СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНОГО БЕТОНА Российский патент 2002 года по МПК G21F1/02 C04B28/02 

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).

При эксплуатации металлобетонного контейнера, загруженного ОЯТ, вышеперечисленные процессы могут привести к таким негативным явлениям, как:
1. Чрезмерному повышению давления в порах бетонного наполнителя и в полости между металлическими наружной и внутренней оболочками металлобетонного контейнера.

2. Электрохимической коррозии контактирующих с бетонным наполнителем ограждающих герметизирующих металлоконструкций, выполненных из стали (в частности, нержавеющей), имеющей по сравнению с окалиной другой электрохимический потенциал.

При этом, если эксплуатационным регламентом технологии хранения ОЯТ может быть предусмотрен периодический сброс давления из замкнутых полостей металлобетонного контейнера, содержащих бетонный наполнитель, а интенсивность газообразования определяет лишь частоту или период данной технологической операции, то процессы электрохимической коррозии ограждающей бетон герметизирующей металлоконструкции являются неконтролируемыми.

Разгерметизация контейнера вследствие коррозии металла ограждающей конструкции может привести к выходу радионуклидов из внутренней полости контейнера в процессе длительного хранения ОЯТ.

Таким образом, снижение интенсивности процесса электрохимической коррозии ограждающей бетон металлоконструкции является задачей не менее важной, чем снижение интенсивности газообразования, и непосредственно влияет на экологическую безопасность хранения ОЯТ.

Существенным условием повышения надежности металлобетонных контейнеров, для которых характерно размещения 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 (МПК ⁶ G 21 F 5/008, 1994). 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 (МПК ⁶ 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 с предварительной подготовкой входящего в состав ее компонентов заполнителя из окалины (патент RU 2100304, МПК ⁶ С 04 В 28/00, G 21 F 5/00, 1/04, 1996). Бетонная смесь включает следующие компоненты: мелкий и крупный заполнитель из окалины, цемент, суперпластификатор С-3 и воду затворения. 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. В варианте выполнения приготовленную бетонную смесь укладывают в конструкцию металлобетонного контейнера для транспортировки или хранения ОЯТ.

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 с предварительной подготовкой входящего в состав ее компонентов заполнителя из окалины, согласно изобретению при подготовке заполнителя из окалины его подвергают пассивированию, для чего предварительно перемешивают с водой, затем мокрый заполнитель из окалины помещают в печь, где выдерживают в заданном режиме.

Вместе с этим заполнитель из окалины перед пассивированием обогащают путем промывки в воде.

Технический результат использования изобретения состоит в том, что благодаря пассивированию уменьшается количество "чистого" (неокисленного) железа на поверхности используемого при приготовлении бетонной смеси заполнителя из окалины, в результате чего при эксплуатации радиационно-защитного бетона снижается интенсивность процессов термохимической и электрохимической коррозии заполнителя из окалины, электрохимической коррозии ограждающей бетон металлоконструкции и соответственно снижается интенсивность газообразования в бетоне. Все это, в конечном итоге, позволяет повысить надежность конструкций, для которых характерно размещение массива бетона в герметических полостях, например, таких конструкций, как железобетонные (металлобетонные) контейнеры для ОЯТ.

В варианте осуществления изобретения заявляемый способ используется для изготовления радиационно-защитного бетона, например для железобетонных (металлобетонных) контейнеров, предназначенных для транспортировки и/или хранения 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, включающей заполнитель из окалины. В варианте осуществления изобретения бетонная смесь включает следующие компоненты: мелкий и крупный заполнитель из окалины, цемент, суперпластификатор, например, на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты и формальдегида С-3 и воду затворения. Вместе с этим в других вариантах выполнения бетонная смесь может включать и другие компоненты. Например, бетонная смесь может дополнительно содержать в качестве заполнителя дробь чугунную или стальную и замедлитель схватывания смеси. Необходимую окалину выбирают на металлургическом производстве от различных технологических процессов. Окалину до применения в дело рассеивают на стандартные фракции, например, 10-20, 5-10, 1,25-2,5, 0,16-1,25 мм, удаляют зерна крупнее 20 мм и посторонние включения.

В варианте выполнения предварительно подготовленный 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 осуществления изобретения пассивирование заполнителя из окалины заключается в следующем. Сначала заполнитель перемешивают с водой в бетоносмесителе или 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.

Затем подготовленную 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 процессов термохимической и электрохимической коррозии заполнителя из окалины, электрохимической коррозии ограждающей бетон металлоконструкции, контактирующей с бетонным наполнителем, и соответственно 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, и коррозионную стойкость ограждающей бетон металлоконструкции с сохранением герметизирующих свойств последней, 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 технологии изготовления радиационно-защитного бетона, применяемого преимущественно для изготовления железобетонных (металлобетонных) контейнеров, предназначенных для хранения и/или транспортировки радиоактивных материалов. Технический результат - уменьшение проявления в бетонном массиве негативных факторов, влияющих на радиационно-химическую безопасность эксплуатации таких конструкций, как металлобетонные контейнеры. В способе изготовления радиационно-защитного бетона, включающем приготовление бетонной смеси с предварительной подготовкой входящего в состав ее компонентов заполнителя из окалины, при подготовке заполнителя из окалины его подвергают пассивированию, для чего предварительно перемешивают с водой, затем мокрый заполнитель из окалины помещают в печь, где выдерживают в заданном режиме, причем упомянутый заполнитель перед пассивированием обогащают путем промывки в воде. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления радиационно-защитного бетона, включающий приготовление бетонной смеси с предварительной подготовкой входящего в состав ее компонентов заполнителя из окалины, отличающийся тем, что при подготовке заполнителя из окалины его подвергают пассивированию, для чего предварительно перемешивают с водой, затем мокрый заполнитель из окалины помещают в печь, где выдерживают в заданном режиме. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упомянутый заполнитель перед пассивированием обогащают путем промывки в воде.