Введение к работе
Актуальность работы. В связи с развитием атомной энергии и высоких технологий в промышленности в регионах страны скапливаются отходы в виде активных источников гамма-излучений. С целью рационального расходования ресурсов и охраны окружающей среды повышается большой экономический интерес к созданию для мест захоронения этих активных источников защитных материалов на основе местных отходов и сырья.
В волгоградской области в связи со спецификой выпуска продукции на предприятиях скапливается большое количество технических отходов абразивного производства. Это значительно воздействует на характер использования и переработку таких отходов и оказывает влияние на расширение целей и задач производства защитных материалов и возможности производства жаростойких бетонов.
Другим важным фактором в области защиты являются природные источники ионизирующего излучения, которые вносят основной вклад в дозу облучения населения. Средняя эффективная эквивалентная доза, обусловленная природными источниками составляет около 2/3 дозы от всех источников ионизирующего излучения, воздействующих в настоящее время на человека. Поскольку население большую часть времени проводит внутри помещений, на дозу от природных источников излучения существенно влияют естественные радионуклиды, содержащиеся в строительных материалах. Не только содержание и активность радионуклидов в регионах меняется в широких пределах , но и 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 связанно с отсутствием теоретической базы снижения мощности дозы в помещениях с учетом эффективности удельной активности отделочных материалов.
Решение проблемы снижения радиационной опасности жилища может быть осуществлено путем комплексных исследований активности радионуклидов добываемых минералов, их изменения в процессе производства материалов для домостроения и, наконец, суммарной эффективности активности и мощности дозы в строящихся и эксплуатируемых помещениях.
Чрезвычайно важным этапом решения комплексной проблемы является
разработка новых и определение реализуемых на рынке материалов с низкими эффективными удельными активностями для снижения мощностей доз в помещениях и защиты населения.
Для решения задачи защиты персонала и населения от активных техногенных источников гамма-излучения необходимо расширение дешевой сырьевой базы в производстве защитных материалов на основе отходов местной промышленности.
Данная работа выполнялась в соответствии с постановлением правительства РФ от 06.07.94г. № 809 «О федеральной целевой программе снижения уровня облучения населения России и производственного персонала от природных радиационных источников на 1994 – 1996 годы», Федеральными законами «О радиационной безопасности населения» (№3 – ФЗ от 9 января 1996 года), «О санитарно – эпидемиологическом благополучии населения» (№ 52 – ФЗ от 30 марта 1999 года). Санитарными правилами «Нормы радиационной безопасности» (НРБ - 99) «СП 2.6.1.758 - 99», методическими указаниями. Проведение радиационного - гигиенического обследования жилых и общественных зданий (С.Петербург, 1998 г.) и в рамках «Единой Федеральной целевой Программы ядерной и радиационной безопасности России на период до 2005 года, утвержденной постановлением Правительства РФ № 149 от 22.02.2000г.»
Цель работы. Обеспечение радиационной безопасности населения от мощных источников излучений и радиационного фона, а так же производства жаростойких бетонов на основе использования техногенных отходов абразивного производства и радиационного модифицирования в изготовлении материалов.
Задачи исследований:
1. Определение влияния температурных воздействий на изменение трещиностойкости, жаростойкости бетона и АRa эфф
2. Выявление закономерностей и факторов накопления активностей естественных радионуклидов на местности и в помещениях от геологического строения территорий, технологии производства строительных материалов, а
также активности техногенных отходов гамма-излучения в отведенных местах захоронения.
3. Разработка теоретических положений и эффективных средств снижения доз облучения населения.
4. Разработка эффективных средств снижения доз облучения на селения в помещении.
5.Разработать технологии защитных материалов на основе техногенного сырья абразивного производства с использованием радиационного модифицирования для хранилищ и специальных мест захоронения активных источников гамма – излучения.
6. Оценить трещиностойкость и долговечность жаростойкого бетона на фосфатном связующем с использованием методов механики разрушения, исследовать его основные характеристики при различных температурах нагрева.
7. Установить влияние нагрева на изменения сорбционных свойств и характеристик пористой структуры жаростойких бетонов при использовании в качестве связующего техногенного сырья абразивного производства.
8. Оценить эффективность подобранных средств снижения доз облучения населения в помещении. Апробировать в производственных условиях предлагаемые технологии с выпуском опытно – промышленных партий разработанных материалов и изделий.
Научная новизна
Получены жаростойкие бетоны на фосфатном связующем с использованием техногенного сырья абразивного производства для применения в высокотемпературных печах, а также после радиационного модифицирования – для применения в радиационных высокотемпературных объектах.
- Впервые проведены масштабные радиационные исследования (более 15 тысяч измерений) территорий, минерального сырья, строительных материалов, отходов промышленности для строительного производства, помещений Волгоградской области и мест захоронений активных отходов гамма-излучения.
- Установлены закономерности распределения эффективных удельных активностей ЕРН минералов, строительных материалов и радиационных характеристик помещений от геологического строения систем территорий. Установлено, что концентрация эффективных удельных активностей месторождений в Волгоградской области находятся в основном в пределах 1 класса.
- Установлена закономерность изменения эффективной удельной активности радия и коэффициента эманирования от тепловой обработки материалов: всем материалам (кроме мела) свойственны повышения АRa эфф и в интервале температур 90-7500С, а обжиг в интервале 900-15000С приводит к резкому уменьшению их.
- Установлена закономерность дополнительного вклада в гамма-фон помещений от компонентов местного техногенного сырья абразивного производства , используемого в строительных материалах, влияющего на усредненные эквивалентные дозы облучения населения.
- Разработаны теоретические положения защитных средств для снижения гамма – фона во вновь строящихся и эксплуатируемых зданий за счет применения отделочных материалов с низкими (не менее чем в 3 раза) эффективными удельными активностями по сравнению со значениями строительных материалов помещения.
- Установлено заметное изменение деформативных свойств жаростойкого бетона на фосфатном связующем происходит только после его нагрева при температуре 800С
По сравнению с другими видами бетонов жаростойкий бетон на фосфатном связующем обладает наибольшем сопротивлением зарождению трещин при нагреве, превышая этот показатель у жаростойкого бетона на портландцементе в два раза. При этом для бетона на фосфатном связующем характерно постепенное, медленное развитие трещин в процессе его разрушения и , следовательно, высокая долговечность .
- Полученные на основе методов механики разрушения характеристики трещиностойкости бетона на фосфатном связующем позволяют выявить влияние технологических факторов и факторов внешней среды его долговечности.
- Получены на основе местного сырья и радиационной технологии эффективные жаростойкие бетоны и защитные материалы с низкой эффективной удельной активностью (менее 30Бк/кг) для защиты от мощных источников и радиационного фона.
Практическая значимость
Разработаны составы и технологии изготовления изделий из жаростойкого алюмохромфосфатного бетона с температурой применения 1500-1600 0С, что позволяет заменить дорогостоящие огнеупоры, а также на основе отходов техногенного сырья абразивного производства – выпускать защитные материалы от активных источников гамма-излучения.
Создан при ВолгГАСУ первый региональный центр радиационного контроля в стройиндустрии , обеспечивающий сертификацию удельных активностей минералов, строительных материалов, объемных активностей радона, мощностей доз и подготовку кадров в области радиационных измерений и диагностики в строительных комплексах.
Составлены карты радиационных характеристик месторождений исследованной области, позволяющие ориентироваться производителям строительных материалов в использовании минерального сырья.
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 усредненные годовые эквивалентные дозы облучения населения, частотное распределение и диапазоны эффективных удельных активностей в строительном сырье и материалах, влияющих на облучение населения; в Волгоградской области население подвергается большему облучению от строительных материалов с эффективной удельной активностью до 200 Бк/кг.
Издано учебное пособие по развитию высоких технологий для студентов технических ВУЗов России.
Разработан методический материал и справочник для использования в стройиндустрии с целью ограничения облучения населения в стране.
Внедрение результатов исследований
Разработаны и приняты к исполнению «Нормы допустимых уровней гамма – излучения и радона при отводе участков под строительство» Волгоградской области.
Результаты работы по жаростойким бетонам внедрены на АО «Волжский абразивный завод» и АО «Тепломонтаж», а по защитным материалам от активных источников гамма-излучения – на предприятии «Радон» - в специально отведенных местах захоронения техногенных отходов.
Результаты выполненных исследований от фоновой радиации внедрены и используются предприятиями стройиндустрии Волгоградской области при разработке минерального сырья в карьерах, производстве строительных материалов, отводе участков территорий под строительство зданий и сооружений.
Теоретические положения диссертационной работы, а также результаты экспериментальных работ изложены в изданном учебном пособии и используются в учебном процессе технических ВУЗах России.
Методология работы основывалась на известных положениях строительного материаловедения в области создания высоконаполненных композиционных алюмохромфосфатных вяжущих. В отличие от известных полиструктурных композиционных цементных связующих, наполненных мелкодисперсными порошками горных пород, исследованных академиком
В.И. Соломатовым и его школой, в работе разработаны композиции на основе фосфатных вяжущих и отходов абразивного производства, позволивших производить жаростойкие бетоны для промышленности и основы бетонов с последующим радиационным модифицированием для применения их в хранилищах от активных источников ионизирующих излучений. Таким образом, по своей методологической сущности в достижении прочности, плотности, агрессивности, полученный бетоно-полимерный материал адекватен методологии Ю.М. Баженова с существенными отличиями от него изменением поглощенных доз при сшивании полимеров в основе бетонов.
При разработке материалов для защиты населения от фонового радиационного излучения автор использовал методологию профессора Э.М. Крисюка и О.П. Сидельниковой развив метод расчета защитных средств и получив конкретные значения коэффициентов при применении материалов с определенной плотностью и кратностью ослабления в помещении.
Осуществлен глубокий и комплексный анализ результатов композиционных материалов, изделий и конструкций на их основе школ отечественных и зарубежных ученых И.Н. Ахвердова, Т.К. Акчурина, Ю.М. Баженова, Ю.М. Бута, А.В. Волженского, В.Д. Глуховского, В.В. Жукова, В.С. Горшкова, В.Т. Ерофеева, Ю.Г. Иващенко, А.Д. Корнеева, П.Г. Комохова, В. И. Калашникова, Ю.Д. Козлова, С.Ф. Кореньковой, И.Н. Курбатовой, В.С. Лесовика, И.П.Ликутцовой, В.В. Прокофьевой , Т.М. Петровой, А.П. Прошина, Р.З. Рахимова, В.И. Соломатова, В.П. Селяева, С.В. Федосова, В.Г. Хозина, Е.М. Чернышева, Р.А. Назирова, А.В. Ушакова и др.
Экспериментальные исследования радиационных свойств сырьевых компонентов и материалов выполнены с использованием современных аттестованных приборов, оборудования, а также по методикам, разработанных автором. Достоверность и обоснованность полученных данных определялись с использованием классических методов физической химии, математической статистики, современных компьютерных технологий, достаточным объемом лабораторных исследований, промышленными решениями опытно-промышленной апробации разработанных методик, комплексом методов широкомасштабных исследований, результаты применения которых дополняют и подтверждают друг друга.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы и результаты докладывались в 1989-2011 г.г. на международных, региональных и институтских научных конференциях, симпозиумах и конгрессах: «Рациональное использование природных ресурсов и охраны окружающей среды», 1998 г. 1999 г. (г. С.Петербург); «Безопасность строительства и эксплуатации зданий», 1990г., 2010г. (г. Казань); «Применения отходов производства – основной резерв строительства», 1990 г. (г. Севастополь); «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций», 1997 г.; 1998 г., 2005г.,2008г. (г. Волгоград); «Сертификация, экология, энергосбережение», 1998 г. (Турция, г. Кемер); «Экологическая безопасность и экономика городских и теплоэнергетических комплексов», 1999 г.2010г.
(г.Волгоград); «Современные проблемы строительного материаловедения», 5 Академические чтения РАСН 1999 г.,2010г. (г. Воронеж).
Публикации . Автором опубликовано более 50 работ. Основные результаты исследований по теме диссертации – в 47 научных работах, в том числе в 3-х монографиях, учебном пособии для ВУЗов, справочнике по радиационному контролю, картах эффективных удельных активностей ЕРН минералов и почвах, Нормах допустимых уровней гамма – излучения радона на участках застройки.» Волгоградской области.
Структура и объем диссертации .Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 342 страницах машино-писного текста, включающего 47 таблиц, 40 рисунков, список литературы из 251 наименований, приложения.
