W elektrowniach atomowych budynki, w których znajdują się reaktory, a także instalacje o znaczeniu drugorzędnym są otoczone osłonami z różnych materiałów, aby ochronić otoczenie przed skutkami promieniowania przez osłabienie do poziomu dopuszczalnego.
Oznaczenie konsystencji mieszanki betonowej metodą opadu stożka
Fot. Hydrobudowa-1
Zarówno kształty budynków i ich konstrukcja, jak i stosowane materiały (stal, ołów, zbiorniki z wodą i beton) mają na celu osłabianie promieniowania podczas normalnej eksploatacji, a także ograniczenie skutków awarii.
Betonowe elementy osłonowe muszą spełniać różnorodne wymagania wytrzymałości mechanicznej, szczelności i trwałości, odpowiadającej przewidzianym okresom eksploatacji. Równocześnie stawiane są warunki hamowania promieniowania ? i zatrzymywania strumieni neutronów, przenikających przez bezpośrednie osłony. Te dwie grupy wymagań stwarzają konieczność odpowiedniego projektowania i optymalizacji kompozycji betonów, a także zabezpieczenia zbrojenia lub sprężenia konstrukcji betonowych, aby zapewnić trwałość i odporność w sytuacjach awaryjnych.
Stanowisko badania wytrzymałości na ściskanie próbek betonowych
Fot. Hydrobudowa-1
Osłabianie promieniowania jonizującego następuje w warstwach różnych materiałów osłonowych, przy czym grubość osłon może być rekompensowana zwiększoną gęstością materiału i zdolnością do pochłaniania i osłabiania promieniowania. Z tego powodu stosowane są osłony wykonane ze stali i ołowiu, jako materiałów o wysokiej gęstości, a także betony o specjalnych składnikach. Betony z odpowiednio dobranych kruszyw są głównym materiałem do rozmaitych konstrukcji osłon zewnętrznych w stosunku do powłoki stalowej i ewentualnie ołowianej. Materiały o wysokiej gęstości zatrzymują promieniowanie gamma, więc ciężkie kruszywa są tu niezbędne.
Kruszywa ciężkie naturalne to przede wszystkim baryt (siarczan baru BaSO4), a także rudy żelaza: magnetyt, hematyt, limonit i ilmenit. Zawartość odpowiednich pierwiastków w kruszywie pozwala na zmniejszanie grubości warstw betonu, zachowując właściwości mechaniczne
Betonowe osłony przed promieniowaniem gamma wykonywane są zazwyczaj z kruszywem z nieuwodnionych rud żelaza. Są to: magnetyt Fe3O4 (do71% Fe) lub hematyt Fe2O3 (do 68% Fe).
Rozszerzalność termiczna kryształów magnetytu jest niewielka i mało różni się w trzech głównych kierunkach, a kryształy są drobne, dzięki czemu betony magnetytowe są odporne na wysoką temperaturę i jej zmiany. Ważną właściwością betonu z kruszywem magnetytowym jest dobre przewodzenie ciepła, co zmniejsza niebezpieczeństwo powstawania dużych gradientów temperatury i naprężeń termicznych.
Wykonanie osłon z betonów ciężkich wymaga specjalnej technologii przygotowania mieszanin. Dobra urabialność jest trudniej osiągalna niż w przypadku zwykłych betonów konstrukcyjnych i trzeba użyć więcej drobnej frakcji kruszywa i cementu. Z tej samej przyczyny jednak współczynnik w/c nie powinien być wyższy niż 0,5. Co więcej, ze względu na ciężkie kruszywo konieczne jest ograniczenie czasu mieszania i inne zabiegi, aby uniknąć segregacji.
Liczne wyniki badań doświadczalnych betonów osłonowych z jednej strony dostarczają w ostatnich latach cennych informacji, ale nie wszystkie publikowane rezultaty pomiarów są w pełni zgodne. Zjawiska spowalniania i absorpcji neutronów o różnych prędkościach i energiach, a także wyzwalane przy tym wtórne promieniowanie ? są na tyle skomplikowane, że rozwiązania muszą być poszukiwane w konkretnych przypadkach osłon. Stwarza to konieczność podjęcia prac w celu uzyskania odpowiednich kompozycji betonów osłonowych i szczególnie starannego ich projektowania, uwzględniającego oprócz efektów osłony przed różnymi rodzajami promieniowania także wymagania technologiczne oraz stosowane składniki. Oznacza to potrzebę przeprowadzenia różnorodnych badań przy użyciu lokalnych kruszyw i spoiw, a także importowanych kruszyw specjalnych, ponieważ zwiększony koszt betonu może być przynajmniej częściowo równoważony przez wykorzystanie możliwości ograniczenia grubości osłon z betonów.
W przeprowadzonych badaniach zastosowano magnetytowe kruszywo ze Szwecji (Kiruna) o gęstości 4,8 t/m3 i uziarnieniu odpowiednio 0–5,6 mm oraz 2–16 mm. Frakcje kruszyw i ich ilości były tak dobrane, aby zapewnić uzyskanie szczelnego stosu okruchowego, jednak bez zastosowania piasku. Na rys. 1 przedstawiono zdjęcia dwóch frakcji kruszyw wykorzystanych w badaniach.
Do badań przygotowano trzy mieszanki betonowe, których skład i proporcje składników zestawiono w Tabeli 1.
Zaprojektowano składy mieszanek betonowych i wykonano próby laboratoryjne. Metodami normowymi określono konsystencje mieszanek betonowych przy użyciu stożka opadowego oraz gęstości objętościowe mieszanek. Wykonano próbki sześcienne o boku 150 mm do badań wytrzymałości betonu. Próbki były przechowywane w normowo określonych warunkach wysokiej wilgotności i stałej temperatury do chwili badania.
Wykonane mieszanki różniły się wielkością stosunku wodno-spoiwowego, który wynosił 0,4; 0,45 i 0,5. Z uwagi na przewidywane zastosowanie betonów w masywnych konstrukcjach ścian osłonowych zastosowano cement CEM II/B-S 32,5R charakteryzujący się m.in. niskim ciepłem hydratacji. Ilość cementu została dobrana w taki sposób, aby ograniczyć możliwość wystąpienia dwóch niekorzystnych czynników: wzrostu temperatury podczas hydratacji cementu i zwiększenia skurczu; oba mogą spowodować powstanie rys i pogorszenie skuteczności osłony.
Uzyskano mieszanki betonowe o gęstości powyżej 3800 kg/m3, co znacznie przewyższa powszechnie przyjęta granicę 2600 kg/m3, powyżej które betony zalicza się do ciężkich.
Systematyczna kontrola konsystencji i jednorodności mieszanki betonowej zawierającej kruszywo ciężkie jest bardzo ważna z uwagi na wymagane późniejsze właściwości stwardniałego betonu. Zabudowując mieszankę betonową należy dążyć do tego, aby cała partia dostarczonej mieszanki betonowej miała praktycznie jednakową konsystencję, zmieniającą się w bardzo ograniczonym zakresie. Jest to wymóg stanowiący pośrednio mieszanki betonowej przy zabudowie i dający możliwość prawidłowego zagęszczenia mieszanki betonowej. Mając powyższe na uwadze w badaniach mieszanek betonowych z kruszywem magnetytowym sprawdzono zmianę konsystencji w czasie. Mieszankę B o w/c = 0,45 przygotowano w mieszarce wolnospadowej i mierzono konsystencję (opad stożka) po 3, 15, 30 i 45 min. Zmiana konsystencji w czasie przedstawiała się odpowiednio: 150, 140, 120 i 70 mm. Czas zachowania urabialności mieszanki bez stosowania specjalnych domieszek wyniósł 30 min. Nie zauważono objawów związanych z segregacją kruszywa czy też przedwczesnym wiązaniem cementu.
Na wykonanych próbkach sześciennych o boku 150 mm przeprowadzono badania wytrzymałości na ściskanie po 7 i 28 dniach. Do badań użyto maszynę wytrzymałościową klasy I typu Dr MB-300, stosując normową metodę badania na ściskanie wg PN-88/B-06250 lub wg PN-EN 12390-3:2002. Wyniki badań przedstawiono w Tabeli 2.
Wykonano również badanie gęstości objętościowej betonu w próbkach po 28 dniach: Beton A: 3908 kg/m3, beton B: 3939 kg/m3, beton C: 3984 kg/m3.
Na rys. 2 przestawiono przykładowe przekroje badanych betonów po 28 dniach dojrzewania. Nie zauważono segregacji kruszywa ani niejednorodności w próbkach, z wyjątkiem betonu A, gdzie wystąpił brak kruszywa grubego w warstwie przypowierzchniowej, do 7 mm.
Wnioski
Wszystkie mieszanki betonowe charakteryzowały się gęstością powyżej 3800 kg/m3, a stwardniałe betony – powyżej 3900 kg/m3. Pomimo braku piasku w betonach nie stwierdzono problemów z mieszaniem składników ani z ich segregacją.
Wytrzymałość na ściskanie badana po 28 dniach dojrzewania betonów wynosiła od 47 MPa do 58 MPa, co plasuje badane betony w klasie od C35/45 do C45/55.
Przeprowadzone wstępne badania betonów magnetytowych i uzyskane wyniki pozwoliły na ocenę jakości i przydatności kruszywa magnetytowego. Kierunki i zakres dalszych badań betonów magnetytowych i innych betonów specjalnych będą odnosiły się bezpośrednio do przyjętych projektów konstrukcji reaktorów atomowych, budowli pomocniczych i innych, w których takie betony będą wykorzystane.
Badania wykonane w ramach projektu „Trwałość i skuteczność betonowych osłon przed promieniowaniem jonizującym w obiektach energetyki jądrowej”, PBSII/A2/15/2014.
mgr inż. Brygida Augustyniok
Hydrobudowa-1 Betoniarnia-Laboratorium
mgr inż. Grzegorz Nowowiejski
Hydrobudowa-1 Betoniarnia-Laboratorium
