3025
.pdf
На правах рукописи
Пересыпкин Евгений Вячеславович
ЦЕМЕНТНЫЕ БЕТОНЫ И РАСТВОРЫ
СПОНИЖЕННЫМ РАДОНОВЫДЕЛЕНИЕМ
05.23.05.- Строительные материалы и изделия
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Красноярск - 2005 г.
Работа выполнена на кафедре строительных материалов и изделий Красноярской государственной архитектурно-строительной академии
Научный руководитель |
доктор технических наук, профессор |
|
Назиров Рашит Анварович |
Официальные оппоненты |
доктор технических наук, профессор |
|
Селиванов Виталий Мартемьянович |
|
кандидат технических наук |
|
Аллилуева Екатерина Ивановна |
Ведущая организация |
ГПКК проектный, научно-исследовательский |
|
и конструкторский институт |
|
«Красноярский ПромстройНИИпроект» |
|
(г.Красноярск) |
Защита диссертации состоится « |
7 » июня 2005 года в 16 00 часов в ауди- |
тории К-120 на заседании диссертационного совета Д 212.096.01 в Красноярской государственной архитектурно-строительной академии по адресу: 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82.
Тел. (8-3912) 44-58-53; факс (8-3912) 44-45-60; e-mail: nis@gasa.krs.m
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Красноярской государственной архитектурно-строительной академии
Ученый секретарь диссертационного совета, В.Н. Шапошников канд. техн. наук, профессор
Общая характеристика работы
Актуальность. Актуальность темы обусловлена необходимостью научной проработки вопроса об основах и методах получения экологически чистых по радиационному фактору строительных материалов.
Находясь в помещениях, человек подвергается воздействию естественного радиационного фона, который формируется природными источниками ионизирующего излучения. Естественные радионуклиды, содержащиеся в фунте, строительных материалах, воде, топливе, создают радиоактивные эманации, которые в результате ограниченного воздухообмена в помещениях способны скапливаться в угрожающих здоровью концентрациях.
В стратегии ограничения облучения основная роль принадлежит возможности управления дозой облучения населения естественными источниками ионизирующего облучения и ее регулирования. В этой связи особую роль приобретает критерий-степень управляемости источником. Степень управляемости источником в зависимости от ситуаций (планируемые или сложившиеся) может значительно изменяться. Например, выбор материалов для производства строительных изделий и конструкций, меньшим содержанием естественных радионуклидов (ЕРН) и радоновыделением позволяет снизить облучение населения от естественных источников ионизирующего излучения без значительных капитальных затрат. Если выбор материалов с меньшим ЕРН с целью снижения облучения очевиден, то проблема возможности регулирования радоновыделения из цементных бетонов и растворов весьма актуальна и требует всестороннего изучения с практическим выходом на производство.
В настоящей работе особое внимание уделено выявлению влияния индустриальных добавок на радоновыделение и созданию экологически чистых по радиационному фактору цементных бетонов и растворов.
Диссертационная работа выполнена в рамках научно-исследовательской темы ГБ № 69 «Исследование и разработка методов прогнозирования радиационных параметров материалов и строительной продукции» (2002-2003 г.г.) по заданию Министерства образования РФ.
Цель работы. Разработка составов и технологии получения цементных бетонов и растворов с пониженным радоновыделением, обеспечивающих снижение доз облучения населения в помещениях.
Основные задачи исследований:
• Исследовать феноменологию изменения радоновыделения цемента при его гидратации без добавок, а также с пластифицирующими добавками, добав- ками-электролитами и комплексными добавками.
• Выявить процессы, обуславливающие радоновыделение гидратирующецементв*пространстгосяпоздисследоцемента,иеоговасрокиоть. механизвозможностьтверденияпоступрелогнозированниязультатамрадон измеренийзя цеэмаентниррадоновыделенияогваниязерн ц меноткрытоеестаногоиз.
3
• Установить влияние добавок-ускорителей твердения, добавокпластификаторов и комплексных добавок на радоновыделение цементного камня в поздние сроки твердения. Выявить влияние степени гидратации силикатов кальция и образования гидросульфоалюминатов кальция на эманирование цементногокамня.
•Произвести оценку эманирования компонентов цементных бетонов. Исследовать влияние заполнителей из плотных горных пород на параметры эманирования бетонов. На основе полученных результатов предложить составы бетона
спониженным эманированием.
•Произвести оценку эффективности влияния разработанных составов тяжелых бетонов на снижение дозы внутреннего и внешнего облучения в помещениях.
Научная новизна:
•Установлено, что добавки-ускорители способствуют дополнительному выходу радона, а добавки-пластификаторы в значительной степени уменьшают эманирование в период схватывания цементного теста и твердения цементного камня. Комплексные добавки снижают радоновыделение цементного теста и це-
ментногокамня.
•Установлено, что радоновыделение цемента при взаимодействии с водой обусловлено процессами десорбции, гидратации и структурообразования. При этом механизм эксхаляции радона из гидратирующегося цемента описывается двумя последовательно протекающими процессами: поступлением радона из зерен клинкера в структуру гидратирующегося цемента и выходом атомов радона из цементного теста в окружающую среду.
•Выявлено, что радоновыделение на стадии формирования структуры цементного геля, сформировавшейся в течение индукционного периода, предопределяет при прочих равных условиях эманирование цементного камня в более поздние сроки твердения в состоянии естественной влажности.
•Современными методами физико-химического анализа выявлена плотная корреляционная связь между количеством продуктов гидратации гидравлически активных минералов цемента, количеством гидросульфоалюминатов кальция и радоновыделением цементного камня с различными добавками.
Практическая ценность:
•Для радиоэкологической оценки строительных материалов рекомендован показательэманирующая способность по радону (ЭСР), также называемый удельной эффективной активностью радия, как наиболее полно отражающий ра- диационно-экологическиесвойства и удобный для практического использования.
•Для снижения радоновыделения цементных бетонов и растворов рекомендованы пластифицирующие добавки ЛСТ и С-3, а также низкоэманирующий горнблендитовый заполнитель, применение которых позволяет снизить эманирующую способность практически в 1,5...2 раза.
•Предложен расчет эманирующей способности строительных смесей по массовым вкладам их компонентов с учетом химически связанной цементом во-
4
•зависимость эманирования цементного камня в поздние сроки твердения от эманирования цементного теста;
•экспериментальные зависимости эманирования цементного камня от степени гидратации силикатов и образования гидросульфоалюминатов кальция;
•результаты расчета эманирующей способности строительных смесей по массовым вкладам их компонентов с учетом химически связанной цементом воды и влияния химических добавок;
•обоснование применения горнблендита в качестве низкоэманирующего заполнителя для тяжелых бетонов;
•предложения по улучшению радиационно-экологических показателей цементных композиций и составы бетонов с пониженной эманирующей способностью;
•оценка эффективности снижения дозы облучения населения за счет применения составов бетонов с пониженным радоновыделением.
Вклад автора в разработку проблемы. Автором осуществлено проведение
экспериментов, обобщение результатов расчётов и экспериментальных исследований; внедрение результатов работы в производство и выпуск промышленной партии низкоэманирущих сухих строительных смесей. В интегрированной системе программирования MathCad разработан алгоритм расчета эффективности применения низкоэманирующих составов в снижении эффективной дозы облучения населения от естественных радионуклидов.
Публикации по теме работ. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 работы, в изданиях рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и основных выводов, изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка, 29 таблиц, список используемой литературы из 140 наименований и 6 приложений на 38 страницах.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, показана её научная новизна и практическая ценность, а также изложены основные положения, вынесенные на защиту, приведены сведения об апробации работы.
Глава 1 посвящена изучению вопросов воздействия природных источников радиации на население, радиоактивности строительных материалов и их влияния на формирование радиационного фона в помещении, а также вопросов эксхаляции радона при гидратации гидравлически активных материалов.
Формирование естественного радиационного фона окружающей среды происходит за счёт природных источников космического и земного происхождения. В результате производственной деятельности человека формируется техногенно измененный естественный радиационный фон.
По результатам отечественных и зарубежных исследований население получает дозу от облучения естественными радионуклидами, в 2,5 раза превышающую величину предела дозы, нормируемой документом СП 2.6.1.758-99
«Нормы радиационной безопасности (НРБ-99). Санитарные нормы и правила» от техногенного излучения, равную 1 мЗ в год.
6
Население промышленно развитых стран около 80% времени проводит в жилых и производственных помещениях. В связи с этим облучение людей происходит в основном внутри помещений. Очевидно, что действие ионизирующего излучения не может зависеть от происхождения источника и определяется уровнем воздействия, а отношение к различным источникам ионизирующего излучения должно определяться в зависимости от их вклада в суммарную дозу и возможности воздействия на эти источники. Таким образом, главенствующая роль в ограничении облучения от ЕРН принадлежит строительной отрасли.
Имеющийся в строительстве положительный опыт реализации мероприятий, направленных на снижение облучения населения, убедительно опровергает утверждение о невозможности влияния на уровень облучения, обусловленного природными источниками. Однако в уже законченных строительством зданиях и сооружениях эти мероприятия, как правило, экономически нецелесообразны. Поэтому реализация мероприятий, направленных на снижение облучения, должна иметь превентивный характер.
В помещениях человек подвергается воздействию внешнего гаммаизлучения, а также внутреннего излучения, обусловленного преимущественно вдыханием радиоактивного газа радона и его дочерних продуктов распада (ДПР), содержащихся в воздухе помещений. Длительное воздействие повышенных концентраций радона провоцирует увеличение числа заболеваний раком легкого, патологических нарушений системы кроветворения, а также различные неблагоприятные генетические нарушения. Следует отметить, что данные последствия проявляются как у населения, проживающего в условиях повышенных концентраций радиоактивного газа радона, так и у профессиональных работников.
Радон - это инертный газ без цвета и запаха, почти в 8 раз тяжелее воздуха, хорошо растворим в воде. В процессе распада он образует семейство альфаиз- лучателей, которые в целом называют дочерними продуктами распада.
В современное здание радон поступает в основном из грунтового основания, наружного воздуха, ограждающих конструкций и из системы водоснабжения в результате деэманирования холодной и горячей воды. Для принятых в России к строительству многоэтажных кирпичных и железобетонных зданий основным источником поступления радона в помещение являются строительные материалы. Таким образом, разработка низкоэманирующих составов бетонов и рас творов является весьма актуальной задачей.
В настоящее время экспериментально установлено, что гидратация гидравлически активных материалов: цемента, золы-унос - приводит к увеличению выхода радона почти в 10 раз. Установлено также, что некоторые виды добавок снижают радоновыделение. Однако работы, направленные на исследование воздействия индустриальных добавок на эманирование цемента, практически отсутствуют.
Другим способом снижения эманирования является применение низкоэманирующих заполнителей. Сотрудниками НИИЖБ совместно с Институтом ядерных исследований РАН разработана композиция для защиты от естественного радиационного фона. В качестве наполнителя, песка и щебня композиция содержит радиационно-чистую ультраосновную породу. Применение данной композиции позволяет обеспечить низкий уровень естественной радиации в помещении. Использование ультраосновной породы ограничивает спектр применения
заполнителей втяжелых бетонах, предназначенныхдля снижения радиационного фона в помещениях. В этой связи изучение причин и факторов, влияющих на эманирование строительных материалов, а также выявление низкоэманирующих материалов, позволяющих получить бетон с высокими радиационногигиеническими качествами без снижения физико-механических свойств, является одной из основных задач строительного материаловедения.
Во второй главе приведено описание приборов, методики проведения инструментальных измерений, а также представлены характеристики используемых материалов.
В качестве основного средства измерений в данной работе использовался радиометр «AlphaGUARD PQ2000» производства фирмы «Genitron Instruments GmbH» (Германия), предназначенный для мгновенных измерений и продолжительного мониторинга объемной активности радона-222.
Исследуемую пробу материала или образец устанавливали в специальный эманационный контейнер, туда же помещали радиометр AlphaGuard. Накопление радона производили в течение 3-15 суток. Параметры эманирования для сыпучих материалов: песка, гравия, ПГС и керамзита - определяли в рыхло-насыпном состоянии, для тяжёлого бетона - на образцах-кубах стандартных размеров (150x150x150). До испытаний образцы твердели в различных условиях, но не менее 28 суток для завершения основных стадий структурообразования и достижения равновесия между радием и радоном. Для соблюдения условий стационарного распределения радона-222 в веществе измеряемые образцы выдерживались в нормальных условиях среды не менее, чем 1 сутки. Для изучения радоновыделения цемента при его гидратации приготовленное цементное тесто после перемешивания укладывалось в эманационный контейнер.
Величина коэффициента эманирования по радону (КЭР) и эманирующей способности по радону (ЭСР) определялась на основании анализа графика накопления радона в замкнутом объеме из образца материала с известным содержанием радия-226. Алгоритм расчета по данным «AlphaGUARD PQ2000» реализован в системе программирования MathCAD.
В работе применялся красноярский портландцемент М400ДО и топкинский М400Д20. По химическому составу и физико-механическим свойствам цементы соответствуют требованиям ГОСТ 10178-85. Для изготовления экспериментальных составов рядовых и низкоэманирующих бетонов применялся обычный кварцевый щебень и песок, а также горнблендитовые щебень и песок, являющиеся попутными продуктами дробления и обогащения титаномагнетитовых руд.
Методом рентгенофазового анализа (рис.1) нами установлено, что исследуемая проба горнблендита представлена практически двумя минералами: железомагнезиальным гидроалюмосиликатом ((Mg, Fe)6, (Si, Al)40 (OH)8] с d=0,707; 0,354; 0,141; 0,471; 0,2.82; 0,201 нм и натриевокальциевым магнезиальным железотитановым гидроалюмосиликатом [(NaCa2(Mg, Fe)4 Ti (Si6, A12) O22(OH)2] с d=0,313; 0,839; 0,279; 0,27; 0,23; 0,216; 0,201 нм. Других неидентифицируемых пиков на дифрактограмме не наблюдается. Таким образом, представленную пробу следует отнести к железомагнезиальным хлоритам.
Результаты химического анализа пробы горнблендита и его минералов представлены в табл.1, а физико-механические свойства горнблендита в табл.2.
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
||
|
|
Химический состав горнблендита |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
Содержание оксидов, маc. % |
|
|
||||
Материал |
Si02 |
Аl203 |
FeO |
Fe203 |
MgO |
CaO |
TiO2 |
п.п. |
||
|
|
п. |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Железомагнезиальный |
25, 8 |
18,3 |
4,1 |
21,3 |
20,3 |
- |
- |
- |
||
гидроалюмосиликат |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Магyезиальный желе- |
|
|
|
|
|
|
|
- |
||
зотитановыйгидро- |
39,87 |
13,81 |
11,59 |
- |
12,15 |
10,53 |
5,88 |
|||
алюмосиликат |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Горнблендит |
|
39,2 |
17,37 |
- |
17,51 |
8,87 |
10,94 |
- |
3,45 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
||
|
Свойства кварцевого и горнблендитового щебня |
|
|
|||||||
|
Средняя |
Насыпная |
Стойкость |
Водо- |
Марка |
|||||
Вид щебня |
плотность плот- |
к распаду |
погло- |
по |
||||||
зерен, |
ность, |
силикатжелезисщение |
дроби- |
|||||||
|
||||||||||
|
кг/м3 |
кг/м3 |
ному |
тому |
W,% |
мости |
||||
Кварцевый |
2500 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
щебень из |
1450 |
Стоек |
Стоек |
0,8 |
|
1400 |
||||
гравия |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Горнбленди- |
3026 |
|
|
|
Стоек |
|
|
|
||
товый |
1900 |
Стоек |
0,56 |
|
1400 |
|||||
щебень |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Данная порода принадлежит к соединениям сложного и непостоянного химического состава, моноклинной структуры, которые относятся к цепочным силикатам магния, железа, кальция, часто совместно с натрием и алюминием.
Проведенные нами исследования показали, что горнбледитовый щебень устойчив против силикатного и железистого распадов. По отношению к кварцевым заполнителям горнблендиту свойственна большая плотность и меньшее водопоглощение9 .
Для оценки влияния добавок на эманирование цемента были использованы добавки-ускорители (ХК, ХН), пластифицирующие (ЛСТ, С-3) и комплексные добавки (Универсал П-2). Выбор добавок обусловлен их доступностью и широким применением в строительной практике.
Глава 3 посвящена изучению кинетики выхода радона при гидратации цемента, а также изучению эманирования цементного камня с различными добав-
ками.
Выбор вида и вводимого количества добавок, в расчете на сухое вещество, в композициях производится с учетом пособия к СНиП 3.09.01-85. Критерием оптимальности дозировок добавок в этом случае является возможность получения бетонов с заданными строительно-технологическими свойствами и экономическая целесообразность. Между тем, работ, направленных на изучение возможности получения цементных бетонов и растворов, обладающих новым качеством - пониженным радоновыделением, в отечественном и зарубежном опыте практически не имеется. Такая работа является оригинальной и представляет несомненный научный интерес.
Для проведения экспериментов выбраны добавки-ускорители твердения, добавки пластифицирующего действия и комплексные добавки.
Составы исследуемых композиций представлены в табл.3.
|
|
Таблица 3 |
|
Вид и количество добавок цементных композиций |
|
№ состава |
Наименование добавки |
Количество, маc. % |
1 |
Без добавки |
— |
2 |
ХК (хлорид кальция) |
5 |
3 |
ХН (хлорид натрия) |
3 |
4 |
Сахароза |
10 |
5 |
ЛСТ |
0,5 |
6 |
С-3 |
0,3 |
7 |
ХК+сахароза |
5+5 |
8 |
Универсал П-2 |
0,7 |
Можно предположить, что выход радона обусловлен хорошо изученными стадиями гидратации и структурообразования искусственного камня. Поэтому, воздействуя на процессы формирования его структуры путем ввода в цемент широко известных добавок, можно регулировать радоновыделение цементных материалов. Проведенные нами исследования позволяют констатировать, что процесс гидратации цемента приводит к выделению дополнительного количества радона сверх того количества, которое образуется в результате распада радия.
Кривые радоновыделения гидратирующегося цемента с различными добавками представлены на рис.2,3. Введение в цемент добавок значительно изменяет параметры его эманирования.