Специальные бетоны и композиционные материалы

Шейнич Л Специальные бетоны и композиционные материалы // Капстроительтво. 2002 . №8. C. 47-49

Номенклатура специальных бетонов и композиционных материалов постоянно расширяется. В первую очередь это связано со специализацией строительных работ, требующих постоянного повышения их качества, появлением новых строительных конструкций, эксплуатирующихся в сложных условиях.

Анализ этой номенклатуры позволил выделить две, довольно условные, группы материалов. Первая группа - это бетоны и композиции, решающие в течение длительного времени задачи в известных и традиционных областях промышленного производства. Это -бетоны для гидротехнического, транспортного строительства и бетоны, эксплуатирующиеся при высоких температурах. Составы и технология таких материалов постоянно совершенствуются. Ко второй группе относятся материалы, предназначенные для решения задач, возникших в последнее время. К таким бетонам и композиционным материалам относятся материалы, предназначенные для решения проблем, связанных с ликвидацией последствий аварии на Чернобыльской АЭС, а также проблем, связанных с проведением ремонтных работ. Именно в последнее время возросли объемы работ, требующие специфических специальных составов.

Об актуальности этой проблемы говорилось еще на 4-м Международном симпозиуме по строительным материалам в Сингапуре, который состоялся в 1987 г.: " Строительство в будущем столетии - это восстановление и замена того, что было построено в двух предыдущих". Развитие этих направлений строительства ведет к развитию технологий в уже традиционных областях применения специальных бетонов.

Решение проблем, связанных с ликвидацией последствий Чернобыльской катастрофы предъявляет новые требования к бетонам и композиционным материалам. Это прежде всего требования по коррозионной стойкости, способности связывать радионуклиды, эффективной защите от действия ионизирующего излучения, повышенной долговечности (до 300 лет) под действием ионизирующего излучения.

Коррозионная стойкость бетона контейнеров для хранения радиоактивных отходов оценивается по скорости выщелачивания ионов кальция бетона в морскую и дистиллированную воду по методике ГОСТ 29144-91. При этом величина выщелачивания кальция из бетона не должна превышать 1 мг/см2сут.

В НИИСКе при проведении исследований по такой методике на модельных составах бетона были установлены интересные закономерности. В качестве вяжущих использовали бездобавочный портландцемент и сульфатостойкий шлакопортландцемент. Результаты экспериментов приведены в табл. 1 и табл. 2. Из анализа данных табл. 1 следует, что характер выщелачивания подчиняется общим закономерностям. Со временем выщелачивание ионов кальция уменьшается и к 60 сут стабилизируется. Средняя скорость выщелачивания для бездобавочного портландцемента составляет 0,596 мг/см2сут, а сульфатостойкого шлакопортландцемента - 0,492 мг/см2сут.

Таблица 1. Выщелачивание ионов кальция из бетона модельного состава в дистиллированной воде

Вид цемента

Скорость выщелачивания, мг/см2сут, при нахождении в воде, сут.

0-1

1-3

3-7

7-14

14-21

21-28

28-60

Бездобавочный

1,65

0,52

1,77

0,085

0,047

0,05

0,05

Сульфатостойкий

1,1

0,495

1,7

0,071

0,031

0,024

0,024

Анализируя данные, приведенные в табл. 2, специалисты сделали заключение, что происходит интенсивное взаимодействие солей, содержащихся в морской воде, с твердеющим цементом. Процесс выщелачивания ионов кальция цемента в морскую воду отсутствует, наоборот протекает процесс проникновения ионов кальция морской воды в бетон.

Полученный результат объясняется взаимодействием алюминатных и силикатных составляющих цемента с солями морской воды с образованием высокоосновных гидросиликатов и гидросульфоалюминатов кальция.

Значительно меньшая скорость выщелачивания сульфатостойкого шлакопортландцемента, по сравнению с бездобавочным портландцементом, позволила рекомендовать шлакопортландцемент для бетонов, предназначенных для изготовления контейнеров. Кроме того, его применение (из-за его низкой экзотермии) в совокупности с применением специальных добавок может облегчить решение проблемы разогрева больших объемов бетона не выше допустимой температуры.

При захоронении радиоактивных отходов требуется не только их связывание в нерастворимые связки (известные работы в этом направлении выполнены в НИИ ВМ), но и создание под хранилищами специальных сорбционных слоев. Назначение последних - адсорбция их компонентами радионуклидов в случае аварии хранилища и не допускание выноса этих радионуклидов за пределы территории хранилища в течение 300 лет. К таким слоям также предъявляются специфические требования, в частности, скорость фильтрации воды ? 0,1-1 м/сут, сорбционная емкость по стронцию ? 100-150 мг/л. Исследованиями в НИИСК установлено, что таким параметрам отвечает ряд смесей не только на основе цеолитов, бентонитовых глин, но и глин, имеющихся в Киевской области. Их применение позволит значительно снизить стоимость строительства хранилищ комплекса " Вектор" в Чернобыльской зоне.

Таблица 2. Выщелачивание ионов кальция из бетона модельного состава в морскую воду

Вид цемента

выщелачивания, мг/см2сут, при нахождении в воде, сут

0-1

1-3

3-7

7-14

14-21

21-28

28-60

Бездобавочный

-7

-30

-4,2

-5,7

-4,3

-8,1

-0,8

Сульфатостойкий

-7

-20

-2,5

-3,8

-3,8

-4,7

-1,0

Ликвидация последствий аварии на Чернобыльской АЭС требует создания эффективных бетонов для защиты от действия ионизирующего излучения. К таким специфическим требованиям относятся безусадочность бетона, наличие в нем связанной воды при температурах эксплуатации до 300?С, высокий коэффициент теплопроводности, радиационная стойкость.

Выполненными работами в НИИСК разработаны безусадочные бетоны со средней плотностью до 5000 кг/м3 и маркой на сжатие 500-600. Толщина половинного слоя ослабления потока нейтронов и Y -излучения достигает в зависимости от состава 3...4 см. Такая небольшая толщина половинного слоя объясняется применением чугунного заполнителя. Известны работы, в которых эффективные радиационно-защитные композиции создаются за счет сочетания в них в определенном соотношении тонко измельченного металлического компонента и кварцевого песка. Однако, последние материалы применимы для защиты только от Y-излучения, так как при действии нейтронного излучения бетоны, содержащие кварцевый песок, должны пучиться. Это объясняется тем, что в результате проведенных фундаментальных исследований установлено, что вещества с высокой анизотропией свойств (с низкосимметричной структурой) характеризуются малой радиационной стойкостью и наоборот. К таким веществам с высокой анизотропией свойств относится кварц, поэтому применение бетонов, содержащих кварц, в мощных нейтронных полях запрещено.

Исследованиями, выполненными в МИСИ, установлено соответствие между величинами радиационных и температурных изменений свойств, структуры, фазового состава портландцементного камня. Это позволяло специалистам предложить основы ускоренного метода определения радиационной стойкости материалов по результатам их термических испытаний.

Выполненные исследования в НИИСК определили, что применение тонкодисперсных заполнителей в совокупности с использованием безусадочного цемента позволяет получить бетон, характеризующийся низкой анизотропией свойств и более высокой термостойкостью, чем бетон с более высокой анизотропией свойств, что должно положительно сказываться на радиационной стойкости бетона.

Результаты промышленной эксплуатации строительных конструкции в течение 3-х лет с применением разработанного бетона подтверждают итоги проведенных исследований и показали его эффективность и долговечность.

Исследована также радиационная стойкость бетонов под действием больших доз Y-излучения.

Для исследования поведения бетонов под действием гамма-излучения были изготовлены две серии образцов. Одна - контрольная, а вторая - подвергаемая действию гамма-излучения. Температура облучаемых и контрольных образцов при испытаниях не превышала 40?С. Доза гамма-излучения составила 109 рад. Ее величина соответствует дозе, которую может получить бетон при его контакте с высокоактивными радиоактивными отходами саркофага ЧАЭС за 300 лет. Действию гамма-излучения подвергали бетоны, достигшие возраста 28 суток и хранившиеся в нормальных условиях.

Характеристика промышленной установки гамма-излучения - энергия излучения 1,25 МэВ и мощность дозы - 2 Мрад/час. Использование такой установки позволяет достичь дозы 109 рад менее чем за месяц, а 108 рад - за 4...5 суток. Сообщение материалу такого значительного энергетического воздействия удаляет его от термодинамического равновесия, что создает условия для возникновения в нем значительных флуктуационных процессов, направленных на создание нарушений регулярности структуры. Данные свидетельствуют, что после обработки цементного камня Y-излучением происходит нарушение кристаллической структуры, ее аморфизация. Для уменьшения влияния флуктуации на свойства камня целесообразно создание композитов с минимальной величиной анизотропии их свойств, что регулируется дисперсностью заполнителя и степенью расширения цемента. Результаты физико-механических испытаний приведены в табл. 3.

Таблица 3. Стойкость полимерсиликатных композиций в агрессивных средах

Среда и концентрация

Коэффициент химической стойкости в возрасте, сут

28

180

Состав 1

Состав 2

Эталон

Состав 1

Состав 2

Эталон

25% серная к-та

1,04

1,10

1,09

1,27

1,30

1,08

25% соляная к-та

1,09

1,00

1,10

1,30

1,32

1,06

25% азотная к-та

1,06

0,97

0,90

1,26

1,03

1,02

5% хлорид натрия

0,99

0,96

0,96

0,99

0,98

0,99

25%NaOH

1,05

1,06

0,88

1,17

1,14

0,97

10% морская соль

0,96

0,93

1,00

0,98

0,96

1,01

5%MgS04

0,91

0,94

1,06

1,01

1,05

1,07

Бензин

0,94

0,97

0,87

0,97

0,95

0,89

Анализируя полученные данные физико-механических испытаний радиационно-защитных композиций, можно отметить, что большие дозы гамма-излучения в исследуемых пределах практически не влияют на прочность материала. Таким образом, если устранить другие неблагоприятные факторы, то возможно создание конструкций из бетона, которые можно будет эксплуатировать в течение 300 лет. В этом случае долговечность конструкций уже будет определяться технологией изготовления. Так, только ужесточение требований к точности совершения технологических операций должно привести к повышению надежности технологического процесса изготовления и даже к повышению классности бетона без повышения его марочности.

Данные дифференциально-термического анализа облученных и необл