Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние материалов и конструкций зданий, создаваемых и эксплуатируемых в особых условиях
1.1. Материалы и конструкции зданий, возводимых в сейсмических районах 16
1.2. Особенности материалов и конструктивных решений зданий, возводимых в районах с вечномерзлыми грунтами 20
1.3. Материалы и конструкции, эксплуатируемые в условиях систематического воздействия высоких температур 21
1.4. Материалы и конструкции высотных зданий (небоскребов) 23
1.5. Материалы для строительства подземных сооружений, канализационных и водяных коммуникаций 25
1.6. Источники излучений в промышленности и строительной индустрии 28
1.6.1. Оценка защитных свойств материалов от источников излучений . 32
1.6.2. Естественная радиоактивность, влияющая на радиационный фон помещений 40
1.6.3. Концентрация ЕРН в строительных материалах 53
Выводы и заключение по главе 1 57
Глава 2. Материалы, методы, приборы измерений, исследований установки с ускорителями электронов 58
2.1. Применяемые материалы в исследованиях 59
2.2. Методы исследования и аппаратура 63
2.2.1. Математические методы планирования экспериментов 68
2.2.2. Методы контроля радиоактивности рекомендуемые для строительной отрасли 73
2.3. Дозиметрические и радиометрические приборы для измерения дозовых нагрузок 89
2.3.1. Приборы для измерения гамма-излучения 89
2.3.2. Приборы и оборудование для мониторинга радона в стройиндустрии 92
2.4. Установки с ускорителями электронов для производства труб 95
Выводы и заключение по главе 2 100
Глава 3. Технология и структурообразование композитов для использования в особых условиях 101
3.1. Совершенствование составов и технологий бетона на алюмохромфосфатой связке 101
3.2. Физико-химические процессы, протекающие при твердении и нагревании композиции на основе алюмохромфосфатного связующего 103
3.3. Использование отходов абразивного производства при разработке композитов фосфатного бетона 109
3.4. Физико-механические свойства фосфатного бетона на основе отходов абразивного производства 116
3.5. Трещиностойкость и долговечность фосфатного бетона 123
3.6. Технология производства специального бетона и труб 124
3.6.1. Технология производства фосфатного жаростойкого бетона 124
3.6.2. Технология и установки в производстве радиационного модифицирования бетонов 126
3.6.3. Технология производства полиэтиленовых и стеклопластиковых труб для горячего и холодного водоснабжения 139
Выводы и заключения по главе 3 144
Глава 4. Радиационная безопасность при производстве радиационно-модифицированных материалов и фоновой активности в помещениях .. 145
4.1. Критерии радиационной безопасности 145
4.2. Обеспечение снижения мощности дозы в зданиях 149
4.3. Радиационная безопасность от мощных источников излучения 167
Выводы и заключение по главе 4 169
Глава 5. Экономические аспекты снижения мощности дозы в помещениях и производстве радиационно-модифицированных материалов для использования в особых условиях 170
5.1. Экономические показатели снижения фоновой активности в помещениях 170
5.2. Экономическая оценка использования источников излучения в производстве модифицированных материалов 173
Выводы и заключение по главе 5 178
Основные выводы и заключение по работе 179
Список использованной литературы 181
- Материалы и конструкции зданий, возводимых в сейсмических районах
- Применяемые материалы в исследованиях
- Физико-химические процессы, протекающие при твердении и нагревании композиции на основе алюмохромфосфатного связующего
- Критерии радиационной безопасности
Введение к работе
Подводя итоги развития прикладных направлений исследований на протяжении XX в. в стране, где впервые - «получена энергия из атома», что явилось чрезвычайным событием в истории естествознания, следует констатировать невозможность решения задач вывода промышленности России из кризиса в XXI в. без привлечения достижений науки. Изучение химических, биологических и других явлений, происходящих под действием интенсивных потоков излучений, способствовало возникновению самостоятельных областей науки — радиационной химии, радиационного материаловедения, радиационной металлургии, медицинской, сельхозрадиологии и др. Реализация радиационных процессов в промышленном масштабе в последние десятилетия показала не только неоспоримые перспективы использования ядерной энергии на практике, но и огромные коммерческие преимущества применения высоких технологий на базе источников излучений для развития различных отраслей хозяйства страны.
Значительные достижения науки по отдельными направлениям производства рассмотрены в монографиях и специальной литературе [1-30]. Практическая значимость таких процессов неоднократно подчеркивалась на международных, всероссийских конференциях и симпозиумах[31-47]. Техническая возможность и экономическая эффективность промышленной реализации промышленных процессов определяются в основном наличием достаточно мощных источников излучений с необходимыми для проведения процессов физическими параметрами. Следует отметить, что транспортирование мощных радиоизотопных источников излучений, создание соответствующих установок и манипулирование этими источниками в настоящее время уже относятся к области инженерной практики. При разработке этих этапов в значительной мере будет использоваться опыт предшествующей работы на гамма установках и установках с ускорителями электронов. Крупными разработками высоких технологий в промышленности с использованием источников излучений в России является НИФХИ им. Л.Я. Карлова и Обнинский филиал НИФХИ им. Л.Я. Карлова, ВНИИРТ, ВНИИКП, МИФИ, НИИЭФА им. Д.В. Ефремова, ИЯФ СО РАН, НИИЯФ ТПИ, НИИЭИ ТПИ, МРТИ, ЦИИЧЕРМЕНТ, МИРЭА, ИСЭ СО РАН, ИМР, ИБХ им. A.M. Баха, ИБФ РАН \ Другим чрезвычайно важным аспектом в работе посвящены исследования радиационной безопасности производства, радиационной активности материалов и используемого сырья. В 20-х годах прошлого века Р. Егер и Г. Бенкен в Берлинском физико-техническом институте начали разработку основ стандартной дозиметрии, заложенных Н. Хольхузеном, впервые воспроизвели «рентген» и начали исследование проблем защиты от излучений[48]. До начала второй мировой войны физические, биологические, медицинские и биофизические институты некоторых стран провели ряд совместных исследований[49-52]. Однако исследования в области радиационной физики, связанной с радиологией, биологией и стройиндустрией, были все же ограничены и зачастую не воспринимались достаточно серьезно. Такой взгляд, препятствующий развитию радиологии, начал меняться с начала 50-х годов, когда в г. Обнинске (1954г.) была запущена первая атомная станция и затем начали активно развиваться новые науки - радиационная биология, радиационная медицина, сельхозрадиология, радиационная химия, радиационная металлургия и др.[53]. В 60-х годах была развита идеология ученых, поддержанная правительствами СССР, Китая и других стран, о разработке ископаемых с помощью ядерных взрывов. Определенным препятствием в то время, сдерживающим или затрудняющим использование подземных ядерных взрывов в мирных целях, являлось возможное радиоактивное загрязнение окружающей среды или полезных ископаемых, добычу которых предполагалось интенсифицировать взрывом. Изучение экспериментальных данных показало [53],
Здесь и далее по тексту сокращения названий научных учреждений РФ соответствуют началу 90-х готов, многие из них в последствии изменились. что «современный уровень техники» ( в то время) при соблюдении определенных условий позволял осуществлять подземные ядерные взрывы полностью в рамках национальных и международных норм безопасности. Эта и другие научные гипотезы дали толчок в разработке направлений комплексной организации радиационной безопасности (РБ). Было издано большое число книг и монографий по радиационной защите и методам дозиметрического контроля [54-61]. Приведены данные об излучениях радионуклидных источников, смесей продуктов деления, изложены методы расчета защиты, от у-,нейтронного, а- и В-излучений, рассмотрено влияние неоднородностей в защите на прохождение излучении, изучены возможности использования в радиационных защитах отходов промышленности [62-65].
Новая волна активной работы радиологов мира, инициированная аварией на Чернобыльской АЭС, началась в 1986г. Во-первых, появившаяся повышенная радиационная опасность в 30-километровой зоне аварии АЭС привела правительство и соответствующие санитарные службы СССР к пересмотру существовавших тогда норм ограничений организации РБ населения, специалистов, работающих с источниками ионизирующих излучений [66]. Во-вторых, интенсифицировались работы, связанные с контролем разработки полезных ископаемых [67]. В-третьих, в окрестностях Чернобыльской АЭС зарегистрировано вторичное загрязнение приземной атмосферы, что привело к ветровым выносам токсичной пыли с загрязненной территории в окружающие (даже отдаленные) районы Украины, Белоруссии, России. Таким образом, значительно сместились границы радиоактивной загрязненной зоны [68,69]. Последнее привело к радиоактивному загрязнению поверхности «чистых» земель, в том числе разрабатываемых карьеров сырья, которое после технологических переделов оказывается в строительных материалах и, как следствие, в помещениях, ухудшению безопасности жизнедеятельности людей. Поэтому в последнее десятилетие все больший интерес, как у строителей, так и у населения стало вызывать такое физическое свойство строительных материалов, как «радиоактивность». Это связано с тем, что в «атомную эру» проблема снижения доз облучения населения приобрела глобальный характер. Одновременно в этот период миллионы тонн строительного сырья, содержащие естественные радионуклиды (ЕРН), извлекаются из недр и поступают в промышленное производство, где изменяется структура этих доз облучения [70].
Значительное место в настоящее время, а промышленности и ядерной технологии занимает защита населения от мощных источников излучений, которые используются в ядерных реакторах, мощных гамма установках при производстве радиационно-модифицированных строительных материалов (бетоно-полимерных, гипсо-полимерных, древесно полимерных и др.) в строительной индустрии.
Как установлено в мировой практике, вклад в суммарную дозу облучения населения вносят источники ЕРН.
Поскольку население развитых стран большую часть времени проводит внутри помещений, на дозу от природных источников ионизирующего излучения существенно влияют ЕРН, содержащиеся в материалах, а также из-за особенности конструкций зданий. Содержание ЕРН изменяется в широких пределах, поэтому индивидуальные дозы облучения в различного типа зданиях изменяются от значений в 2 раза ниже среднего до значений в 100 раз и более превышающие среднее[69]. В связи с этим в развитых странах мира проводятся широкомасштабные исследования характера и уровня воздействия природных источников ионизирующего излучения на население[71-75]. Появилась необходимость осмысливания проблемы облучения людей природными источниками излучения в целом. Необходимо было решить задачи о дозах, которые целесообразно было бы уменьшить ценой разумных затрат. Для ограничения облучения населения природными источниками проведена разработка специальных подходов и принципов, закономерности формирования дозы излучения и их причин, а также способы снижения этих доз. В 1974г. комиссия по атомной энергии Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) рекомендовала проведение таких исследований во всех странах сообщества и приняла программу сопоставления методов исследований [76]. В 1976г. в СССР Минздрав утвердил «Программу санитарно-гигиенических обследований радиоактивности внешней среды за счет источников естественного происхождения с оценкой доз внешнего и внутреннего облучения населения». Результаты исследований доложены на международных совещаниях и конференциях [77-80]. Далее, в 1994г.
Правительство РФ издало постановление о федеральной целевой программе «Радон» [81].Программа, период которой был продлен до 1999г., основана на анализе состояния здоровья населения, факторах накопления ЕРН на местности, создающих дополнительную радиационную опасность для людей [82,83].
Коллективная доза для населения РФ от природных источников составляет около 50 млн. чел.бэр/год, что в 300 раз больше дозы, получаемой вследствие аварии на Чернобыльской АЭС. Ожидаемые медицинские последствия облучения населения (прирост онкологических заболеваний и генетических эффектов) пропорциональны величине коллективной дозы [84].
Природные источники радиации воздействуют на людей как в коммунальной, так ив производственной сфере. Наибольшую долю в облучение населения вносят радон и продукты его распада, находящиеся в воздухе помещений. По предварительной оценке, около 1% населения РФ (1,5 млн. человек) получает от радона эффективную эквивалентную дозу более 6-12 Бк/м3в/год. По данным МКРЗ и Научного комитета ООН по действию атомной радиации (НКДАР ООН), около 20% всех заболеваний раком легкого обусловлено радоном и влиянием его дочерних продуктов распада (ДПР) [83,84].
Проведенные к настоящему времени в небольшом объеме исследования свидетельствуют о наличии в РФ ряда районов, опасных по природным источникам ионизирующего излучения (г. Красноармейск, г. Белокуриха, г.Пятигорск, г. Выборг и др.) [84].Содержание радона и продуктов его распада в жилых и общественных зданиях этих районов в десятки и сотни раз превышает действующие гигиенические нормативы [66]. Поэтому основной целью программы «Радон», выполняемой специалистами, является предотвращение техногенного загрязнения окружающей среды природными радионуклидами и минимизация их вредного воздействия на здоровье населения на территории РФ. Реализация научно-технической программы «Радон» способствовала решению одной из наиболее важных проблем обеспечения радиационной безопасности населения, практических задач горнодобывающих, перерабатывающих минеральное сырье и топливно-энергетических отраслей хозяйства и строительной индустрии в части, касающейся радиационной защиты населения и предотвращения техногенного загрязнения окружающей среды природными радионуклидами.
Важность этой работы и ее правовые основы были определены в 1996г. федеральным законом «О радиационной безопасности населения» [85].
Проблема радиоактивности строительных материалов рассматривается с двух взаимосвязанных точек зрения: радиационно-гигиенической и технологической.- Первая регламентирует допустимые радиационные параметры на строительные материалы и систему контроля, вторая должна обеспечить выработку и принятия суммы технических и технологических решений, при которых эти параметры будут выдержаны, а дозы облучения окажутся настолько низкими, насколько это достижимо с учетом приемлемых технико-экономических показателей.
Объектами контроля должны быть как сырье строительных материалов, так и завершенные строительные конструкции и здания. Рассматривая это объективное суждение, следует подчеркнуть, что радиационный контроль сырья и строительных материалов может обеспечить принятие альтернативных решений на стадии проектирования сооружений. В противном случае радиационный контроль только внутри готовых зданий может привести к крупным экономическим затратам. Поэтому задача создания радиационного дозиметрического контроля строительных материалов может решаться наиболее естественно, если рассматривать радиоактивность строительных материалов как подлежащее контролю физическое свойство (как прочность, истираемость и т. п.). Тогда к проверяемым определенным физико-механическим или химическим показателям качества строительных материалов добавляется еще один.
Трудность заключается в том, что специалисты стройиндустрии (проектировщики, технологии, строители) чрезвычайно мало информированы об этой физической характеристике строительных материалов, о концентрации радиоактивности в строительном сырье и методах ее контроля, наконец, о действующих в России и за рубежом нормативных документах.
К вышеизложенному добавляется значительный фактор, имеющий место в каждом регионе страны, - использование отходов промышленности в производстве строительных материалов и организация мест захоронения отходов со значительными активностями. В эти специально отведенные места захоронения нередко попадают отработанные 60Со, ] 7Cs и др. источники, бывшие в употреблении в медицине, приборах и аппаратах контроля технологическими процессами и др.. Поэтому задача в последнее время значительно расширяется - разработать материалы и методы защиты от мощных источников и фоновой радиационной опасности населения с учетом региональных факторов решений и деятельности аппарата губернаторов и областных санитарных служб.
Актуальность. Развитие высоких технологий с использованием источников излучения в стране приводит к разработке и внедрению новых эффективных строительных материалов для использования в особых условиях при возведении высотных зданий, строительства в районах сейсмических воздействий, землетрясений, вечной мерзлоты, подземных сооружений, канализационных, водяных коммуникаций и др. К таким материалом относятся радиационно-сшитые стеклопластиковые трубы, обладающие высокими физико-химическими характеристиками и долговечностью.
Не менее важными материалами и изделиями в строительстве в особых условиях является бетоно-полимерные материалы, производимые на гамма-установках с низкими эффективными удельными активностями для возведения зданий и снижения фоновой радиации в помещении.
Природные источники ионизирующих излучений вносят основной вклад в дозу облучения. Эффективная средняя эквивалентная доза, обусловленная природными источниками, составляет около 2/3 дозы от всех источников ионизирующего излучения, воздействующих в настоящее время на человека. Поскольку население развитых стран мира большую часть времени проводит внутри помещения, на дозу от природных источников ЕРН оказывают влияния активность строительных материалов, формирующие индивидуальные дозы в зданиях, построенных из различных материалов. Поэтому исследования радиационных характеристик строительных материалов помещений, разработка методов, средств и рекомендаций по их снижению являются актуальной задачей. Это связано с отсутствием теоретической базы снижения мощности дозы в помещениях с учетом эффективной удельной активности отделочных материалов. Цель работы: Разработка специальных материалов для строительства и эксплуатации в особых условиях и защиты населения от повышенной фоновой радиации. Задача исследования:
1. Разработка стеклопластиковых труб методом радиационного сшивания и строительных изделий методом радиационного модифицирования.
2. Выявление прочностных закономерностей стеклопластиковых труб при производстве и влиянии агрессивных воздействий при эксплуатации. 3. Разработка теоретических положений и эффективных средств снижения доз облучения населения в помещении. Научная новизна
Разработана технология радиационного сшивания многослойных стеклопластиковых труб. Установлены закономерности прочности стеклопластиковых труб и влияния агрессивных воздействий при их эксплуатации. Установлена закономерность изменения эффективной удельной активности и коэффициента эманирования от технологических ( радиационных) воздействий: Всем радиационно-производимым материалом свойственно значительное.
Разработана методика определения защитных средств для снижения гамма-фона во вновь строящихся и эксплуатируемых зданиях за счет применения отделочных материалов с низкими ( не менее, чем в 3 раза) эффективными удельными активностями по сравнению со значениями строительных материалов помещения. Выявлены эффективные защитные отделочные материалы с низкой эффективной удельной активностью (менее 20 Бк/кг) для снижения гамма-фона в помещениях, полученные на основе радиационной технологии. Практическое значение
Проверены физико-химические характеристики бетоно-полимерных плит и стержневых бетоно-полимерных стыков стен многоэтажных зданий для использования в особых условиях.
Разработаны в опытным производстве созданные многослойные стеклопластиковые трубы для использования при широком диапазоне давления и агрессивных воздействий.
Разработан метод расчета защитных средств для снижения гамма-фона жилищ с учетом их плотности, эффективной удельной активности и кратности ослабления, позволяющий использовать широкий ассортимент теплоизоляционных и отделочных материалов.
Получены усреднные годовые эквивалентные дозы облучения населения, частотное распределение и диапазоны эффективных удельных активностей в строительном сырье и материалах, влияющих на облучение населения: в Пензенской области население подвергаются большему облучению от строительных материалов с эффективной удельной активностью до 200Бк/кг, в Волгоградской - до 100 Бк/кг.
Разработан методический материал для использования в стройиндустрии с целью ограничения облучения населения в регионах. Внедрение результатов исследований
Испытаны предлагаемые новые бетоно - полимерные материалы и стеклопластиковые трубы для использования в строительстве и эксплуатации в особых условиях.
Результаты выполненных исследований по эффективной удельной активности внедрены и используются предприятиями стройиндустрии при разработке минерального сырья в карьерах, производстве строительных материалов, отводе участков территорий, строительстве зданий и сооружений.
Теоретические положения диссертационной работы, а также результаты экспериментальных исследований изложены в изданном учебном пособии и используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 290100, 290300, 290500, 290600, 290700, 290800, 291000, что отражено в образовательных стандартах и программах дисциплин: «Архитектура», «Производство строительных материалов, изделий и конструкций», «Промышленное и гражданское строительство», «Городское строительство и хозяйство», «Теплоснабжение и вентиляция», «Водоснабжение и водоотведение», «Строительство автомобильных дорог», а также при разработке дипломных и научно-исследовательских работ. Апробация работ
Основные положения диссертационной работы и результаты докладывались на международных, региональных и университетских научных конференциях, симпозиумах и конгрессах: «Эффективные строительные конструкции: теория и практика, 2003, 2004г.г. (г. Пенза); «Градостроительство, реконструкция городов Поволжья; 2004г. (г. Тольятти); «Современные проблем строительного материаловедения», Академические чтения РААСН 2005г. (Н. Новгород); социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса и жилищно-коммунального хозяйства региона». 2006г. (г. Михайловка, филиал ВолгГАСУ). Значительный объем исследований автора опубликован в учебном пособии для технических ВУЗов России «Высокие технологии с использованием источников излучений в промышленности». М.: Энергоатомиздат, 2006 г. Публикации
Материалы диссертации опубликованы в 11 работах, в том числе: учебное пособие, две статьи в Вестнике Волжского регионального отделения РААСН. Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 186 страницах машинописного текста, включающего 23 таблицы, 32 рисунка, список литературы из 199 наименований, приложения. На защиту выносятся:
-физико-химические характеристики бетоно-полимерных плит и стержневых бетоно-полимерных стыков стен многоэтажных зданий; - технология радиационного сшивания многослойных стеклопластиковых труб; -метод расчета защитных средств для снижения гамма-фона в помещениях с учетом плотности, эффективной удельной активности материалов и кратности ослабления; -защитные материалы с низкой эффективной удельной активностью для снижения доз облучения населения в помещениях, создаваемых долгоживущими радионуклидами 226Ra, 223Th, 40К; -результаты внедрения. Автор выражает глубокую благодарность: профессору, академику Украины, академику РЭА РФ Ю.Д. Козлову за творческое руководство и сотрудничество в разработке радиационно-модифицированных материалов, совместную подготовку и издание первого учебного пособия для студентов университетов % страны «Высокие технологии с использованием источников ионизирующих излучений в промышленности», профессору Т.Н. Бараковой - за активное руководство и участие в исследованиях по трубобетонным узлам в монолитном строительстве.
Материалы и конструкции зданий, возводимых в сейсмических районах
В СЕЙСМИЧЕСКИХ РАЙОНАХ Сейсмическими называют географические районы, подверженные землетрясениям. Землетрясения вызываются явлениями вулканического характера, радиоактивного распада и разрыва глубинных слоев земли, сопровождающимися колебаниями земной коры. Для преобладающего большинства зданий, расположенных и сейсмических районах, наиболее опасны горизонтальные колебания поверхностных слоев почвы. При эпицентре землетрясения вблизи района застройки опасными становятся и вертикальные сейсмические воздействия.
Общая компоновка сейсмостойкого здания заключается в таком расположении несущих вертикальных конструкций (рам, вертикальных опор и фундаментов, связевых диафрагм и других конструктивных элементов), при котором удовлетворяются требования симметричности и равномерности распределения масс и жесткостей. При этом следует иметь в виду, что конструктивные меры, повышающие пространственную жесткость здания в целом, вместе с тем повышают и его сейсмостойкость. Для этих целей следует применять поперечные и продольные связевые диафрагмы из высокопрочных материалов, связанные перекрытиями.
Сборные железобетонные конструкции успешно применяют в сейсмических районах. Об этом свидетельствует опыт строительства зданий, впоследствии подвергавшихся сейсмическим воздействиям. Необходимо замоноличивать стыки и соединения сборных конструкций, чтобы они были способны воспринимать сейсмические силы.
Оптимальная конструктивная схема сейсмостойкого многоэтажного каркасного здания, обладающая лучшими технико-экономическими показателями, может быть скомпонована при восприятии сейсмического воздействия по рамно-связевой системе с регулярно расположенными вертикальными связевыми диафрагмами. Как показали исследования [89], несмотря и на общее увеличение сейсмической нагрузки на рамно-связевое каркасное здание, вызванное применением вертикальных связевых диафрагм и увеличением боковой жесткости здания, часть этой нагрузки, воспринимаемая рамами, все же меньше сейсмической нагрузки, формирующейся в более гибкой рамной системе.
При сейсмическом воздействии узлы железобетонных рам находятся в сложном напряженном состоянии, и их проектированию должно уделяться особое внимание. Исследования показали, что рамный узел необходимо армировать дополнительными хомутами и стержнями с1=8...10мм с шагом 70—100 мм, а также усиленной поперечной арматурой (на примыкающих участках ригелей и колонн) с шагом вдвое меньшим, чем требуется по расчету, но не более 100 мм (см.рис.1.1) [90-94] или изготавливать из радиационно-модифицированного бетона (РМБ).Развитие пластических деформаций в растянутой арматуре узла при сейсмическом воздействии повышает сейсмостойкость каркасного здания. Предпочтительнее конструкция стыков сборных ригелей с колоннами без закладных деталей, на сварке выпусков арматуры с замоноличиванием (см. рис. 1.2).
В пределах узла колонну армируют дополнительными хомутами и стержнями, как описано выше. Стеновые панели здания жестко связывают с каркасом и перекрытиями. Стеновое заполнение из штучных камней или блоков связывают с каркасом арматурой из стержней d=6 мм, располагаемых в горизонтальных швах кладки через 50 см. Эту арматуру прикрепляют к выпускам арматуры из колонн и заводят в кладку не менее чем на 70 см в каждую сторону.
При расчете с учетом сейсмических воздействий в значения расчетных нагрузок вводят коэффициенты сочетаний: для постоянных нагрузок 0,9 для длительно действующих нагрузок 0,8 для кратковременных и снеговых нагрузок. . . 0,5. Сейсмические силы обычно считаются приложенными в уровне перекрытий. В этих уровнях считаются сосредоточенными нагрузки от этажей здания. Сейсмическая сила по j-му тону свободных горизонтальных колебаний для каждого яруса здания рассчитываются по известным формулам [89].
Для высоких зданий (более 16 этажей) расчетную сейсмическую нагрузку определяют с учетом ускорении в основании, инструментально записанных при землетрясении, или по акселерограммам.
Усиление конструкций, выполняемое па основе расчетов материалов и зданий, возводимых в сейсмически активных районах, считается пассивной сейсмозащитой. Активная сейсмозащита заключается в специальных конструктивных мерах, исключающих опасные колебания зданий и снижающих реакции конструкций на сейсмическое воздействие. К ним относятся различного рода гасители колебаний, включающиеся связи, устраиваемые в конструкциях оснований и фундаментов и др.
Применяемые материалы в исследованиях
Анализ литературных источников (см. главу 1) показал сравнительно редкое применение карбидокремниевых бетонов и полимерных композиций (ПК) для защиты от радиации. Между тем, накоплен большой отечественный и зарубежный опыт по исследованию эксплуатационных свойств ПК в различных сферах деятельности людей [31-42,98-102].
Предварительная оценка пригодности техногенных отходов должна осуществляться с учетом следующего: - сырье должно быть доступным и транспортабельным; - кроме удовлетворительного химического состава и минерального содержания вредных примесей, сырье должно обладать высокой химико минералогической однородностью, что обеспечит стабильность технологического процесса и свойств готового продукта.
Широкое вовлечение техногенных отходов в производство строительных материалов и изделий расширяет сырьевую базу этой отрасли и существенно повышает эффективность капиталовложений.
Одним из направлений применения промышленных отходов является их использование в качестве заполнителей, вяжущих и добавок для изготовления бетонов . Добавка молотого гранулированного шлака в количестве 30-80% от массы цементошлакового вяжущего увеличивает прочность при нагревании до 600 С [157-161].
Бетоны на шлакопортландцементе и портландцементе с молотой добавкой гранулированного шлака широко применяются при температурах нагрева до 700 С [158].
Фосфатными композициями являются ортофосфаты алюминия , хрома , магния , циркония , титана и кремния , а также целый ряд сложных ортофосфатов [158].
Благодаря высокой температуре плавления фосфатов алюминия , алюмофосфатное вяжущее занимает особое место в технологии жаростойких материалов и бетонов [158-161] . В жаростойких бетонах фосфаты алюминия используются в виде жидких связок или в виде смеси ортофосфорной кислоты и материалов , содержащих оксид алюминия .
Однако , обладая высокой огнеупорностью , алюмофосфатные связующие имеют ряд недостатков : высокою температуру затвердевания , быстро стареют. Проведенные исследования по модификации алюмофосфатных растворов оксидом хрома , дали возможность получить устойчивые при хранении жидкости меньшей кислотности , лучших атгезионных свойств и меньшей температурой твердения . Алюмофосфатные вяжущие получают при реакции фосфата алюминия с 50 - 60% фосфата хрома или при нейтрализации оргофосфорной кислотой хрома и алюминия - Сг+3 и А13+ [161].
В нашей стране большое количество легких и тяжелых жаростойких бетонов с температурой применения 1100-1800 С разработано на основе алюмохромофосфатных связующих - АХФС [160].
АХФС при нагревании в интервале 100-340 С теряет кристаллизационную воду. Высушенная при нормальной температуре АХФС представляет собой стекловидную массу . При нагреве до 400 С начинает происходить кристаллизация алюмофосфатов , при 500-800 С образуются кристаллы пирофосфата алюминия , а при 800 С появляется ортофосфат алюминия (берлинит) и кристаллы метафосфата алюминия . После 900 С выделяются кристаллы гексагидрата алюминия , гексагидрата ортофосфата хрома ,
переходящего после 1000 С в а-СгР04 . Выше 1300 С фосфаты хрома и алюминия диссоциируют с выделением P2Oj [162] и образованием сначала вторичного расплава (метафосфатов), а затем - при 1600 С и выше оксиды а-А1203 и Сг203 . При 1700-1750 С оксиды алюминия хрома частично
взаимодействуют друг с другом, образуя твердые растворы [157]. Для приготовления огнеупорных материалов в качестве связующих можно использовать также двойные ортофосфаты : Al-Mg , Al-Si , Ali или другие сложные фосфаты , которые получаются при взаимодействии ортофосфатной кислоты с соответствующими оксидами и тонко молотыми материалами : шамотом , высокоглиноземистым асбестом , хромитом , дуанитом , отходами абразивного производства и других производств. [Гак как АФС и АХФС имеют высокие физико-механические характеристики , высокие жаростойкие свойства с широким спектром заполнителей и добавок , они выпускаются у нас в больших количествах.
Кроме модифицированных АФС , исследовались связующие , полученные в процессе химического взаимодействия фосфорной кислоты с соединениями хрома (хромофосфатное) , магния (магнийфосфатное) , цинка (цинкофосфатное) и других металлов .
Применение фосфатов хрома для связующих в технологии бетонов перспективно в связи с возможностью получения стабильных растворов с высокой степенью нейтрализации , широким температурным интервалом аморфного состояния продуктов дегидратации . Фазовый состав продуктов дегидратации до температуры 1200 С системы Р205 - С2 - 03 - Н20 изучался [163] . Температурные границы фазовых превращений исследованы до 1750 С [160].
Физико-химические процессы, протекающие при твердении и нагревании композиции на основе алюмохромфосфатного связующего
Алюмохромфосфатная связка, используемая для получения огнеупорных композиций с мелкодисперсными заполнителями, имеет следующий химический состав: А1203 - 5,04%; Сг203 - 5,19%; Р205 - 41,77%; Н20 - 47,93%. При сушке при температуре 55С удаляется 24,93% массы. Если кислотность АХФС по метилоранжу рассчитать на Н3РО4, то количество последней составит 26,97%. Отсюда, связанного Р2О5 в АХФС содержится только 14,8%. Количество воды, входящей в состав Н3РО4 в АХФС, составляет 10,25%), т.е. Е А1203 + Сг203 + Н20 (55С) + Н20 (в Н3Р04 ) = 87,18%. Таким образом, в АХФС есть около 13%) воды, входящей, по-видимому, в состав гидратов алюмо- и хромфосфатов.
Если процентный состав АХФС пересчитать в число молей, то получится: А1203 - 0,0494%; Сг203 - 0,0341%; Р205 - 0,2941% моля; что даст такое соотношение оксидов; А1203 х 0,б9Сг2О3 х 5,95Р205 в Н3РО4 связано 0,1898 молей Р205 или в целых числах 3,84 моля. Таким образом, состав алюмохромфосфатов выразится отношением: А12Оз0,69Сг2Оз(5,95-3,84Р2О5)7 т.е. на 1 (А120з+Сг20з) приходится 1,25 Рг05. Эта небольшая величина связанного фосфатного ангидрина свидетельствует о том, что фосфаты находятся, в основном, в трехзамещенной форме.
Расчет по результатам химического анализа количества трехзамещенных фосфатов алюминия и хрома дал следующие результаты: СгР04 - 10,04%, А1Р04 -9,25%о. Количество Р205 связано с алюминием, несколько превышает необходимо для трехзамещенной соли, поэтому возможно присутствие в АХФС и однозамещенного алюмофосфата. Его содержание, полученное по расчетам, составляет 6,23%. Таким образом, фазовьц состав исходной АХФС, рассчитанный на основании результатов химического анализа, следующий: А1Р04 - 9,25%; А1(Н2Р04)3 - 6,23%; СгР04 - 10,04%; Н3Р04 - 37,22%; Н20 (при 55С) -24,93% и около 13% воды, связанной с алюмо- и хромофосфатами.
При изготовлении композиций на основе АХФС для ее отверждение используется алюминиевая пудра. Количество последней составляет в смеси с АХФС 10%. Это несколько меньше теоретически необходимого количества для получения ИЗ Н3РО4 и А1(Н2Р04)з.
Отверженная алюминиевой пудрой АХФС рентгеноаморфна, показана на рис.3.2. Очень слабое отражение 3,144 и 2,588 X на рентгенограмме образца отвержденной АХФС, возможно, принадлежат гидратам фосфата хрома. Сильное отражение обусловлено непрореагировавшим алюминием. Неоднородность отвержденной АХФС хорошо обнаруживается под микроскопом. Видны прозрачные изотопные зерна с показателем преломления n = 1,527, имеется много черных бесформенных непрозрачных зерен. Кроме того, наблюдаются тонкие игольчатые кристаллики, анизотропные [160].
Дегидратация гидратов, входящих в состав отверженной АХФС начинается уже при нагревании выше 60С и происходит в три этапа, что видно из дериватограммы, приведенной на рис. 3.3. Скорость нагрева составляет 5 град/мин. Два низкотемпературных этапа следуют сразу же друг за другом или протекают почти одновременно. Они характеризуются эндотермическими эффектами с максимумами при 120 и 135С. Потери массы при динамическом нагревании равны 20,4% (в интервале 60-230С). На рентгенограмме образца, нагревавшегося до 230С, помимо отражений алюминия, наблюдаются сильные отражения AIPO4 тридимитового типа.
Гидраты трехзамещеннного ортофосфата алюминия А1Р04 пН20 уже при нагревании до 110С переходят в классические формы безводного AIPO4. При просмотре в микроскоп препарата, нагретого до 230С, видно, что число прозрачных изотопных зерен резко уменьшилось. Игольчатые, очень мелкие кристаллики агрегированы в бесформенные кусочки. Присутствуют черные непрозрачные зерна алюминия.
Третий этап носит постепенный характер. В интервале температур 230-560С выделяется 2,6% воды. Фазовый состав АХФС после нагревания до 560С, судя по рентгенограмме (рис.3.2.) тот же, что и после 230С. Но инфкрасный спектр поглощения несколько отличен от спектра предыдущего образца. Он не содержит полос поглощения в области 3000-ЗбООсм 1 и 1600-1650см"1 , обусловленных колебаниями гидроксилов молекулы воды. Кроме того, он стал более четким и интенсивным, что свидетельствует об увеличении кристаллической фазы. В отличие от ИК-спектра отвержденной алюминием алюмофосфатной связки, нагретой до этой же температуры, ИК спектр АХФС имеет сильную полосу поглощения в области 950см"1, принадлежащую, возможно, фосфатам хрома.
Критерии радиационной безопасности
В сложившейся обстановке [5-9] риск возникновения угрозы (меры возможной опасности RB) может отсутствовать (RB=0) или появиться и существовать (Яв 0).Однако риск последствий (Rn), если угроза реализуется, равен нулю, то есть при RB 0 Rn 0. Рассмотрим современное состояние и оценку меры риска последствий (см. рис. 4.1)
До 1982 г. среднегодовая доза облучения, равная 100 мбэр/год (1мЗв/год), считалась безопасной величиной. В 1982 г. НКДАР ООН рекомендована величина среднегодовой дозы [106] «естественного и технологического облучения» в 200мбэр/год (2мЗв/год) [106].
Нормами радиационной безопасности [66] установлены дозовые пределы облучаемых лиц (для персонала А и для населения Б). Для населения установлен дозовый предел 1 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 5 мЗв в год.
Считалось, что индивидуальные дозовые нагрузки, достигающие 350мЗв за 70 лет жизни не приводят к появлению заболеваний в острой форме. Однако, как показал опыт радиационной медицины с учетом аварий [60-65], вред радиационного воздействия, по-видимому не имеет порога (см. рис 4.1).
Следует обратить внимание на радиационный вред для популяции, когда в результате аварии подвергалось облучению на Украине, в Белоруссии и России I большое число людей. Такое положение приводит к тому, что генетические нарушения могут мультиплицироваться, вести к появлению наследственных дефектов, росту риска ухудшенной и потерянной жизни у последующих поколений, повышению эпидемий у популяции за счет пониженного иммунитета.
Поэтому величины коллективных доз, полученных населением, величины допустимых индивидуальных пороговых доз даже 3,5 мЗв за 70 лет;1 мЗв за 70 лет или 0,7 мЗв за 70 лет в настоящее время не могут считаться безопасными.
С позиции радиационной медицины вред для человека пропорционален следующим величинам [60-66]: -2,3 10 случаев/Зв - риск возникновения заболевания; -1,3 10" случаев/Зв - вероятность ожидаемых случаев неизлечимого рака; -0,25 года/Зв - потеря средней продолжительности человеческой жизни при среднем временном запаздывании болезни на 23 года от момента облучения;
РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ СИСТЕМЫ
Анализ данных показывает на отсутствие допустимых эквивалентных доз (к примеру, 3,5 м Зв за 70 лет жизни), они имеют право на существование только как критерий обязательного оперативного вмешательства, как уровень принятия оперативных мер, но не как уровень безопасности (см. рис. 4.1). оэтому в качестве критерия безопасности, когда реализуется риск с радиационными последствиями (Rn»0), приняты значения максимального возможного облучения (ниже установленных критериев) каждого человека [70,106],T.e.Rn 0- min.
Такая оценка критерия безопасности оказала новое влияние на развитие строительной индустрии. Во-первых, при строительстве новых зданий, сооружений из строительных материалов с низкой активностью ЕРН, в них стремятся внешнее облучение свести к минимуму (Rn — min). Только в последнее время все строительные материалы были разделены на три класса [82] по суммарной удельной активности ЕРН и определены возможности их применения в различных видах строительства. Однако такое требование резко сокращает материальную базу строительных материалов, замедляет и удорожает процессы строительства.
Во-вторых, проектирование новых и реконструкция старых зданий и сооружений должна осуществляться так, чтобы человек был защищен от ТУФоблучения за счет соответствующей толщины ограждающих конструкций с учетом плотности строительных материалов, когда кратность ослабления (К) стремится к максимуму значения (К— шах). В настоящее время этот параметр учитывается только при проектировании отдельных спецобъектов и защиты от мощных источников ионизирующих излучений.
В-третьих, для построенных и эксплуатируемых зданий и сооружений с целью снижения внешнего облучения внутри помещений, необходимо осуществить разработку нового облицовочного материала (покрытий), либо использовать традиционные материалы искусственного происхождения (органические материалы и др.) для снижения мощности дозы, то есть, чтобы Rn 0-»min.
В докладах на Генеральной Ассамблее ООН [65,83Д37Д46Д81,185] указывалось, что в зданиях, построенных из каменных строительных материалов, создается дополнительное излучение за счет ЕРН и эффективная средняя доза гама-излучения составляет от 350 до 411 мкЗв/год. За 70 лет жизни эта доза будет равна 0,028 Зв. Таким образом, только внешнее облучение внутри зданий за 70 лет жизни равно средне - популяционной дозе внешнего облучения населения земли (0,025 Зв за 70 лет). Из вышеизложенного следует, что радиационная безопасность не только может оказать влияние на процесс строительства, но и качественно в корне его изменить.
С целью предупреждения вредных последствий от воздействия излучения, снижения последствий риска, актуальной задачей является снижение мощности дозы в помещениях до наиболее возможной низкой величины.
