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 (rи 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.
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.%.