Содержание к диссертации
Введение
Анализ существующих решений изготовления бетона для «сухой» радационно-тепловой защиты реактора ВВЭР АЭС 12
1.1. Анализ существующих решений изготовления бетона для «сухой» защиты
1.2. Требования к бетону «сухой» защиты 19
1.3. Методики испытаний образцов бетона «сухой» защиты от радиоактивного излучения 26
1.4. Анализ состояния и вербальная постановка задачи на исследование 37
Выводы 43
Глава 2. Характеристика материалов и оборудования. методика исследований 44
2.1. Характеристика материалов для проведения исследований 44
2.2. Характеристика оборудования и методы проведения экспериментов 46
2.3. Планирование эксперимента и математическая обработка результатов измерений 49
Выводы 54
Глава 3. Экспериментальные исследования серпентинитового бетона с применением модифицирующих добавок 56
3.1. Экспериментальные исследования серпентинитового бетона 56
3.1.1. Исследование кинетики твердения бетона, содержащего воздушную известь и эфиры поликарбоксилатов 56
3.1.2. Исследование степени гидратации бетона в возрасте 3, 7 и 28 суток 60
3.1.3. Влияние воздушной извести и эфиров поликарбоксилатов на физико-механические свойства бетона 61
3.1.4. Исследование внутренних тепловыделений для уменьшения остаточной влажности бетона 66
3.1.5. Исследование микроструктуры бетона 68
3.1.6. Исследование влияния воздушной извести на ядерно- физические свойства бетона 69
3.2 Результаты экспериментальных исследований серпентинитового бетона 72
3.2.1. Результаты исследований кинетики твердения бетона, содержащего воздушную известь и эфиры поликарбоксилатов 72
3.2.2. Результаты исследований степени гидратации цементного камня бетона в возрасте 3, 7 и 28 суток 74
3.2.3. Результаты влияния воздушной извести и эфиров поликарбоксилатов на физико-механические свойства бетона.. 87
3.2.4. Результаты исследований внутренних тепловыделений для уменьшения остаточной влажности бетона 89
3.2.5. Исследование микроструктуры бетона 92
3.2.6. Результаты исследования влияния воздушной извести на ядерно-физические свойства бетона 94
3.3. Математическое планирование эксперимента 97
Выводы 101
Глава 4. Обсуждение результатов исследования и обоснование получения эффективного серпентинитового бетона с модифицирующими добавками 102
4.1. Изменение кинетики твердения бетона, содержащего воздушную известь и эфиры поликарбоксилатов 102
4.2. Влияние количества воды затворения и модифицирующих добавок на прочность бетона 110
4.3. Влияние концентрации извести на уменьшение времени затвердевания бетона 114
4.4. Влияние модифицирующих добавок на уменьшение влажности бетона
4.5. Влияние модифицирующих добавок на увеличение подвижности и сохраняемости подвижности бетона 120
4.6. Влияние воздушной извести и эфиров поликарбоксилатов на ядерно-физические свойства 123
4.7. Оценка влияния введения извести и поликарбоксилата в состав бетона на его радиационную и термическую стойкость 124
Выводы 133
Глава 5. Разработка оптимальных составов и технологии серпентинитового бетона. технико- экономическое обоснование и внедрение результатов исследований 134
5.1 Разработка технологического регламента производства серпентинитового бетона с использованием комплексных добавок и внедрение результатов исследований 134
5.2. Оценка экономической эффективности использования бетона с комплексными добавками 140
5.3 Рекомендации по подбору состава серпентинитового бетона «сухой» радиационно-тепловой защиты реактора ВВЭР 146
Выводы 155
Общие выводы 157
Заключение
- Методики испытаний образцов бетона «сухой» защиты от радиоактивного излучения
- Влияние воздушной извести и эфиров поликарбоксилатов на физико-механические свойства бетона
- Результаты исследования влияния воздушной извести на ядерно-физические свойства бетона
- Влияние концентрации извести на уменьшение времени затвердевания бетона
Методики испытаний образцов бетона «сухой» защиты от радиоактивного излучения
В настоящее время атомная энергетика является одним из основных видов получения энергии в России. Повышение безопасности действующих электростанций обеспечивается за счет совершенствования конструкции реакторов и создания новых, эффективных материалов, обеспечивающих защиту от различных видов ионизирующих излучений реакторов (наибольшей проникающей способностью обладают гамма-лучи и нейтроны). В обслуживаемых помещениях АЭС, расположенных вблизи реактора, уровень радиационной опасности определяется проникающим гамма-излучением и потоком нейтронов из активной зоны реактора и должен соответствовать допустимыми Нормами радиационной безопасности (НРБ). Для защиты от гамма-излучения активная зона реактора окружена бетонной стеной, материалы и толщина для которой подбирают специально, исходя из технологических требований по снижению интенсивности излучений.
Защитные материалы для атомных реакторов должны обладать следующими требованиями: механической прочностью, радиационной и термической стойкостью, химической инертностью, сохранять стабильные параметры в процессе эксплуатации [1].
Реакторы ВВЭР первого поколения в качестве радиационно-теплового экрана были снабжены конструкцией в виде кольцевого цилиндрического стального бака, заполненного водой [2]. Для обеспечения эффективного замедления нейтронного излучения использовался водород в составе воды. Технически эта конструкция была не удобна, так как существовала угроза течи воды, необходимость создания систем постоянного отвода водорода, периодическое обслуживание конструкции в условиях высокого радиационного фона, что и привело к замене водяного бака на конструкцию из специального бетона, не требующую обслуживания в течение всего периода эксплуатации АЭС. Данная конструкция получила название «сухой» защиты реактора. «Сухая» защита реакторного отделения состоит из толстостенного цилиндра, окружающего корпус реактора (его активную зону), где потоки нейтронов и гамма-излучений достигают максимальных значений.
Межоболочное пространство цилиндра заполнено бетоном специального состава, т.е. «сухая» защита представляет собой радиационно-тепловой экран. Кроме того, «сухая» защита способствует формированию потока тепловых нейтронов, необходимый для работы ионизационных камер системы управления и защиты реактора.
Для защиты от радиационного излучения различных источников используются специальные бетоны, обладающие способностью ослаблять потоки излучения. Наряду с обычными бетонами применяют особо тяжелые бетоны (плотность от 2500 до 7000 кг/м3), что позволяет уменьшить толщину защитных экранов, так как способность материала поглощать гамма-лучи пропорциональна его плотности. Ослаблять поток нейтронов в материале могут элементы с малой атомной плотностью, как, например, водород. Данными свойствами обладает бетон, так как он обладает высокой плотностью (средняя плотность составляет 2500...6000 кг/м3) и содержит достаточно большое количество водорода в химически связанной воде.
В настоящее время для изготовления бетона, используемого при радиационной защите реактора, применяются вяжущие как на минеральной, так и на органической основе. В качестве основного вяжущего чаще всего применяется бетон на основе портландцемента. Для специальных бетонов используются магнезиальные, глиноземистые цементы. Возможно также применение цемента специального назначения, при твердении которого образуется повышенное содержание гидросульфоалюмината, связывающего значительное количество воды. Для получения гидратных бетонов, связывающих большее количество воды, чем портландцемент, используют глиноземистый и гипсоглиноземистый цементы. [3]. Все представленные связующие обладают способностью максимально удерживать воду в цементном камне и бетоне.
В качестве заполнителей в специальных бетонах используют природные или искусственные заполнители: магнетитовые, гематитовые или лимонитовые железные руды, барит, металлический скрап, свинцовую дробь и др. При производстве гидратных бетонов применяют серпентинит, лимонит и другие материалы, обладающие высоким содержанием химически связанной воды и плотностью.
В качестве «сухой» защиты для эксплуатации реакторов также используются специальные бетоны, способные ослаблять поток гамма- и нейтронного излучения и длительно эксплуатироваться при температуре до 300С. Высокими защитными свойствами по отношению к нейтронам всех энергий обладает бетон, содержащий в своем составе не менее 7-8 массовых % воды, поэтому в качестве крупного и мелкого заполнителя бетона «сухой» защиты эффективно используется серпентинит, сохраняющий до 12-14 массовых % кристаллизационной воды при температурах до 400-450С [4, 5]. Однако он обладает и рядом недостатков: в России используется только Баженовское месторождение серпентинита, что увеличивает транспортные расходы и стоимость бетона; серпентинитовый бетон имеет низкую подвижность получаемой бетонной смеси, что может вызывать образование каверн и пустот в «сухой» защите при ее возведении, особенно в угловых зонах внутренних диафрагм металлического бака «сухой» защиты; в серпентините часто присутствует асбест, отличающийся высоким водопоглощением, что затрудняет получить бетонную смесь проектной плотности при приемлемой удобоукладываемости [6]; серпентинитовые бетоны отличаются повышенным газовыделением [7]. В настоящее время проводятся исследования по применению местных материалов в качестве заполнителей, например, речного и кварцевого песка.
Влияние воздушной извести и эфиров поликарбоксилатов на физико-механические свойства бетона
Специфика взаимодействия ионизирующего излучения с «сухой» защитой реактора накладывает определённые ограничения на синтез защитных материалов от радиационного излучения. Очевидно, что структура радиационно-защитного материала должна быть плотной, обеспечивающей эффективное поглощение гамма-излучения и нейтронов.
Для использования бетонов в качестве «сухой» защиты реакторов необходимо проанализировать большое количество уже существующих видов бетонов и оценить, удовлетворяют ли их свойства при нагреве и радиационных нагрузках достаточно специфическим требованиям, предъявляемым к материалам, применяемым в шахте реактора. Это должны быть требования по прочности, плотности, подвижности, деформативности, удобоукладываемости, температурным деформациям, количеству связанной воды, теплопроводности, отсутствию расслоения, стойкости в условиях радиационного воздействия. В зависимости от конструктивного решения шахты ядерного реактора ведутся исследования по разработке новых видов бетонов, которые могли бы удовлетворить указанным требованиям. Анализируя свойства бетонов, рассмотренных выше можно констатировать следующее.
Жаростойкие бетоны на высокоглиноземистом цементе с заполнителями из шлаковой пемзы и керамзита отвечают требованиям по прочности при рабочей температуре теплоносителя и аварийных ситуациях(13,53 -18,78 МПа), на портландцементе имеют максимальную прочность при сжатии при 450С - 35,3 МПа. Недостатком этих смесей является то, что они имеют высокую пористость и низкую удобоукладываемость. При твердении глиноземистого цемента выделяется большое количество тепла, что приводит к развитию внутренних напряжений в материале защиты и возникает опасность образования трещин в конструкции зашиты. Магнезиальные цементы вызывают сильную коррозию стальных конструкций. Для биологической защиты реакторов РБМК выпускался тяжёлый бариевый цемент, производимый из барита, поставляемого из Грузии. В настоящее время добыча и поставка барита потребителям прекращены. Замена бариевого цемента на портландцемент привела к потере плотности железосерпентинового бетона, что потребовало введение в такой бетон тяжёлого недефицитного, а, следовательно, и недорого наполнителя, которым, является магнетит [67].
Хорошо зарекомендовали себя в качестве наполнителей, отвечающих требованиям к бетону, следующие минералы: ашарит, гидроборацит, пандермит, колеманит, брусит, серпентин, каолинит, пирофиллит, пеннин, дунит, талькохлорит, талькомагнезит. Из перечисленных минералов на сегодняшний день наиболее оптимален по технико-экономическим показателям серпентин.
Серпентинитовый бетон – теплостойкий бетон на портландцементе, в качестве заполнителя используется серпентинит, обладающий способностью удерживать воду в химически связанном виде, которая сохраняется при температурах до 500 C без специального охлаждения и обеспечивает замедление нейтронов. Этот материал высокотемпературной биологической защиты описан во многих работах [68]. Для повышения защитных свойств серпентинового бетона в него вводят железо. Тяжёлый железосерпентиновый бетон обладает повышенными защитными свойствами и сохраняет работоспособность при высоких температурах [69].
Исходя из вышесказанного, недорогой, но эффективный бетон для биологической защиты реактора должен содержать в своём составе железо (для замедления быстрых нейтронов и поглощения -квантов), наполнитель с высокотемпературной структурной водой (для поглощения замедленных тепловых нейтронов), вяжущие и технологические добавки, обеспечивающие требуемое техническим заданием качество.
К недостаткам серпентинита, как заполнителя, следует отнести низкую подвижность получаемой бетонной смеси, которая может быть устранена введением пластификатора С-3 для улучшения удобоукладываемости бетонной смеси [70]. Подбор оптимального гранулометрического состава бетона и применение пластифицирующих добавок позволяет снизить количество воды затворения бетонной смеси при сохранении подвижности бетонной смеси. В настоящее время наиболее эффективными пластифицирующими добавками являются поликарбоксилаты. Важнейшей операцией при изготовлении сухой защиты является сушка серпентинитового бетона. Она необходима для того, чтобы обеспечить стабильность физико-химических свойств бетона и отсутствие выделения водорода во время эксплуатации. [72] Так как сухая защита является массивной конструкцией, то сушка бетона составляет основную продолжительность и трудоемкость работ. В связи с этим возникла необходимость поиска новых решений, позволяющих исключить технологическую операцию сушки бетона. Введение негашеной извести в качестве добавки приводит к связыванию до 30% воды в течение нескольких часов при равномерном увеличении температуры бетона, так как в результате гидратации негашеной извести выделяется значительное количество энергии, особенно в начальный период времени. Неизбежным следствием тепловыделений является повышение температуры бетона, что позволяет удалять остаточное содержание химически несвязанной воды без необходимости его сушки.
Как показывает анализ проведенных исследований, уровень развития материаловедения представляет достаточные возможности по синтезу различных видов бетонов в соответствии с требованиями к «сухой» защите атомных реакторов. Было выявлено, что в недостаточной степени были рассмотрены вопросы в части введения пластифицирующих добавок и негашеной извести для улучшения физико-механических свойств «сухой» защиты и исключения процесса термической сушки в процессе возведения «сухой» защиты реактора.
Соответственно, задача совершенствования технологии приготовления «сухой» защиты реактора на основе использования серпентинитового бетона с различными заполнителями и добавками не достаточно разработана и требует дальнейших исследований, так как обладает несомненной актуальностью.
Для решения поставленной задачи целесообразно в работе исследовать влияние воздушной извести и эфиров поликарбоксилатов на изменение физико-механических свойств бетона по показателям: плотность, прочность, влажность, подвижность, отсутствие расслоения для последующей разработки технологии производства сухого бетона с использованием обычного песка и технологии производства серпентинитового бетона с использование комплексных добавок с оценкой эффективности полученных видов бетона.
Результаты исследования влияния воздушной извести на ядерно-физические свойства бетона
Определение плотности бетонного раствора проводилась по [49] путем испытания образцов сразу же после отбора. Изготовление контрольных образцов должно производиться по ГОСТ 10180. Контрольный образец должен представлять собой куб с размерами 100х100х100мм. Для сравнения результатов испытаний необходимо отбирать не менее 3 параллельных проб для математической обработки результатов. При определении плотности бетона в сухом состоянии образцы должны быть высушены до постоянной массы в соответствии с требованиями ГОСТ 12730.2. Объем образцов правильной формы необходимо вычислять по их геометрическим размерам с погрешностью не более 1 мм по методике ГОСТ 10180. Масса образцов должна определяться взвешиванием с погрешностью не более 0,1 %.
Определение прочности бетона проводили по [39]. Для определения прочности бетона на сжатие должны быть изготовлены образцы-кубы с размерами граней 100х100х100 из чугуна или стали со шлифованной внутренней поверхностью и покрытых тонким слоем смазки. Укладку бетонной смеси в подготовленные формы и ее уплотнение необходимо заканчивать не позднее чем через 20 мин после приготовления и отбора пробы бетонной смеси и уплотнять вибрированием. Одновременно следует подготовить не менее трех параллельных проб, которые должны быть промаркированы, не повреждая изделия. Образцы, предназначенные для твердения в условиях, аналогичных условиям твердения бетона в монолитных конструкциях, должны твердеть в формах или в распалубленном виде. Перед испытанием образцы необходимо подвергнуть визуальному осмотру, устанавливая наличие дефектов в виде сколов ребер, раковин и инородных включений. Такие образцы исключаются из эксперимента.
Нагружение образцов требуется производить непрерывно со скоростью, обеспечивающей повышение расчетного напряжения в образце до его полного разрушения в пределах (0,6±0,4) МПа/с при испытаниях на сжатие и в пределах (0,05±0,02) МПа/с при испытаниях на растяжение. При этом время нагружения каждого образца может быть не менее 30 с. Максимальное усилие, достигнутое в процессе испытания, принимается за разрушающую нагрузку. Разрушенный образец необходимо подвергануть визуальному осмотру на предмет характера разрушения; наличия крупных раковин и каверн внутри образца; наличия комков глины и следов расслоения.
При испытании на сжатие образцы-кубы должны быть установлены одной из граней на нижнюю опорную плиту пресса. Верхняя плита пресса должна совмещаться с верхней опорной гранью образца для начала нагружение.
Испытание на растяжение при изгибе должно проводиться на подготовленных образцах-призмах размером 100х100х50, помещенных в испытательное устройство, в котором и проводится нагружение до разрушения.
Испытание на осевое растяжение следует проводить на образцах, закрепленных в разрывной машине с нагружение до разрушения образца бетона. Определение влажности бетонного раствора должно осуществляться в соответствии с [50] путем испытания образцов или проб, полученных дроблением образцов массой 1000г после их испытания на прочность. Взвешенные подготовленные пробы должны быть помещены в сушильный шкаф и высушены до постоянной массы при температуре (105±5) С. Взвешивание допускается производить с погрешностью до 0,01 г. Собранную влажность бетона необходимо определять по методике ГОСТ 12852.6.
Определение подвижности бетонного раствора должно проводится по [80]. Подвижность бетонного раствора требуется определять по погружению в него эталонного конуса и выражать результат в см. В сосуд, наполненный растворной смесью на 1 см ниже краев, должно погружаться острие конуса. Штанга конуса должна закрепляться стопорным винтом (начало отсчета). Затем винт должен осторожно отпускаться для плавного погружения конуса в бетон. Через 1 мин необходимо сделать второй отсчет по шкале. Глубину погружения конуса допускается измерять с погрешностью до 1 мм и далее определить разность между первым и вторым отсчетом. Глубину погружения конуса необходимо оценивать по результатам двух испытаний на разных пробах растворной смеси одного замеса и оценивать как среднее арифметическое значение.
Определение удобоукладываемости бетонной смеси требуется проводить по [38] и оценивать по показателям подвижности или жесткости. Подвижность бетонной смеси можно оценивать по осадке (ОК) или расплыву (РК) конуса, отформованного из бетонной смеси. Расплыв конуса характеризует удобоукладываемость бетонной смеси.
После заполнения конуса бетонным раствором, конус должен плавно сниматься. Осадку конуса бетонной смеси можно определять, укладывая гладкий стержень на верх формы и измеряя расстояние от нижней поверхности стержня до верха бетонной смеси с погрешностью не более 0,5 см.
Влияние концентрации извести на уменьшение времени затвердевания бетона
Одним из наиболее важных факторов, определяющих качество серпентинитового бетона, является его кинетика твердения со временем. В период эксплуатации бетона «сухой» защиты атомного реактора в условиях повышенных температур, возникающих вследствие конвекционных и радиационных нагрузок, происходит разогрев серпентинитового бетона с интенсивным образованием парогазовой смеси и водорода. С целью нормальной работы ионизационных камер и исключения накопления взрывоопасного водорода, из бетона должна быть удалена свободная и поровая вода. Для этого бетон «сухой» защиты подвергается термообработке для стабилизации свойств серпентинитового бетона. Так как термообработка является сложной и ответственной операцией и составляет основную часть работ по возведению защиты атомного реактора, сокращение времени термообработки или отказ от нее позволит сократить продолжительность и трудоемкость изготовления СЗ до 60%. С целью сокращения времени термообработки или отказа от нее предпринята попытка создания бетонной смеси, содержащей негашеную известь.
При определенных условиях возможно гидратное твердение негашеной извести, т. е. твердение при взаимодействии с водой с образованием гидроксида кальция, которое подобно твердению портландцемента при реакции с водой с образованием гидратных соединений. Данное свойство негашеной извести было использовано при обосновании возможности замены определенной части портландцемента негашеной известью при создании рецептуры бетона сухой защиты атомного реактора.
В представленном научном исследовании использовалась тонкоизмельченная негашеная известь, обладающая рядом преимуществ по сравнению с гидратной известью при изготовлении бетонов: - при гидратации негашеной извести выделяется значительное количество тепла, что приводит к повышению температуры бетонной смеси; - удельная поверхность негашеной извести меньше удельной поверхности гидратной извести, поэтому требуется меньшее количество воды для получения требуемой удобоукладываемость бетонной смеси; - снижение водопотребности бетонных смесей с негашеной известью приводит к увеличению прочности раствора при твердении; - негашеная известь, гидратируясь, связывает большое количество воды, переходящей в твердую фазу.
В процессе лабораторных исследований по подбору оптимальных составов и технологии изготовления серпентинитового бетона были разработаны 2 состава серпентинитового бетона с модифицирующими добавками. В качестве добавок использовались негашеная известь и поликарбоксилат.
Для получения удовлетворительных результатов при гидратном твердении бетона с негашеной известью соблюдались следующие условия: использовалась известь тонкого помола; допустимый предел абсолютной погрешности определения тепловыделения не превышал 30 кДж/кг, а мощность – 1х10-3 Квт/кг; для исключения потери тепла образцы бетона помещались в формы, изготовленные из утеплителя; для создания равных условий В/Ц (водоцементное отношение) принималось равным 0,58.
В работе исследовалась зависимость суммарного тепловыделения от концентрации извести в серпентинитовом бетоне на образцах, содержащих 5%, 10%, 20%, 30%. На рисунке 4.1 представлен график зависимости
Установлено, что суммарное тепловыделение увеличивается прямо пропорционально от количества введенной добавки извести. Кроме того, с течением времени твердения бетонной смеси количество суммарного тепловыделения также возрастает, что свидетельствует о повышении температуры бетонной смеси в результате саморазогрева.
Исходя из полученных графиков суммарного тепловыделения и графиков теплового потока для анализируемых образцов (Рис.3.3) было определено количество выделившегося тепла образцов в 1 и 3 сутки, Дж/г, составившего значение, представленные в таблице 3.5.
По результатам проведенных экспериментальных исследований было установлено, что при введении воздушной извести значительно увеличивается суммарное тепловыделение в цементном тесте в результате взаимодействия воздушной извести с водой, причем воздушная известь начинает взаимодействовать с водой в первые 10 минут.
Установлено также, что суммарное тепловыделение зависит от количества добавленной негашеной извести, и увеличивается как от концентрации извести, так и от времени экспозиции. Тепловой поток при этом достигает 3,5 МВт/г при контрольном образце – 2.1 МВт/г. При этом температура образцов, содержащих 20 и 30 % извести в первые 12 часов поднималась до 41 и 470С соответственно. По истечении трех суток температура исследуемых образцов уменьшалась за счет теплопотерь и составляла 240С.
Из графика теплового потока (рис. 3.3) видно, что фаза быстрых реакций цемента практически совпадает с фазами быстрых реакций образцов цемента с известью, однако достижение пика теплового потока образцов с известью выше, чем у контрольного образца. Это свидетельствует о начале взаимодействия воздушной извести с водой. Таким образом, начало взаимодействия воздушной извести с водой происходит через 6-10 минут после затворения смеси водой. Данное обстоятельство может являться причиной быстрой потери подвижности бетонной смеси и потерь тепловой энергии для саморазогрева бетона. В этой связи воздушная известь должна вводиться в бетонную смесь непосредственно перед укладкой.
Следовательно, при исследовании на малых конструкциях введение извести в раствор бетона приводит к саморазогреву бетонной смеси в первые сутки и восстановлению температуры до 250С через трое суток. В случае же бетонирования больших конструкций сохранится тенденция в увеличении температуры бетона за счет уменьшения теплопотерь. При этом часть воды связывается с известью и цементом, а часть удаляется в результате испарения при действии высокой температуры.
Задача исследования сводилась к определению количества испаряемой воды из бетона сухой защиты и остаточного содержания свободной воды в бетоне. В таблице 3.12 представлены результаты теоретического расчета количества испаренной воды из раствора бетона. На рисунке 4.3 графически представлены зависимости количества испаренной воды от содержания негашеной извести.
