Введение к работе
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 грунте, 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 с меньшим содержанием естественных радионуклидов (ЕРН) и радоновьщелением 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 радоновьщелением, 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, добавками-электролитами и комплексными добавками.
Выявить процессы, обуславливающие радоновыделение гидратирующе-гося цемента, и механизм поступления радона из цементного зерна в открытое пространство.
Исследовать возможность прогнозирования эманирования цементного камня в поздние сроки твердения по результатам измерений радоновыделения из цементного теста.
Установить влияние добавок-ускорителей твердения, добавок-пластификаторов и комплексных добавок на радоновыделение цементного камня в поздние сроки твердения. Выявить влияние степени гидратации силикатов кальция и образования гидросульфоалюминатов кальция на эманирование цементного камня.
Произвести оценку эманирования компонентов цементных бетонов. Исследовать влияние заполнителей из плотных горных пород на параметры эманирования бетонов. На основе полученных результатов предложить составы бетона с пониженным 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 цементного камня.
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 показатель- эманирующая способность по радону (ЭСР), также называемый удельной эффективной активностью радия, как наиболее полно отражающий ра-диационно-экологические свойства 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 эмани-рующую способность практически в 1,5...2 раза.
Предложен расчет эманирующей способности строительных смесей по массовым вкладам их компонентов с учетом химически связанной цементом во-
ды и влияния химических добавок, позволяющий прогнозировать радоновыделе-ние цементных строительных смесей на стадии их проектирования.
Разработаны низкоэманирующие составы сухих смесей и бетонов, при
менение которых снижает радиационный фон в помещении и дозу облучения на
селения в помещениях на 43% без снижения их строительно-технических
свойств.
Выявлены основные направления улучшения радиационно-
экологических показателей цементных бетонов и растворов. Снижение эманиро-
вания в бетонах достигается путем рационального выбора цемента с понижен
ным расходом клинкерной составляющей, уменьшения расхода цемента, приме
нения промышленных добавок-пластификаторов, а также использования низко-
эманирующих заполнителей, например низкоосновной радиационно-чистой по
роды горнблендит.
Реализация результатов работы. На основе результатов диссертационных исследований разработан низкоэманирующий состав сухой строительной смеси, выпускаемой в производственных условиях ООО «РОСО-98». Основные результаты работы внедрены в учебные курсы «Методы исследования и контроля качества строительных материалов» и «Использование отходов промышленности в производстве строительных материалов» для специальности 290600 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».
Методология работы основана на базовых положениях строительного материаловедения, физико-химических превращениях при гидратации цемента, формировании структуры материалов и показателей естественной радиоактивности компонентов сложных строительных смесей. Проведение исследований осуществлялось с использованием современных теоретических и технических разработок известных в области технологии строительных материалов учёных Ю.М. Баженова, Ю.М. Бутта, А.В. Волженского, Ф.С. Ли, И.Н. Ахвердова, И.И. Курбатовой, В.Г. Батракова и исследований в области естественной радиоактивности И.Е. Старика, Э.М. Крисюка, В.В. Коваленко, РА Назироваидр.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на конференциях, в том числе: XXI региональной научно-технической конференции «Проблемы архитектуры и строительства» (Красноярск, 2003, 2004г.); Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы энергообеспечения» (Красноярск, 2003 г.); X региональной конференции «Социальные проблемы инженерной экологии, природопользования и ресурсосбережения» (Красноярск, 2004г.)
На защиту выносятся:
экспериментальные зависимости радоновыделения гидратирующегося цемента без добавок, а также с добавками-ускорителями твердения, пластифицирующими добавками и комплексными добавками;
зависимости экспериментальных и расчетных исследований влияния процессов гидратации и структурообразования на радоновыделение цемента;
схема механизма эксхаляции радона из гидратирующегося цемента без добавок и с добавками;
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.
