3025

Добавки-ускорители, такие как хлорид кальция (ХК) и хлорид натрия (ХН), способствуют дополнительному выходу радона в период схватывания и твердения цементного теста. С момента затворения происходит интенсивное выделение радона, превышающее эманирование цемента без добавок, при этом продолжительность индукционного периода выхода радона уменьшается в сравнении с цементом без добавок. Введение в цемент пластифицирующих добавок ЛСТ и С-3 снижает эманирование гидратирующегося цемента и удлиняет продолжительность индукционныхпериодов.

В процессе гидратации изменяется диффузионная среда, значительно влияющая на выход радона. Происходит изменение фазового состава порового пространства твердеющего цемента. Свободная вода переходит в химически связанную, поры цементного камня заполняются воздухом. Очевидно, что диффузия радона в воздухе происходит значительно быстрее, чем в воде. На рис.4 представлены кривые накопления радона и набора пластической прочности. Интенсивное связывание воды сопровождается ростом количества новообразований, повышением пластической прочности цементного теста и,

как видно на рис.2, сопровождается увеличением скорости выхода радона.

11

Взаимосвязь между характерными стадиями структурообразования и стадиями выхода радона из гидратирующегося цементного камня можно представить так, как это сделано в табл.4.

Нами установлено, что на стадии формирования структуры цементного камня формируется величина его коэффициента эманирования в более поздние сроки твердения, в состоянии естественной влажности.

Исходя из современных представлений о механизме гидратации цемента и на основании результатов эманационных измерений выявлены процессы, обуславливающие кинетику выхода радона. Выход радона при гидра-

тации цемента обусловлен процессами десорбции, гидратации и структурообразования. Десорбция радона происходит с поверхности цементных зерен, внутренней поверхности открытых и ранее (до растворения клинкерных минералов) закрытых пор и капилляров.

Процесс поступления атома радона в открытое пространство можно представить в виде двух последовательно протекающих процессов: поступления радона из зерен цементного клинкера в структуру гидратирующегося цемента и выхода атома радона из цементного теста в окружающую среду.

12

где А, В, С-количество атомов радона, находящихся, соответственно, в клинкерном зерне, гицратирующемся цементе, в открытом пространстве; kl, k2константы скоростей переходов атомов из одного вида в другой.

В соответствии с этой схемой концентрация радона, вышедшего в герметичную емкость, описывается формулой

Рис.5. Кривые радоновыделения гидратирующегося цемента с пластифицирующими добавками в герметичный эманационный контейнер: 1-цемент без добавки; 2- то же с добавкой С-3; 3-то же с добавкой ЛСТ; 4- то же с добавкой сахарозы

На рис.5 видно, что кривые радоновыделения гидратирующегося цемента с различными добавками описываются одним уравнением. Это свидетельствует о приемлемости предложенной нами схемы для описания этого процесса.

На рис.6,7 представлены кривые радоновыделения цементного камня с до- бавками-ускорителями и пластифицирующими добавками.

Добавки-ускорители твердения увеличивают радоновыделение цементного камня, а добавки-пластификаторы и комплексные добавки снижают. Добавка ХК увеличивает коэффициент эманирования цементного камня в 1,25 раза. Коэффициент эманирования цемента с добавкой ЛСТ и С-3 соответственно в 2,1 и 1,87 раза меньше, чем у цемента без добавок. Снижение коэффициента эманирования

13

цементного камня наблюдается с комплексной добавкой (ХК+сахароза) в 1,7 раза и индустриальной комплексной добавкой «Универсал» П-2 в 1,12 раза.

Величины коэффициента эманирования (КЭР) и эманирующей способности (ЭСР) по радону цементного камня на 28 сутки, рассчитанные по результатам экспериментов, для различных добавок приведены в табл.5.

Таблица 5 Величины коэффициента эманирования по радону (КЭР) и эманирующей спо-

собности (ЭСР) по радону цементного камня с различными добавками

14

15

ГСАК, рассчитанное по результатам ДТА по потерям массы в диапазоне температур 20-220°С, в случае добавки сахарозы почти в 1,5 раза больше, чем у цемента без добавок. Содержание гидрооксида кальция, характеризующее степень гидратации цемента, рассчитанное аналогичным путем для цемента с добавкой сахарозы, почти в 2,3 раза меньше, чем для

цемента без добавок.

Из графика на рис.9 видно, что содержание гидрооксида кальция в цементном камне, косвенно характеризующее количество продуктов гидратации силикатной фазы цемента, кореллирует с радоновыделением.

Воздействие хлорида кальция повышает растворение силикатов кальция, способствуя увеличению степени гидратации цемента и повышению радоновыделения. Понижение коэффициента эманирования в случае применения добавок ЛСТ и С-3 обусловлено уменьшением степени гидратации, главным образом алита и белита и созданием более плотной структуры цементного камня.

По результатам дифферен- циально-термического анализа нами установлено, что увеличение количества связанной воды в диапазоне температур 20-210°С, соответствующих дегидратации в основном гидросульфоалюминатов кальция, сопровождается снижением коэффициента эмани-

цементных зерен пленки, состоящие в основном из субмикрокристаллов гидросульфоалюмината кальция, затрудняют диффузию радона в поровое пространство.

Таким образом, установлена

16

плотная корреляционная связь между количеством продуктов гидратации гидравлически активных минералов цемента, количеством гидросульфоалюминатов кальция и радоновыделением цементного камня с различными добавками, а также принципиальная возможность получения эффективных по радиационному фактору цементных материалов, в частности, путем ввода индустриальных химических добавок.

В главе 4 представлены результаты исследований коэффициента эманирования и эманирующей способности компонентов бетона, разработаны способы снижения эманирования и составы низкоэманирующих бетонов. Исследована возможность прогнозирования радоновыделенкя цементных бетонов. Выявлена связь структуры бетона с эманированием.

С позиции радиоэкологической оценки строительных материалов как наиболее перспективная и универсальная величина нами предложен показатель эманирующей способности по радону (ЭСР), также называемый удельной эффективной активностью радия. Этот показатель отражает выход радона из одного килограмма материала и может быть использован при радиоэкологической оценке сложных строительных смесей на стадии подбора их составов, а также при расчете концентрации радона внутри помещения.

Результаты исследований коэффициента эманирования (КЭР) и эманирующей способности по радону (ЭСР) рядового кварцсодержащего, а также горнблендитового щебня и песка для тяжелого бетона приведены в табл.6.

Таблица 6 Радиационные показатели кварцсодержащего и горнблендитового

заполнителя для тяжелого бетона

Содержание радия в горнблендите в 6...8 раз меньше, чем в цементе и обычных заполнителях, поэтому этот материал является перспективным с позиции создания экологически чистых по радиационному фактору цементных бетонов.

Проведенные нами исследования показали, что для снижения выхода радона в воздух помещений из бетонных конструкций в качестве заполнителя для бетона можно использовать попутные продукты дробления и обогащения различных руд. Одним из перспективных материалов в этом отношении является радиационно-чистая основная порода горнблендит. Целесообразность применения горнблендита в бетонах исследовалась ранее. Полученные данные показали, что применение горнблендита в качестве заполнителя в бетоне приводит к сни-

17

жению прочности бездобавочного бетона на 24% после тепловлажностной обработки и на 12% в 28-суточном возрасте по сравнению с применением стандартных заполнителей. Однако введение в бетонную смесь добавок-пластификаторов позволило увеличить прочность бетона.

Нами разработаны низкозманирующие составы бетонов с применением пластифицирующей добавки ЛСТ и горнблендитового заполнителя.

На рис.11 представлены кривые радоновыделения обычного тяжелого бетона с кварцевым заполнителем и тяжелого бетона на горнблендитовом заполни-

тонную смесь позволяет снизить коэффициент эманирования бетона на кварцевом заполнителе до 20%. Замена рядового кварцсодержащего заполнителя горнблендитовым заполнителем снижает эманирование бетона на 38...60%.

Введение добавок и применение соответствующих заполнителей позволяет снизить эманирующую способность бетонов более чем в два раза, практически без снижения их прочности.

На основании полученных данных можно констатировать возможность получения эффективных по радиационному фактору цементных материалов путем целенаправленного выбора цемента и заполнителей с низкой эманирующей способностью, а также путем ввода минеральных и химических индустриальных добавок.

Для решения практических задач с целью возможности прогнозирования эманирования бетонов и расчета нормируемой предельной величины концентрации радона документом НРБ-99 нами проведен теоретический расчет величины

18

ЭСР. Расчет производили с учетом эффекта влияния гидратации цемента на величину ЭСР.

Результаты показали, что между расчётным и экспериментальным методами эманирующей способности отсутствуют значимые расхождения.

Это свидетельствует о возможности оценки эманирования бетона по вкладу каждого из его компонентов. Кроме того, это говорит о том, что при изготовлении бетонной смеси эманирование инертных компонентов (песок, щебень) не изменяется и практически весь радон заполнителей выходит из образца бетона. Принимая во внимание установленный ранее эффект снижения с течением времени эманирующей способности бетонов, можно сделать вывод о том, что эманирующая способность бетонов, в конечном счете, не будет меньше величины, формирующейся за счет заполнителей, а общее снижение эманирования связано в определяющей степени с физико-химическими процессами, протекающими в цементном камне. Для расчета вклада химически активной части бетона (цемент, зола-унос, активные минеральные добавки) необходимо принимать ее эманирование в затвердевшем состоянии в сроки, на которые производится расчет.

Введение в бетон цемента с повышенным (в 1,6 раза) содержанием Ra226 повысило вклад цемента в общую величину эманирования практически в 2 раза. Это свидетельствует о том, что рациональный выбор цемента позволит снизить эманируюшую способность бетонов на 10... 15%. Анализ формирования эманирующей способности показывает, что значительный вклад в формирование эманирующей способности рядовых бетонов вносят кварцсодержащие заполнители.

Проведенные нами исследования позволили выявить изменение показателей среднего размера открытых капиллярных пор и однородности их размеров в бетоне с горнблендитовым заполнителем. Полученные результаты указывают на уменьшение среднего (или эффективного) радиуса капилляров в 1,4 раза и увеличении степени однородности капилляров по их радиусам в 1,5 в этом бетоне, при этом ЭСР снижается в 1,9 раза по сравнению с бетоном на кварцевом заполнителе.

Таким образом, применение горнблендитового заполнителя взамен кварцсодержащего позволяет улучшить однородность структуры бетона и существенно снизить его эманирование.

Глава 5 посвящена оценке радиационно-гигиенических показателей разработанных нами низкоэманирующих бетонов, а также в ней приведены сведения о практической реализации результатов исследований.

Проведенная теоретическая оценка концентрации радона показывает, что расчетная концентрация радона в зданиях из сборного железобетона в 1,4 раза больше, чем в зданиях из кирпича. Наибольший вклад в формирование величины концентрации радона вносит тяжелый бетон. Несмотря на то, что в кирпичных зданиях основным строительным материалом является керамический кирпич, его доля в формировании концентрации радона не превышает 1,5%. Величина концентрации радона формируется на 28,6 % для кирпичного здания и 48,6 % для здания из сборного железобетона за счет поступления в помещение радона-222 из строительных конструкций. Остальное количество радона поступает в здание

19

из других источников, например, вместе с наружным воздухом и из грунта под зданием.

Для современных многоэтажных зданий основным источником радона является эксхаляция радона из строительных конструкций. В этой связи для реализации расчета было выбрано здание из сборного железобетона типовой серии. Анализ результатов таких расчетов в литературе практически отсутствует. Концентрация радона рассчитывалась для помещения, огражденного конструкциями из тяжелого бетона и керамзитобетона. Величина кратности воздухообмена была принята равной 1 ч'.

Программа расчета эффективности применения низкоэманирующих бетонов реализована в системе MathCad.

Величина объемной активности (ОА) радона в воздухе помещения в случае применения ограждающих конструкций из тяжелого бетона с кварцевым заполнителем и керамзитобетона составила 23,1 Бк/м3, а в случае применения в тяжелом бетоне горнблендитового заполнителя и добавки ЛСТ эта величина снизилась до 14,9 Бк/м3, то есть почти в 1,6 раза. Обращает на себя внимание эффективность составов бетонов с добавками, за счет ввода которых возможно достичь снижения радоновыделения бетонов конструкций. Расчеты показывают, что в результате применения добавки ЛСТ в бетонах концентрацию радона в помещении можно снизить дополнительно еще на 15%.

Применение предложенных нами низкоэманирующих составов бетонов с горнблендитовым заполнителем и пластифицирующей добавкой ЛСТ позволило достигнуть снижения концентрации радона в помещении из сборного железобетона почти на 36 % и снизить суммарную дозу облучения на 43%.

Суммарная доза в здании из сборного железобетона на основе кварцевого заполнителя составила 1,23 мЗ в/год, а для бетона с горнблендитовым заполнителем и добавкой ЛСТ - 0,7 мЗв/год. Снижение эманирования тяжелого бетона примерно в 2 раза и его удельной эффективной активности ЕРН в 4 раза приводит к снижению суммарной дозы облучения в 1,8 раза.

Этот обстоятельство указывает на реальную возможность снижения дозы облучения путем уменьшения радиационного воздействия на человека строительных материалов и на

Рис.12. Схема производства низкоэмани- их существенную роль в фор- рующих сухих строительных смесей

20