течение 18-24 ч, после чего высушивают при заданном временном режиме до 800^oС до постоянной массы. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при подаче компонентов бетонной смеси сначала подают заполнитель из окалины, после чего осуществляют перемешивание в течение 20-30 с, затем подают 30% от массы воды затворения и 30% от массы суперпластификатора, осуществляют перемешивание смеси в течении 20-30 с, после чего подают цемент, 50% от массы воды затворения, оставшуюся массу суперпластификатора и замедлитель схватывания бетонной смеси, осуществляют перемешивание смеси в течение 40-60 с, затем подают оставшуюся массу воды затворения и осуществляют перемешивание смеси 20-30 с. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что барабан бетоносмесителя загружают компонентами бетонной смеси не более чем на 60% от его объема.