Патент на изобретение №2379246
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(54) КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОСОБО ПРОЧНОГО И ТЯЖЕЛОГО БЕТОНА ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ РАДИАЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
(57) Реферат:
Изобретение относится к композиции для изготовления особо прочного и тяжелого бетона для защиты от радиационного излучения, который может найти применение при изготовлении контейнеров с отработавшим ядерным топливом или радиоактивными отходами. Композиция для изготовления особо прочного и тяжелого бетона для защиты от радиационного излучения содержит цемент марки не менее М-500, тяжелый заполнитель из отходов производства черной металлургии – бой железосодержащих брикетов фракции не менее 1,25 мм и не более 20 мм, суперпластификатор С-3, воду при следующем содержании компонентов, кг на м3 бетона: указанный цемент – 500-950, суперпластификатор С-3 – 2-10, указанный бой брикетов – 2020-3500, вода – 160-320. Изобретение развито в зависимых пунктах формулы изобретения. Технический результат – повышение радиационной стойкости бетона. 7 з.п. ф-лы, 2 ил., 8 табл.
Изобретение относится к строительным материалам, а именно к композициям сырьевых смесей для приготовления особо прочного и тяжелого бетона, предназначенного для защиты от радиационного излучения, и может быть использовано для приготовления изделий из бетона в гражданском и промышленном производстве, воспринимающих механические нагрузки высокой интенсивности статического и динамического характера, а также при возведении сооружений специального типа, в том числе для изготовления металлобетонных контейнеров, предназначенных для хранения и/или транспортирования отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и радиоактивных отходов (РАО), а также хранилищ (могильников) РАО, конструкций биологической защиты от излучения ядерных реакторов и т.п. Анализ технического уровня в указанной области техники показал, что известен тяжелый бетон для защиты от гамма-излучения, содержащий вяжущее в виде цемента, железосодержащий заполнитель с плотностью от 3500 кг/м3 до 5200 кг/м3, пластификационную добавку и воду (патент Чехословакии 267194, МПК: G21F 1/04, публ. 13.06.89 г., Бюл. « Изобретения стран мира», 2-99, стр.5). Невозможность достижения указанным аналогом технического результата, достигаемого заявляемой композицией, обуславливается выполнением указанного заполнителя из синтетической окиси железа с зернами от 4 мм до 32 мм, что требует значительных затрат на изготовление такого заполнителя, приводящих к увеличению стоимости бетона. Известна композиция смеси для бетонных блоков, содержащая вяжущее в виде цемента, крупный железосодержащий заполнитель, мелкий заполнитель, воду (патент Японии 3405350 В2 2002274921 А, МПК: С04В 28/02, С04В 14/30, Е02В 3/06, Е02В 3/14, публ. 12.05.2003 г., Бюл. «Изобретения стран мира», вып.40, 5/2004 г., стр.19). Невозможность достижения указанным аналогом технического результата, достигаемого заявляемой композицией, обуславливается недостаточной средней плотностью смеси порядка 2,7-2,9 г/см3, что экологически опасно, а технически неприемлемо из-за больших толщин ограждающих конструкций для изделий, предусматривающих необходимость в радиационной защите от их воздействия, например, контейнеров с ОЯТ или РАО на окружающую среду. Кроме того, использование в качестве крупного заполнителя оксидной железной руды и гравия дорогостояще, а отсутствие пластифицирующего компонента в составе смеси приводит к недостаточной удобоукладываемости смеси и пониженной прочности бетона. Известна композиция для изготовления радиационно-защитных материалов, содержащая вяжущее в виде цемента, заполнитель в виде дроби, отход производства, добавку в виде модификатора, воду (патент РФ 2319676 С2, МПК: С04В 28/00, G21F 1/04, публ. 20.03. 2008 г., Бюл. 8). Невозможность достижения указанным аналогом технического результата, достигаемого заявляемой композицией, обуславливается недостаточной прочностью бетона из-за использования в качестве заполнителя свинцовой дроби фракции 5-6 мм, которая является тяжелым материалом, опускающимся в смеси вниз, что сказывается на недостаточной радиационной стойкости верхних слоев бетона и требует увеличения толщины изделия в этих слоях, что в свою очередь приводит к повышению цены материала, а в качестве наполнителя двухфракционную смесь отхода производства оптического стекла, что в тяжелых бетонах при, например, транспортировании контейнеров с ОЯТ или с РАО и их падении в аварийной ситуации может привести к появлению трещин и к возникновению экологической опасности. Кроме того, использование в качестве вяжущего глеглицеринового цемента существенно повышает стоимость бетона. Из известных технических решений наиболее близким к заявляемому является композиция сырьевой смеси для приготовления особо прочного и тяжелого бетона, включающая вяжущее марки не менее М-500 в виде портландцемента, мелкий заполнитель на основе чугунной дроби, тяжелый заполнитель в виде железосодержащего отхода производства, пластификатор С-3, воду, замедлитель схватывания бетонной смеси (патент РФ 26). Невозможность достижения указанным аналогом технического результата, достигаемого заявляемой композицией, обуславливается использованием в прототипе в качестве тяжелого заполнителя окалины как продукта отхода различных технологических процессов металлургического производства. Однако в настоящее время в связи с требованием современного производства изменена технология металлургического цикла, вследствие чего: – показатели качества окалины, такие как прочность и плотность стали значительно ниже требуемых применительно к бетону для защиты от радиационного воздействия; – металлургическое производство стало безотходным и окалина включена в технологический процесс по круговому принципу для повторного использования в нем. Поэтому, хотя на некоторых производствах, еще работающих по прежним технологиям, окалина может быть использована, однако в очень ограниченных объемах. Предполагается, что в ближайшее время окалина как отход производства перестанет существовать. В связи с чем уже сегодня она является дорогостоящей, а также не соответствующей предъявляемым к бетону техническим характеристикам, в том числе, таким как радиационная стойкость. При разработке заявляемой композиции была поставлена задача создания особо прочного и тяжелого бетона, используемого, в том числе, в защитных металлобетонных контейнерах с ОЯТ или РАО, который изготавливается из доступных и недорогих материалов с показателями прочности и плотности его массы, соответствующих значениям показателей технических характеристик, соответствующих предъявляемым сегодня требованиям к указанному виду бетонов. При решении упомянутой задачи был достигнут технический результат, заключающийся в снижении стоимости бетона с одновременным повышением его радиационной стойкости за счет применения для приготовления бетона композиционной смеси нижеуказанного состава, в которой в качестве заполнителя используются промышленные отходы, подлежащие утилизации и выполненные из отходов производства черной металлургии в виде боя железосодержащих брикетов, присутствующих на их производствах в количествах, достаточных для всего планируемого в будущем объема применения в изделиях и конструкциях ядерной энергетики, использование которых позволило обеспечить высокие показатели качества бетона, таких как прочность и плотность, что позволило уменьшить и объем потребляемого бетона, например, толщины изготавливаемых изделий, в частности стенок контейнеров с ОЯТ или РАО, что также привело к снижению стоимостных затрат. Полное замещение в составе бетона заполнителя из окалины и существенное снижение количества дроби в заявляемой смеси в случае ее применения в пределах 500-770 кг на м3 бетона позволило предлагаемым композиционным сочетанием компонентов с использованием боя отходов брикетов значительно снизить стоимость бетона за счет применения более дешевых отходов и, в том числе, отсутствия процедуры их измельчения на фракции, что позволяет расширить базу дешевых заполнителей для бетона, а также за счет уменьшения материалопотребления бетона в связи с повышением его радиационной стойкости, обусловленной высокой прочностью бетона, объемами железосодержащего боя, а следовательно, высокой плотностью. Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что композиция для изготовления особо прочного и тяжелого бетона для защиты от радиационного излучения содержит вяжущее марки не менее 500, тяжелый заполнитель в виде железосодержащего отхода производства, суперпластификатор С-3, воду. Новым в композиции является то, что она содержит в качестве тяжелого заполнителя отходы производства черной металлургии на основе боя брикетов крупностью не менее 1,25 и не более 20 мм при следующем содержании компонентов, кг на м3 бетона:
Кроме того, при плотности композиции более 3800 кг/ м3, но менее 4500 кг/м3 и при истинной плотности отходов брикетов менее 5,0 г/м3 она дополнительно может содержать мелкий заполнитель в виде дроби номера 03 или 05, взятой в пределах 500-770 кг на указанный м3 бетона. Кроме того, дробь может быть использована чугунная или стальная, композиция может дополнительно содержать замедлитель схватывания бетонной смеси при расходе 0,5-1,0 кг на указанный м3 бетона, а также модификатор бетона МБ на основе микрокремнезема и суперпластификатора С-3 в сухом виде при расходе 15-100 кг на указанный м3 бетона. Суперпластификатор С-3 может быть выполнен на основе натриевой соли нафталинсульфокислоты с формальдегидом. Композиция может содержать бой железосодержащих брикетов в виде смеси мелкой фракции от 1,25 мм до 5 мм и крупной фракции от 5 мм до 20 мм, а в качестве цемента портландцемент и его разновидности или глиноземистый цемент марок не ниже М-500. Для приготовления указанной композиции используются: – нормированный портландцемент ПЦ М 500-ДО, ПЦ М600-ДО Оскольского, Белгородского и других заводов, ГОСТ 10178-8S*; – отходы в виде боя железосодержащих брикетов производств черной металлургии, составляющими компонентами которых являются железо (85%), известь (9%), вода (остальное), получаемые спеканием и прессованием на ОАО «Лебединский горно-обогатительный комбинат», ТУ 0726-003-00186803-2001; – дробь чугунная или стальная, изготавливаемая на ООО «Ферум-Плав», г.Вологда, ГОСТ 11964-81*; – суперпластификатор С-3 на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты с формальдегидом, ТУ5870-002-58042865-03, изготавливаемый на ООО «Полипласт Новомосковск» Тульской области; – замедлитель схватывания бетонной смеси в виде химической добавки, изготавливаемой на Новочебоксарском химическом комбинате, ТУ 2499-34705763441-00; – модификатор бетона типа МБ в виде смеси микрокремнезема и суперпластификатора С-3 в сухом виде, поставщик ООО «СтройТехнохим», г.Москва, ТУ 5743-073-46854090-98; – вода, ГОСТ 23732-79. В качестве цемента как вяжущего смеси может использоваться портландцемент и его разновидности или глиноземистый цемент марок не ниже М-500 при сохранении тех же композиционных пропорций. Применение нормированного портландцемента при расходе 500-950 кг/м3, не содержащего активных минеральных добавок, позволяет обеспечить прочность бетона от 40 до 150 МПа при сжатии. Использование суперпластификатора С-3 в качестве добавки в заявляемую композицию в указанных пределах 2-10 кг/м3 способствует уменьшению соотношения вода/цемент при заданных расходах портландцемента, удобоукладываемости бетонной смеси, что повышает прочность, плотность, долговечность и коррозионную стойкость бетона. Использование мелкого заполнителя в виде дроби возможно в составе композиции в зависимости от требований, предъявляемых к плотности бетона, установленных для радиоактивной защиты. Например, для получения плотности бетонной массы более 3800 кг/м3, но менее 4500 кг/м3 в состав смеси вводится дробь. Кроме того, возможно введение в композицию дроби и в зависимости от качественных характеристик отходов брикетов по плотности и прочности под соответствующие требования к нормативам радиоактивной защиты, так при истинной плотности отходов брикетов менее 5,0 г/м3 и требуемой плотности бетона выше 4200 кг/м3 также вводится указанная дробь. Использование дроби номера 03 или 05 в виде мелкого заполнителя, полностью заменившей составной мелкий заполнитель из окалины и тяжелой дроби, как это имеет место в прототипе, в пределах 500-770 кг/м3 (в прототипе 800-1500 кг/м3) при плотности заявляемой смеси композиции от 3800 и до 4500 кг/м3, диктуемой необходимым уровнем радиационной защиты, позволило снизить ее материалопотребление, увеличить равномерность ее распределения в массе бетона, так как она взята номеров 03 или 05, то есть не тяжелая (что сказывается и на повышении радиационной стойкости по всему объему смеси), что также позволяет снизить стоимость бетонной массы. При плотности бетонной массы менее 3800 и более 4500 кг/м3 использование дроби нецелесообразно, так как при плотности до 3800 кг/м3 необходимые показатели качества бетона (плотность и прочность) достигаются указанной композицией и без применения дроби, что экономически выгоднее, а при более 4500 кг/м3 содержание дроби в составе бетона превышает 1500 кг/м3. Такое содержание дроби значительно удорожает стоимость бетона. Применение отходов на основе боя, представляющего собой смесь из отделенных концовок 1 (Фиг.2), а также отдельных фрагментов 2 произвольной формы и размеров железосодержащих брикетов 3 (Фиг.1) в диапазоне 2020-3500 кг/м3 позволило увеличить радиационную стойкость, что связано с увеличением площади противодействия радиоактивного проникновения и экранированием его при одновременном сохранении высоких показателей по плотности и прочности смеси. Улучшение указанных характеристик связано и с качественными характеристиками боя брикетов, содержащих высокое содержание железа, а также их объемными и весовыми размерами, что в конечном итоге привело к снижению объемов потребляемого бетона, связанного с уменьшением толщин, а следовательно, габаритных размеров изделий, например контейнеров, и их удешевлению. В состав боя брикетов как продуктов спекания отходов производства черной металлургии входит железо 85%, и может входить известь – 9% и вода – остальное. Высокое содержание железа в указанном бое свидетельствует о свойствах, которые присущи именно отходам производства черной металлургии а также о высокой химической и радиационной стойкости бетона. Использование указанных отходов приводит также к стабильности производства бетона в обозримом будущем, а также расширяет базу видов используемых заполнителей бетона. Использование в качестве замедлителя схватывания химической добавки НТФ (нитрилотриметилфосфатная кислота) при расходе 0,5-1,0 кг на м3 бетона позволило продлить процесс укладки бетонной смеси до 4 часов в изделия, в которых затруднены быстрая подача и уплотнение бетонной смеси, например контейнеры ТУК-123, ТУК-109 и др. Возможно использование и других видов химических добавок, например технических лигносульфонатов, либо тиокола и т.д. В ограждающих конструкциях ядерного реактора использование замедлителя твердения не требуется. Применение модификатора бетона типа МБ, например МБ 10-01 и его разновидностей, повышает нерасслаиваемость весьма пластичных бетонных смесей (осадка конуса ОК18 см) при сбрасывании с высоты от 3 до 6 м, а также плотность и частично прочность бетона, что повышает и радиационную стойкость бетона. Модификатор бетона в рассматриваемой композиции может не применяться при требуемой марки бетонной смеси по удобоукладываемости не более П2 и сбрасывания бетонной смеси с высоты не более 3 м. Экспериментально установлено, что указанные выше свойства бетонной смеси проявляются при сочетании указанных выше компонентов и в предложенных пропорциях. Введение в состав композиции указанных выше веществ в предложенных диапазонах соотношения компонентов смеси, кг/м3, позволяет обеспечить следующие физико-механические показатели смеси, приведенные в таблицах 2, 4, 6, 8 для соотношений композиций составов, указанных в таблицах 1, 3, 5, 7. Технология производства брикетов представляет собой, например, на ОАО « Лебединский ГОК» согласно ТУ 0726-000-00186803-2001 спекание железной руды в виде рыхлой мелкозернистой рудной массы, распределение в формы-матрицы и последующее прессование при высокой температуре для получения брикетов, в процессе которого на их торцевых сторонах образуются концовки в виде наплывов произвольной формы от прессования и различных размеров. Форма брикетов может быть различной в зависимости от формы-матрицы. Полученные брикеты составляются в партии, которые в дальнейшем и поставляются заказчикам. Отходы (бой) брикетов образуются при выгрузке их на пост охлаждения и погрузке в транспортные средства (полувагоны). Брикеты грузят транспортерами, лента которых представляет собой сетку с ячейкой 25×25 мм из расчета отсева негабаритов меньше указанного выше размера. Практически отсеиваются зерна боя, максимальный размер которых составляет в основном 20 мм (95%) и менее. Образующаяся масса отходов (боя) брикетов подвергается рассеву на 2 стандартные фракции: мелкую от 1,25 до 5 мм и крупную от 5 до 20 мм в соответствии с ГОСТ 8267-93 и ГОСТ 8736-93. Крупная фракция может рассеиваться на две стандартные фракции 510 мм и 1020 мм. Массовое соотношение фракций подбирают в зависимости от истинной плотности каждой фракции. Использование боя крупностью не менее 1,25 мм и не более 20 мм обуславливается условиями их образования и существующими требованиями, предъявляемыми к радиоактивной стойкости, а также экономической целесообразностью. Массу каждой фракции промывают и высушивают до остаточной влажности 0,3% по массе. Марка полученной фракции по дробимости всегда превышает «1400» (определяется по ГОСТ 8269,0-97). До предложенного использования бой брикетов подлежал утилизации. Рациональное же использование его в составе композиции бетона создает безотходное производство и по сути создает возможность использования дешевого материала. Качество боя зависит от вида обрабатываемой руды на производстве, ее физико-химических показателей, которые должны соответствовать требованиям, предъявляемым к радиационно-защитным материалам, как к особым условиям, бой является пожаро- и взрывобезопасным, обеспечивает повышенное сцепление с бетоном, износостойкий, что повышает в свою очередь сопротивляемость износу самого бетона. Размеры брикетов в продольном сечении около 110×50 мм, в поперечном около 35 мм, размеры боя определяются видами оборудования для прессования. Композицию приготавливают следующим образом. Для получения композиции были приготовлены 24 смеси: 12 смесей без модификатора бетона МБ10-01 (табл.1 смеси 1-3, табл.3 смеси 4-6, табл.5 смеси 7-9, табл.7 смеси 10-12) и 12 смесей с модификатором (табл.1 смеси 1 м-3 м, табл.3 смеси 4 м-6 м, табл.5 смеси 7 м-9 м, табл.7 смеси 10 м-12 м), каждая содержащая все составляющие композиции и отличающиеся друг от друга количественным соотношением компонентов, при этом в табл.1 и 7 дробь отсутствует, а в табл.3 и 5 используется в составе композиции. Результаты испытаний бетонов представлены в табл.2, 4, 6 и 8. Составные компоненты дозируют, перемешивают до однородного состояния и затворяют водой, в которой предварительно растворяют суперпластификатор С-3 и отдельно вводят раствор добавки НТФ. Выбор вида (чугунная или стальная) и номера (03 или 05) дроби определяется экономическими соображениями. Композиция используется следующим образом на примере бетонирования полостей контейнера ТУК-109 для хранения ОЯТ. Приготавливают бетонную смесь, загружают ее в бункер и подают к металлической конструкции контейнера, имеющего две полости цилиндрического сечения, расположенные по его периметру. Широкую полость (около 35 см) заполняют бетоном на тяжелом заполнителе – бое крупной фракции, узкую (около 6 см) – на тяжелом заполнителе – бое мелкой фракции. Выгружают бетонную смесь в полость, перемещая бункер по кругу из расчета, чтобы образовался слой бетонной смеси высотой 40±10 см. Уплотняют смесь глубинными вибраторами. Цикл повторяют до полного заполнения полости изделия. Из нижнего, среднего и верхнего яруса отбирают пробы бетонной смеси, одновременно контролируя ее плотность взвешиванием, формуют контрольные образцы из расчета испытания в 3 этапа: промежуточное (14 суток), основное (в 28 или 90 суток) и контрольное по требованию заказчика. Плотность бетонной смеси определяют по ГОСТ 10181.2-00. Плотность бетона определяют по ГОСТ 12730.1-78, а прочность – по ГОСТ 10180-90. Введение указанных компонентов в композицию позволило получить бетонное изделие, стоимость которого на 25% ниже, нежели у прототипа. Возможность осуществления заявляемой композиции для изготовления особо прочного и тяжелого бетона для защиты от радиационного излучения подтверждается использованием в ней недорогих строительных материалов, обладающих оптимальными эксплуатационными характеристиками со свойствами, обеспечивающими качественную защиту от радиационного излучения, существующих и применяемых в области строительных материалов, в том числе на уровне функционального обобщения, с достижением технического результата, заключающегося в снижении стоимости бетона за счет снижения затрат на производство бетона путем использования композиции с компонентом из промышленных отходов производства черной металлургии на основе боя железосодержащих брикетов и снижения материалопотребления путем уменьшения объемных габаритов изделий из бетона, в частности, толщин стенок контейнеров с ОЯТ и РАО за счет одновременного повышения его радиационной стойкости, что является необходимым требованием при работе с ОЯТ и РАО. Указанное техническое решение позволило также расширить базу дешевых заполнителей бетона.
Формула изобретения
1. Композиция для изготовления особо прочного и тяжелого бетона для защиты от радиационного излучения, содержащая цемент марки не менее 500, тяжелый заполнитель в виде железосодержащего отхода производства, суперпластификатор С-3, воду, отличающаяся тем, что она содержит в качестве указанного заполнителя отход производства черной металлургии – бой брикетов крупностью не менее 1,25 мм и не более 20 мм при следующем содержании компонентов, кг на м3 бетона:
2. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит мелкий заполнитель в виде дроби номера 03 или 05, взятой в количестве 500-770 кг на м3 бетона, который вводят в композицию при плотности композиции более 3800 кг/м3, но менее 4500 кг/м3 и при истинной плотности отходов брикетов менее 5,0 г/м3. 3. Композиция по п.2, отличающаяся тем, что она содержит чугунную или стальную дробь. 4. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит замедлитель схватывания бетонной смеси при расходе 0,5-1,0 кг на м3 бетона. 5. Композиция по п.1 или 4, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит модификатор бетона МБ на основе микрокремнезема и суперпластификатора С-3 в сухом виде при расходе 15-100 кг на м3 бетона. 6. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что она содержит суперпластификатор С-3 на основе натриевой соли продукта конденсации нафталинсульфокислоты с формальдегидом. 7. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что она содержит бой указанных брикетов в виде смеси мелкой фракции от 1,25 до 5 мм и крупной фракции от 5 до 20 мм. 8. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что она содержит в качестве цемента марки не менее 500 портландцемент, его разновидности или глиноземистый цемент.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||