Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

Стефаненко Игорь Владимирович

Радиационно Ц модифицированные материалы и жаростойкие композиции с использованием техногенного сырья для защиты от излучений и фоновой радиации

Специальности  05.23.05 - Строительные материалы и  изделия

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Волгоград  2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Калашников Владимир Иванович

  Доктор технических наук, профессор

  Ерофеев Владимир Трофимович 

Доктор технических наук, профессор

  Корнеев Александр Дмитриевич

Ведущая организация: Пермский национальный исследовательский 

политехнический университет (ПНИПУ) г. Пермь

  Защита состоится 26 марта 2012 г. в 12:30 в ауд. В-203 на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 при ФГБОУ ВПО Волгоградский государственный архитектурно - строительный университет по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1. 

  С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно - строительного университета,

Автореферат разослан ____________________________2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета  Акчурин Т.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.        

На защиту выносятся:

- разработанные составы жаростойких бетонов на основе алюмохромфосфатных связующих и региональных отходов, твердеющих без применения термообработки для защиты от мощных источников гамма - излучения.

- технология производства материалов для защиты от активных источников гамма-излучения с использованием местного сырья и  радиационного метода модифицирования;

- закономерности распределения эффективных удельных активностей ЕРН в минеральном сырье и производимых строительных материалах;                

- карты эффективных удельных активностей ЕРН добываемых минералов месторождений и плотностей потока активностей радона территорий Волгоградской области;

- теоретические положения 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;        

- метод расчета защитных средств для снижения гамма - фона в помещениях с учетом плотности, эффективной удельной активности материалов и кратности ослабления;

- закономерности вклада в гамма - фон помещений от компонентов сырья строительных материалов, влияющих на годовые эквивалентные дозы облучения населения;

- защитные материалы с низкой эффективной удельной активностью для снижения доз облучения населения в помещениях, создаваемых долгоживущими радионуклидами 226Ra, 232Th,40 K;                                                - результаты внедрения.                

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Естественные радионуклиды (ЕРН), находящиеся в объектах внешней среды, являются основными источниками облучения населения. Их излучение создает естественный радиационный фон, а доза облучения практически всеми компонентами естественного радиационного фона зависит от деятельности людей. Эти компоненты получили название - технологически усиленный фон (ТУФ). Компоненты ТУФ подлежат нормированию и контролю наравне с искусственными радионуклидами.

Особенностью многих компонентов ТУФ является то, что при относительно небольших индивидуальных дозах облучения они воздействуют на большие контингенты людей        и за счет этого создают значительный вклад в коллективную дозу облучения населения. Поскольку согласно современным представлениям последствия облучения определяются величиной коллективной дозы, то значимость этих компонентов ТУФ необходимо оценивать по их вкладу в коллективную дозу.

ЕРН могут обуславливать облучение людей, как в производственной, так и в коммунальной сферах. В коммунальной сфере существенную радиационную опасность могут представлять радон и его дочерние продукты распада, находящиеся в воздухе подземных сооружений. В процессе переработки минерального сырья может происходить концентрирование ЕРН в конечном или промежуточном продуктах, а также в отходах производства. Такие производства могут явиться поставщиками продуктов с повышенной радиационной опасностью.

  В коммунальной сфере доза внешнего облучения людей гамма - излучением в основном определяется концентрацией ЕРН в строительных материалах, использованных для строительства зданий. Концентрация радона и его дочерних продуктов в воздухе определяется эксхаляцией из стен и перекрытий, а также эманированием из подстилающего грунта под зданием. На концентрацию радона в воздухе помещений влияют факторы, которые можно разделить на относительные (местонахождение, время года и суток, высота над уровнем земли, метеорологические условия) и прямые, характеризующие определенное здание (вентиляция, диффузия из строительных материалов, наличие отверстий в междуэтажных перекрытиях, конвекция). Увеличение поступления ЕРН в организм человека может происходить за счет использования для питьевого водоснабжения воды подземных источников с повышенной концентрацией ЕРН.

Осуществление контроля компонентов ТУФ преследует двойную цель: ограничение индивидуальных доз и уменьшение коллективной дозы. Помимо контроля отдельных компонентов ТУФ для оценки радиационной обстановки в регионе важным является определение уровней фона гамма - излучения территорий и зданий, создаваемого ЕРН. Это позволит оценить дозы внешнего облучения населения, выявить региональные различия и аномально высокие уровни гамма - фона.

Существенным фактором опасности является наличие в регионах активных отходов гамма-излучения, образующихся в результате использования в промышленности, медицине и сельском хозяйстве мощных источников 60Co, 237Cs и 90Sr. Как правило, активные отходы указанных источников отправляются в места местного (регионального) захоронения.        

При рассмотрении влияния искусственных источников на население следует связывать это с наличием в регионе используемых источников излучения для технологических нужд в промышленности, радиологических - в

медицине и сельском хозяйстве. В Волгоградской области действует предприятие Радон, занимающееся координацией работ с такими источниками излучений. Это предприятие имеет хранилища и места захоронения активных источников, от которых должна быть надежная защита.

Общими требованиями к защитным материалам от мощных источников ионизирующих излучений являются: высокая плотность; прочность; низкая эффективная удельная активность природных радионуклидов в их составе; стойкость к агрессивным воздействиям. Поэтому к разработке новых композитных составов для защиты обращается особое внимание на компоненты (добавки, наполнители).

Эффективным фактором, влияющим на плотность и прочность при модифицировании материала является выбор метода полимеризации (химический или радиационный), т.к. на физико - химические свойства конечного изделия оказывается влияние процентное содержание свободных  (незаполимеризованных) радикалов. Этот фактор повлиял на выбор радиационного способа в производстве для защиты.

  Используя фосфатное связующие с тонкомолотыми добавками и заполнителями из отходов местной промышленности открывалась возможность получения целого ряда бетонов (в том числе и для защиты от излучения).

Проведенные исследования взаимодействия алюмохромфосфатного связующего с алюминиевой пудрой показали, сто с увеличением количества  вводимого алюминия уменьшается время начала интенсивного взаимодействия алюминия со связкой, а температура повышается.

  Таким образом, существенный вклад (до 47 - 50%) в коллективную дозу облучения населения вносят природные источники ионизирующих излучений, переносимые в жилые дома и производственные помещения строительными материалами и менее 1% -искусственные (для технологических целей), используемые в регионах (см. рис.1.)        

  Для чистой АФХС плотностью 1,5 г/см 3  время начала интенсивного взаимодействия составляет от 8 мин 11 сек до 9 мин 12 сек. При этом максимальная температура разогрева смеси составляет 110 0С, что вполне обеспечивает затвердевание изделий без применения термообработки.

На основании физико-химических исследований разработанной поризованной алюмохромфосфатной композиции установлено, что конечными

Рис.1. Основные источники ионизирующего излучения и обусловленные ими эффективные дозы, %:

1- искусственные источники (около 1 %);

2- космическое излучение (8-12 %);

3- внутреннее облучение (10-12%);

4- -излучение (7-15%);

5- внутреннее и внешнее облучение от строительных материалов, радона и торона в помещении и из грунта (30-51%);

6- медицинские обследования (12-44%).

продуктами термических превращений после нагревания до 1000-13000С являются высокотемпературные соединения AlPO4 (кристобатилового типа); -CrPO4 и -Al2O3.

Совместно с УраНИИ стромпроект разработан жаростойкий газобетон на алюмохромфосфатном связующем (АХФС) с использованием белого электрокорунда и дисперсного алюминия. Исследования взаимодействия АХФС с алюминиевой пудрой в газобетоне плотностью 600-1000 кг/м3 позволили установить оптимальное соотношение связующего АХФС плотностью 1,5 г/см3 и 60%- ной ортофосфорной кислотой, равное 1:3 соответственно.

Последующие исследования позволили разработать составы бетона на основе АХФС с использованием шламов карбидокремниевых отходов абразивного производства и шамота, твердеющих без дополнительной термообработки. В процессе подбора составов газобетона применялся шамот с удельной поверхностью 2500-3000 см2/г. Карбидокремниевые отходы измельчались до удельной поверхности 2500 см2/г. Оптимальная концентрация ортофосфорной кислоты для получения АХФС составляет 60%. Установлено, что прочность бетона при сжатии зависит от расхода алюминиевой пудры, оптимальное количество которой составляет 5-7% от массы сухих компонентов сырьевой смеси, и совершенно не зависит от количества добавки шамота.

Расход АХФС подбирался с учетом реологических свойств свежеприготовленной смеси. Сырьевая масса при этом имела оптимальную температуру саморазогрева, необходимую для последующего затвердевания и

получения образцов бетона со средней плотностью 400-1000 кг/м3. При нагреве образцов до температуры 8000 С  прочность бетона на сжатие не изменялась.

Максимальная прочность получена в составе, содержащем 50% шамота.

Крупность заполнителя 0-5мм оказывает положительное влияние на

прочность при сжатии и термостойкость бетона (см. рис. 2).

Средняя плотность газобетона на А-600 кг/м3; Б-800 кг/м3; В-1000 кг/м3

_ _ _ _ _ _ _ _  прочность при сжатии после нагрева до 10000С;

____________  термостойкость.

Рис. 2. Прочность и термостойкость газобетона на основе шамота с тонкомолотыми и крупностью 0-5 мм карбидо-кремниевыми отходами (1:2)

Составы бетонов, использованных при проведении исследований, приведены в табл.1. 

  Таблица 1. 

Составы бетонов

№

сос-

тавов

Средняя

плотность,

кг/м3

Расход материалов на 1м3, кг.

Тонкомолотый

шлам карбида

кремния

Заполнитель

из карбида кремния -5мм

Шамотный наполнитель

Пудра алюмини-евая

АХФС

  1

  400

147,6

  -

  147,6

  26,0

160,3

  2

600

209,2

  - 

  209,2

  23,0

239,8

  3

800

289,7

  -

  289,7

  20,3

286,5

  4

600

  118,4

  236,8

  118,4

  25,5

189,2

  5

800

  149,8

  306,6

  149,8

  23,3

257,4

  6

  1000

  189,1

  378,2

  189,1

  19,8

305,6

  7

  1800

-

  612,0

1220,0

  -

305,0

Результатами исследований (табл.2.) установлено, что изменение прочности для всех составов имеет преимущественно одинаковый характер. Это обусловлено идентичностью фазовых превращений. Однако в процессе сушки большой прирост прочности зарегистрирован в составе 7 бетона с повышенной плотностью. В процессе взаимодействия связующего с алюминиевой пудрой интенсивность разогрева смеси зависит от ее содержания. Поэтому в процессе твердения менее плотные составы имеют большее количество фазовых превращений, и следовательно, средняя плотность снижается менее интенсивно. У образцов с составом 7, где отсутствует алюминиевая пудра, плотность повышается.

Таблица 2.

Физико-химические свойства разработанных жаростойких бетонов

№

п/п

Свойства

Составы

1

2

  3

4

5

6

  7

  1

Средняя плотность,

кг/м3

  400

  600

800

600

800

1000

1800

  2

Предел прочности при сжатии:

- через 4 часа, МПа

-после сушки, МПа

- после нагрева до макс. температуры применения, МПа

0,71

0,92

0,94

2,29

2,74

2,97

1,86

3,60

3,91

1,74

2,16

2,26

2,31

2,49

3,02

3,01

4,07

5,10

6,81

24,2

1,12

  3

Температурная усадка, (t0- max), %

-0,49

-0,22

-0,1

-0,28

-0,15

+0,08

-

  4

Остаточная прочность при 8000С,%

160

170

220

114

168

171

116

  5

Термическая стойкость при 8000С, воздушные теплосмены

35

42

47

63

75

81

28

  6

Коэффициент теплопроводности при 200С, Вт/м. град

0,13

0,14

0,16

0,18

0,21

0,26

-

  7

Огнеупорность, С0

1500

1550

1600

1600

1600

1600

800

Прочность бетона после нагрева до 2000С с добавками карбидокремниевых отходов увеличивается и практически не снижается до 14000С. До 2000С в бетоне происходит усадка, вызванная удалением кристаллизационной воды. Дегидратация сопровождается ростом прочности.

Таким образом, твердение и набор прочности при нагревании бетонов на фосфатных связующих объясняются проявлением двух основных механизмов: при низких температурах (ниже 1000С) образуются водородные связи; а с повышением температуры - полимеризация фосфатов.

Из вышеизложенного следует, что при использовании алюмохромфосфатных вяжущих, наполнителей и алюминиевой пудры получается жаростойкий бетон, а при исключении алюминиевой пудры и изменении % содержания вяжущего и добавок получается материал с более высокой плотностью, которой нами и принят за основу при радиационном модифицировании.

Первый вариант обеспечивает рынок потребителей жаростойкими бетонами, второй, при последующей технологической обработки, - бетонами для защиты персонала и населения от активных источников гамма-излучения в местах специального захоронения промышленных отходов региона.

Технология производства радиационного модифицирования сводится к следующим операциям: приготовлению сухой смеси (фосфатного связующего, наполнителей), формованию изделий, сушки исходных изделий, охлаждению, загрузке изделий в радиационный аппарат (РА), герметизации аппарата, вакуумированию РА, заполнению РА пропиточным составом, сливу остатка пропиточного состава, подаче инертного газа в РА, подаче РА с изделиями в рабочую камеру облучения, радиационной полимеризации, извлечению РА из рабочей камеры, продувке РА инертным газом, выгрузке из РА и подаче изделий на склад готовой продукции (см. рис.3). Продолжительность отдельных стадий указана в табл.3.

Таблица 3.

Ориентировочная продолжительность отдельных стадий модифицирования БПМ

Изделие

Определяющий размер, м

Продолжительность, ч.

Вакуумирование

сушка 0С

пропитка при давлении, МПа

Полимеризация (при МПД 0,25 Гр/с)

120

200

0,098

0,39

Плита

Толщина 0,05

Толщина 0,1

Толщина 0,5

0,3

0,4

1,0

24

96

120

8

30

70

3

12

16

2

2

3

12

13

20

Введение в бетон большого количества метилметакрилата (до~6% по массе) значительно улучшает свойства готового изделия (табл. 4).

Приведенные данные показывают, что физико-химические свойства улучшились и отвечают требованиям защитных материалов от мощных и активных источников гамма-излучения.

  Для комбината Радон Волгоградской области в отведенных местах захоронения необходима защита бункеров с активными отходами (защита от гамма-эквивалент 60Co до 65 мг.экв.Ra) на расстоянии R=0,5м. В соответствии НРБ-99 и принятом методе расчета при плотности материала 2,4 г/см3 толщина плит должна быть 40 см.

БПМ могут быть применены также в производстве канализационных колодцев, труб, перекрытии мостов, дорожном строительстве.

  Таблица 4.

  Основные физико-химические свойства бетонов

Свойства

Бетон

БПМ

Плтность, кг/м3

Предел прочности, МПа

при сжатии

при растяжении

при изгибе

Модуль упругости при сжатии, 104, МПа

Коэффициент линейного расширения, 106, см

Предельный коэффициент водопоглащения (массовая доля),%

Водопроницаемость при Р=0,3 МПа, г в течении 1ч.

Морозостойкость, цикл

Предел прочности при сжатии, МПа:

до воздействия

после воздействия 20%-ных кислот при 600С

в течение 24 ч

HCl

NaOH

HNO3

H3PO4

H2SO4

2100

24,2

1-2

4-5

2,5

7,2

14,1

173

200

24,2

-

-

-

-

-

2400

180

10-11

18-22

4,0-4,5

9,3

0

0

5000

180

104

134

141

146

150

                                                                                         

В настоящее время признано, что поглощенные дозы населения в помещениях могут быть весьма высокие и их можно уменьшить, а также избежать возникновения значительных доз при строительстве новых зданий.

Проблема радиоактивности строительных материалов рассматривается с двух взаимосвязанных точек зрения: радиационной и технологической. Первая регламентирует допустимые радиационные параметры на строительные материалы и систему контроля; вторая должна обеспечить выработку и принятие сумм технических и технологических решений, при которых эти параметры будут выдержаны, а дозы облучения окажутся настолько низкими, насколько это допустимо с учетом приемлемых технико-экономических показателей региона.

Объектами контроля должно 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. Поэтому задача радиационного контроля строительных материалов может решаться наиболее

естественно, если рассматривать радиоактивность строительных материалов как подлежащее контролю физическое свойство (как прочность, истираемость и пр.).

Трудность заключается в том, что специалисты стройиндустрии (проектировщики, технологи, строители) чрезвычайно мало информированы об этой физической характеристике строительных материалов, о концентрации радиоактивности в строительном сырье и методах их контроля, наконец, о действующих в России и за рубежом нормативных документах.

При проектировании новых зданий жилищного и общественного назначения должно быть предусмотрено, чтобы среднегодовая эквивалентная равновесная объемная активность радона и торона в воздухе помещений  АRn экв + 4,6 А Th экв        не превышала  100 Бк/м3, а мощность дозы гамма - излучения не превышала мощность дозы на открытой местности более чем на 0,2 мкЗв/ч.

В эксплуатируемых зданиях среднегодовая эквивалентная равновесная объемная активность радона и его дочерних продуктов распада (ДПР) в воздухе жилых помещений не должна превышать 200 Бк/м3  . При больших значениях необходимо проводить защитные мероприятия, направленные на снижение поступления радона и ДПР.

Для обеспечения нормальных по радиационному признаку условий в помещении, к  первому классу отнесены строительные материалы с удельной активностью не более 370 Бк/кг. Для материалов, используемых в дорожном строительстве в пределах территорий населенных пунктов и зон перспективной застройки, а также при возведении производственных сооружений установлен второй класс, у которого  удельная активность не должна превышать 740 Бк/кг. А для материалов, используемых в дорожном строительстве вне населенных пунктах установлен третий класс с удельной активностью не более 1,5 кБк/кг.

Существующая практика производства строительных материалов складывалась с учетом их стоимости. Поэтому учет дополнительного критерия - степени радиационного воздействия на человека  приведет к определенному повышению стоимости производства строительных материалов. Учет соотношения польза - вред при решении целесообразности проведения технологических мероприятий (изменение температуры, длительность обработки материалов и др.) при переработке строительного сырья с повышенной концентрацией ЕРН, является актуальной задачей.

Проведение мероприятий, ведущих к уменьшению ущерба здоровья населения целесообразна, если уменьшение ущерба будет не менее стоимости этих мероприятий, а свойства материалов останутся прежними, либо будут улучшаться.        

С целью реализации задач исследований создан первый (среди ВУЗов строительного профиля) региональных центр радиационного контроля строительных материалов, территорий, зданий и сооружений, обеспечивающий не только определение удельных активностей ЕРН, объемных активностей радона, мощностей доз, но и подготовку кадров в области радиационного контроля в стройиндустрии.

Горные породы в Волгоградской области, разрабатываемые для нужд стройиндустрии, представлены исключительны

       В основном все обследованные нами материалы относятся к 1 классу, т.е. могут использоваться в жилищном и гражданском строительстве.

Анализ радиоактивности отдельных видов строительных материалов показал, что наиболее высокие А ЭФФ  характерны для пород вулканического происхождения (гранит, пемза), а также в некоторых карьерах для глины; наиболее низкие - для карбонатных пород (известняк, мрамор). Песок и гравий, как правило, имеют удельную активность ЕРН, близкую к средней для почв или земной коры.

Особый интерес представляют материалы, изготовляемые из отходов промышленности. Безотходная технология стимулирует использование отходов промышленности для производства строительных материалов. Такая практика способствует сохранению окружающей среды, природных ресурсов, предотвращает загрязнение земной поверхности, рек, а также сокращает расходы на производство стройматериалов. Эффективная удельная активность в отходах промышленности соответствует повышенным значениям ЕРН в материалах, получаемых в карьерах или путем традиционной переработки. 

Исследования удельных активностей ЕРН в отходах промышленности, используемых для производства строительных материалов, показали более высокие значения у золошлаковых отходов и фосфогипса.

Рис. 4. Карта распределений Аэфф почв, месторождений и средних плотностей потока активности радона в  Волгоградской области: 1-карбонатные породы (известняк, доломит); 2- мел; 3- песчаники; 4- пески; 5- кирпичное сырье; 6- керамзитовое сырье.

Поэтому рекомендовано производителям  строительных материалов использовать эти отходы промышленности с ограниченным дозированием в составах с целью снижения активности ЕРН. Шламы карбидокремниевых местных отходов абразивного производства имеют А ЭФФ около 300 Бк/кг, т. е. сырье 1 класса.

Исследовано влияние тепловой обработки строительного сырья на изменение радиационной активности материалов.

Скорость эксхаляции радона из строительных материалов и конструкций (стен и перекрытий) зависит от произведения удельной активности 226Ra(Бк/кг) на коэффициент эманирования радона (, % ), которое названо эффективной удельной активностью  226Ra(АRa , Бк/кг), а также от длинны диффузии 222Rn в строительных материалах.

Проведенное исследование большого числа образцов строительных материалов (около 1600 образцов) по Волгоградской обл. позволило получить частотное распределение материалов по эффективной удельной активности (рис.5).

       

Рис. 5. Частное распределение Аэфф ЕРН в минеральном строительном сырье в России (1) и Волгоградской области (2)

Экспериментально коэффициенты эманирования  222Rn определялись в разных странах для бетона и кирпича. Это связанно с тем, что эти материалы являются основаниями зданий и перекрытий. Как показали исследования, необходимо учитывать особенности месторождения минералов по активности 226Ra, конкретный регион, технологию и др. особенности, влияющие в итоге на объемную активность радона.

Исследования удельной активности, эффективной удельной активности, коэффициента эманирования строительного сырья, материалов и почвы (см. табл.5) показали, что АRa почти во всех строительных материалах ниже, чем в почве. Этим, в основном, объясняется эксхаляция 222Rn  из подстилающей почвы в одноэтажных зданиях и первых этажах многоэтажных зданий. Исключение составляют глины, у которых наблюдается высокая удельная активность 226Ra. При таких значениях можно ожидать высокие скорости эксхаляции 222Rn из стен помещения, построенных из необожженного глиняного кирпича (самана). Строительный гипс имеет почти в 10 раз меньшую эффективную удельную активность по сравнению с бетоном. Это значит, что гипсовые перегородки должны вносить небольшой вклад в суммарное поступление 222Rn  в воздух помещений.

Таблица 5.

Среднее значение эффективной удельной активности 226Ra, коэффициента эманирования строительных материалов и почв Волгоградской области

Материал

Число исследованных образцов

АRa,Бк/кг

, %

АRa , Бк/кг

Глина

107

23,2

37,6

8,7

Песчаник

86

23,8

30

7,1

Почва

32

36

18,8

6,8

Песок

10

9,7

66,6

6,5

Цемент

20

18,8

33,8

6,4

Известняк

52

23

28,8

6,3

Известь

10

76,4

6,6

5

Гипс

18

18,4

1,3

0,24

Алюмохромфосфатное

вяжущее

43

32,4

19,1

6,2

  Исследованиями установлено, что изменение коэффициента  эманирования обусловлено процессами преобразования кристал- ических решеток минералов, составляющих материал. С целью выявления закономерностей, определяющих изменение под воздействием тепловой обработки, проводилось исследование радиационных характеристик ряда видов строительного сырья. В качестве критерия отбора материалов для исследований было взято значение температур тепловой обработки материала. В связи с этим исследуемые материалы были разбиты на группы. Первая - сырьевые материалы, подвергающиеся в процессе переработки в строительные материалы при воздействии высоких температур (до 14500С) - обжигу, спеканию, сплавлению. Вторая группа - материалы, подвергающиеся обработке при более низких температурах (до 2000С) - пропариванию. Третья группа - материалы, не подвергающиеся температурной обработке.

Для первой группы материалов был принят шаг исследований 1500С. Это объясняется достаточностью данных в широком диапазоне обжига. Вторая группа  - сырьевые материалы, подвергающиеся в процессе переработки в строительные материалы тепловой обработке при воздействии сравнительно низких температур методом пропаривания, запаривания и т.д.(производство бетонных, силикатных изделий, гипсового камня). Для этой группы материалов шагом исследований был принят температурный интервал 100С, что обусловлено малым температурным интервалом переработки сырья(0-950С-для бетона; 0-2000С-для силикатных изделий и гипсового камня).

В процессе тепловой обработки происходят изменения массы пробы, и АRA ЭФФ (рис.6, 7).

Рис.6. Изменение m,   и  АRа глины Красноармейского месторождения на различных стадиях обжига

Рис.7. Изменения    и  АRа : а) силикатного кирпича, в) бетона класса В-15

В интервале температур 0 - 200С выгорают органические и карбонатные примеси; при температурах 300 - 750С происходит дегидратация глинистых минералов; а при 750С и более с появлением жидкой стеклофазы -  происходит растворение некоторых минеральных компонентов и новое минералообразование.

Первоначальное изменение  коэффициента эманирования объясняется процессом  пробоподготовки материала (дробление с выделением фракции 0 - 5мм). Удаление физической воды и выгорание органических примесей в процессе обжига вызывает изменение первоначальной насыпной плотности и удельной поверхности материала. Поэтому изменения при 0 - 200С зависит и определяется количеством физически связанной воды, удаленной в процессе нагрева и степенью увеличения удельной поверхности материала.

Предварительное прокаливание материалов в интервале температур 300 - 400С вызывает значительные изменения коэффициента эманирования, связанные с ликвидацией некоторых нарушений кристаллической решетки материалов, выгоранием органических примесей и изменением массы исследуемого материала.

В интервале температур 400 - 700С значительно повышается и АRa эфф , а затем происходит некоторая их стабилизация. Резкое увеличение этих характеристик происходит в результате процесса начала разрушения кристаллической решетки.

При увеличении температуры обжига свыше 700С начинаются процессы активного испарения природных минералов, содержащих в составе 226Ra, в связи с этим при температурах выше 1200С происходит резкое уменьшение и АRa эфф. Это объясняется тем, что обжиг при столь высоких температурах ведет к разрушению первоначальной кристаллической решетки, появлению жидкой стеклофазы обжигаемого материала и перекристаллизация ее в новообразование. Этот процесс преобладает над процессом выделения 222Rn при увеличении стекловидной и аморфной фазы в материале. Как следствие этого, природные материалы, содержащие радий, прочно герметизируются в новых агрегатах. Образование оплавленной поверхности препятствует выделению эманаций в поры материала и уменьшает и АRa эфф, то есть происходит перераспределение атомов 222Rn в материале.

У материалов второй группы (обработка до 200С) и АRa эфф при тепловой обработке изменяются незначительно. Установлено, что для материалов, изготовляемых с использованием тепловой обработки (бетон, силикатный кирпич и др.) характерно увеличение и АRa эфф  на 15 - 20%. Это объясняется связыванием воды (для которой на 10 - 20% выше, чем для воздуха) в новообразованиях. Исключение составляет гипсовый камень, у которого уменьшение объясняется процессами диссоциации этого минерала.

Установлено, что коэффициент эманирования при повторном нагревании остается неизменным для горных пород, не потерпевших резких изменений в технологическом процессе.

Из вышеизложенного следует, что для первой группы строительных материалов снижение эффективной эквивалентной дозы целесообразно регулировать температурным режимом в производстве (не изменяя качества материалов).

Помимо осуществления радиационного  контроля на стадии добычи сырья и производства строительных материалов, в целях защиты населения от влияния  природных радионуклидов должны проверяться территории, отведенные под строительство, а также здания и сооружения.

Выбор земельных участков под строительство должен осуществляться с учетом эманации радона из почвы и гамма-фона территории, а в эксплуатируемых зданиях исследуется объемная активность радона и мощность дозы помещений. контроля районов территории приведены на рисунке 4 и находятся в пределах 50-80 нГр/ч (рис. 8). Результаты исследований излучений в жилых помещениях приведены в табл.6 и на рис.8.

Рис. 8. Гистограмма усредненных значений МПД -излучения жилплощади (%) в г. Волгограде: 1-панельные; 2- из силикатного кирпича; 3- из керамического кирпича; 4- деревянные и др.

Таблица 6.

Мощности поглощенной дозы гамма-излучения в знаниях

г. Волгограда

Число жителей в домах из данного материала

Число

измерений, число домов 

Материал

здания

МПД, нГр/ч

Усредненные значения годовой

эквивалентной

дозы населения, мкЗв

средняя

диапазон  вариаций

  96000

483/16

Из керами-ческого кирпича

58

28-158

565

  258000

  390/83

Из силикат-ного кирпича

81

35-189

608

301000

  443/18

Панельные

218

87-543

1987

11200

  487/26

Из дерева

40,5

8-69

354

18000

237/6

Из бетона

186

71-418

1768

На улицах Волгограда средняя МПД составляет около 76 нГр/ч.

Все измеренные значения не превышают допустимого уровня мощности дозы. Среднее значение МПД гамма-излучения во всех проверенных зданиях составляет от 43 до 296, на улицах примерно 70-90, в садах и парках (на открытой  местности, в лесу) примерно 52 нГр/ч. В местах залегания коренных пород, где ведутся работы по добыче основного сырья строительных материалов, мощность дозы колеблется от 348 до 870 нГр/ч на поверхности, а на глубине 3-5м - 1740 нГр/ч. 

Исследованные плотности потока радона и ДПР из почвы в Волгоградской области (см. рис.4) находятся в пределах 2-64мБк/(м2с).

Из 168 измерений на участках, проведенных в Волгоградской области, более 80% значений  относятся ко 2 категории радиоопасности.

Проведенные исследования объемной активности радона в жилищном фонде (табл.7) показали в отдельных  зданиях превышение нормативных величин.

Таблица 7.

Показатели объемной активности  222Rn и ДПР на первых этажах  жилищного фонда г. Волгограда

Материал здания

Число

измерений

Среднее значение  Бк/м3

Диапазон

вариаций

Силикатный кирпич

12

33.9

7.9-72.4

Панельный

84

25.8

9.1-76.5

Железобетон

19

31.8

  23.2-94.5

Керамический кирпич

16

31.4

9.7-71.0

Блочный

21

38.5

  15.2-97.4

Дерево

22

39.5

  11.2-96.0

Установлено, что в современных зданиях, при применении бетонных плит перекрытия, эксхаляция радона в основном наблюдается из строительных материалов; при трехкратном воздухообмене летом и однократном зимой - в помещениях, построенных из одинаковых строительных материалов, равновесная объемная активность радона остается постоянной с диапазоном вариаций 8-25%.

Экранирование радона из стен, потолка и пола в помещении можно осуществить любым тонким строительным материалом (обои, краски и др.).

Одним из главных и существенных мероприятий снижения активности 222Rn и ДПР является отказ от использования в строительстве материалов с аномально высокой АRa.

Для снижения скорости поступления радона из почвы под зданием в воздухе жилых помещений первых этажей необходимо установить вентиляцию подвального пространства и осуществить герметизацию пола. Другим методом эта проблема в городах может быть решена при организации преграды выходящих потоков воздуха их подвалов - путем установления на нижних этажах лестничных площадок дополнительных дверей и тамбуров.

Теория снижения мощности дозы гамма-фона в помещениях основана на применении  законов ионизации среды заряженными частицами различной природы. В результате взаимодействия с атомами среды, движущийся заряд постепенно теряет свою энергию на возбуждение и ионизацию атомов этой среды и на излучение при торможении. Количественные результаты зависят как от свойств среды защиты (плотность, атомный номер), так и от природы движущийся частицы (энергия, заряд, масса). Поэтому для частиц с начальной кинетической энергией применена формула Бете:

, (1)

где - - среднее значение ионизационных потерь на сантиметр

n - число частиц в 1см3 среды; I(Z)=13,5Z - средний ионизационный потенциал атомов среды в электрон-вольтах; - вероятность рассеяния быстрых частиц.

- зависит от радона вещества. Число частиц n связано с чилом

Авогадро L0, атомным номером Z и атомным весом А, поэтому

n =

L0Z

, (2)

А

где - L0/A - число атомов на грамм вещества, L0/A - число атомов на см3, -

плотность вещества. Очевидно, что ионизационные потери

dE

ион  -

dx

пропорциональны величинам ионов Z/А. Если рассматривать слои различных веществ (материалов) разной толщины, но равной массы, то ионизационные потери будут пропорциональны отношению Z/A, т.е. будут падать по мере уменьшения этого отношения к концу системы Менделеева. Логарифмическая зависимость от Z будет сказываться мало.

Таким образом, экранирование в помещение можно осуществить подбором материалов с низкой эффективной удельной активностью (например, 3 Аэфф материала защиты должно быть Аэфф материала стен и перекрытий), высокой плотностью при принятой кратности ослабления.

Для решения практических задач снижения гамма-фона в помещении определяется радиационная обстановка (мощность дозы, годовая доза и др.), измеряется мощность экспозиционной дозы (Р):

Р =

М8,4

, Р/ч, (3)

R2

где М - гамма-эквивалент источника, мгэкв Ra; 8,4 - гамма-постянная Ra в равновесии с дочерними продуктами; R - расстояние от источника - плоскости стены, пола и потолка до точки детектирования, см. При необходимости рассчитывается экспозиционная доза (Dэ):

Dэ =

М8,4t

, Р,  (4)

R2

где t - время детектирования, ч. Выбор строительного материала и оценка толщины защитного слоя осуществляется в зависимости от плотности материалов, Аэфф и рассчитывается по табл.8.

Таблица 8. 

Значение толщины защитного материала (см) при заданной кратности ослабления и плотности () выбранного материала

Кратность

ослабления

Расчетные значения  толщины и коэффициентов

Кратность

ослабления

Расчетные  значения толщины и коэффициентов

0,1

1,72-0,9

1,0

20-6,4

0,2

3,5-0,9

1,5

29,7-9,1

0,3

5,5-1,6

2,0

44,9-18,4

0,4

7,8-2,3

5,0

89,9-36,4

0,5

9,7-2,9

10

118,2-51,2

0,6

11,7-3,5

20

147,5-63,1

0,7

14,0-4,3

50

189,6-76,4

0,8

15,4-4,7

100

206,4-79,8

0,9

18,1-5,6

200

234,5-87,4

Так как в условиях нашей задачи усредненная мощность экспозиционной дозы создается шестью плоскими источниками, формула для расчета поля излучения источника такой геометрической формы состоит из шести i-функций и описывается в виде (см. рис.9):

,(5)

i=А8,4(m;n;a), (6)

где n=h/l; m=l/b; а - толщина защиты; S - полный выход частиц из плоского источника в телесный угол 4.

  Рис.9. Схема плоского источника излучения (S), защитного материала с толщиной (а) и расстоянием b) до точки детектирования (А) к формулам (5) и (6).

Если А - активность выражена в Бк, расстояние (b) - в м, а гамма - постоянная в мкРм2/(сБк), то мощность дозиметрической величины выражается в мкР/с.

Суммарное значение измеренной величины соответствует значению сумм.=6i с точностью 15%. Диапазон показателей активности изменяется в помещении в пределах 1610-6 г-экв. Ra, т.е. ничтожно мало.

Окончательный расчет толщины защитных материалов сводится к определению 1/6 значения по табл.8 при конкретной кратности ослабления и выбранного материала. Аэфф учитывается для определения расчетного значения МЭД при установлении защитного материала.

Расчетные коэффициенты МЭД с учетом Аэфф. защитных материалов:

Аэфф, Бк/кг 15  20 25  30  35  40  45  50  55  60

К пересчета 1,04 1,05  1,07 1,08 1,09 1,11 1,12 1,13 1,15 1,16

К материалам с высокой плотностью относятся бетоны, стекло, граниты, тяжелые камни и др. Однако все эти материалы имеют большую эффективную удельную активность (более 200Бк/кг). Стекло имеет сравнительно низкую Аэфф  (~40-60 Бк/кг), но этот материал по своим физическим свойствам не может быть универсальным отделочным, а тем более, конструкционным материалом в зданиях.

Исследованы группы полимерных материалов, выполненных по разным технологиям. Эти материалы обладают рядом универсальных свойств, их плотности могут быть в пределах от 10 до 2100 кг/м3, а эффективные удельные активности не превышают 30 Бк/кг.

Преимуществом обладают материалы, выполненные радиационноЦхимическим способом (полная степень полимеризации связующего, использование наполнения до 85%, высокая плотность материала). Эти материалы (табл.9) могут быть конкурентоспособными для использования в помещениях как отделочные с целью снижения мощности доз. Эффективные удельные активности внедренных в производство материалов в 10-15 раз ниже традиционных строительных материалов. Испытание материалов в помещении показали снижение МПД в 6 раз.

По разработанной методике  выполнены расчеты частей проектов на строительство зданий в Волгоградской области. Практическая проверка расчетов показала отличные результаты при завершении строительства зданий. Таким образом, методические приемы расчета защитных средств могут быть достаточно широко использованы в практике.

юбое ограничение облучения населения может распространяться только на те источники излучения, для которых возможно влияние человека на создаваемую им дозу (принцип контролируемости облучения). Полная защита от ионизирующего излучения может быть достигнута только в том , если доза от всех источников будет равна нулю, а это невозможно при любых разумных затратах. Поэтому требование защиты любой ценой бессмысленно. Во многих видах человеческой деятельности расходы на защитные мероприятия ограничиваются разумными пределами случая.

  Таблица 9.

Основные характеристики материалов, полученных с использованием

радиационной технологии для снижения гамма-фона помещений

Характеристика

Радиационно-

модифицированные

Многоцветные плитки с

радиационно-отверждаемым

аковым покрытием

волокнистые

плиты

мраморовидные

гипсополимер-

ные плиты

на основе тер-мопластов с

наполнителем

(20:80)

на основе ре-актопластов с наполните-лем (20:80)

Размеры (длина,

ширина, толщина),

мм

2500x1200x4-20

600x600x10-15

400x600x3

200x300x3

400x600x3

200x300x3

Плотность, кг/м3

1100-1200

1800-2100

2000-2100

1900-2000

Содержание

полимера, %

18-25

10-15

15-20

15-20

Пределы

прочности:

при изгибе,МПа

при сжатии, МПа

40-45

100-120

25-35

60-100

40-45

-

15-20

-

Степень

истираемости, г/см2

0,04

0,05-0,1

-

-

Эффективная

удельная

активность, Бк/кг

6,4-8,8

1,8-5,4

18,4-20,2

18,4-20,2

Важнейшим параметром, придающим количественный характер оценкам, является значение максимально оправданных затрат для снижения эффективной эквивалентной дозы на 1 челЗв. Эти оценки лежат в диапазоне от 100 до 100000 дол. США на 1 челЗв. С экономической точки зрения выделяются две категории ситуаций облучения - существующие и будущие. Ограничения облучения для будущих ситуаций должны быть более жесткими, поскольку стоимость их реализации ниже. Например, стоимость снижения мощности дозы от ЕРН в построенных домах значительно выше по сравнению с тем, когда решается задача об использовании месторождений материалов для новых зданий. В первом случае защитными мероприятиями может быть: отказ от использования уже построенного здания или изъятие из него конкретных элементов, содержащих повышенные активности ЕРН. Во втором случае речь идет о затратах на добываемые или альтернативные материалы.

Замена строительного материала с повышенным радоновыделением и удельной активностью на альтернативный (подвергшийся дополнительной переработке), но с низким радоновыделением и Аэфф является целесообразной, если уменьшение ущерба здоровью населения в результате такой замены будет не меньше стоимости этой замены.

  Разница в стоимости этих материалов должна быть меньше эквивалента 1 челЗв, дол/челЗв. Выполнены расчеты (табл.10) по каждому виду сырья, применяемого в строительных материалах для строительства жилья в Волгограде. Из таблицы видно, что в зависимости от строительного материала денежный эквивалент находится в пределах от 181 до 2511 дол/(челЗв).

Установлено также, что денежный эквивалент с учетом радиационной безопасности зависят в основном от разности удельных активностей ЕРН в строительных материалах. С уменьшением этой разницы уменьшается стоимость замены (дол/т) материалов и возрастает денежный эквивалент.

  Таблица 10

Значение денежного эквивалента по основным видам

строительных материалов в г. Волгограда

Строителный

материал

Население

(N),

  тыс.чел.

(Аэфф0-

Аэфф1),

Бк/кг

Стоимость

замены,

дол/т

Годовая

эфф.эквив.

доза,

мкЗв/год

Денежный 

эквивалент

дол/(челЗв)

млн.дол/

(челЗв)

Керамический

кирпич

96

89

0,85

565

1496

143,7

Глина

-

40

0,38

189

2011

193,1

Силикатный

кирпич

258

12

0,11

608

187

48,4

Панели

301

43

0,41

1987

206

61,8

Основные выводы и заключения по работе

1.Решена новая задача, имеющая существенное практическое значение Ц  по защите от активных источников гамма-излучений и снижению влияния активности естественных радионуклидов строительных материалов на радиационную безопасность населения, выполненная в развитие закона РФ О радиационной безопасности населения и Постановления Правительства №149 от 22.02.2000г в виде комплекса научных и организационных работ по созданию новых защитных материалов и методов  снижения гамма-фона и радиационному контролю в строительной индустрии.

  2.Создан первый региональный центр радиационного контроля в стройиндустрии среди строительных ВУЗов РФ, обеспечивающий сертификацию удельных активностей минералов, строительных материалов, объемных активностей радона, мощностей доз и подготовку кадров в области радиационных исследований и диагностики в строительных комплексах.

  3.На основе отходов техногенного абразивного производства и радиационной технологии впервые разработаны и внедрены жаростойкие бетоны и эффективные защитные материалы с низкой удельной активностью (менее 30Бк/кг) для защиты от активных источников гамма - излучения .

  4.Впервые проведены широкомасштабные радиационные исследования (более 15 тысяч измерений) территорий, минерального сырья, строительных материалов и помещений Волгоградской области.

5.Установлена зависимость распределения эффективных удельных активностей ЕРН минералов, строительных материалов и радиационных характеристик помещений от геологического строения систем территорий. Концентрация эффективных удельных активностей минералов находится в основном в пределах 1 класса

6. Установлена закономерность изменения эффективной удельной активности радия и коэффициента эманирования от тепловой обработки материалов: всем материалам свойственно повышение АRaэфф и в интервале температур 90-750С, а обжиг в интервале 900-1500С приводит к резкому снижению их. Установлено также, что этот процесс является необратимым.

7. Получены  жаростойкие бетоны на фосфатном техногенного производства, позволяющие использовать в высокотемпературных печах, а так же (после радиационного модифицирования) - в радиоактивных высокотемпературных объектах, как защитные материалы.

8.Установлена закономерность дополнительного вклада в гамма-фон помещений от компонентов местного техногенного  сырья, используемого в строительных материалах, влияющего на усредненные годовые эквивалентные дозы облучения населения. Частотным распределением эффективных удельных активностей в строительном сырье и материалах установлено, что население Волгоградской области подвергается большому облучению от строительных материалов с удельной активностью в пределах до 200Бк/кг.

9.Составлены карты радиационных характеристик месторождений исследований области и районов, позволяющие ориентироваться производителям строительных материалов в использовании сырьевых материалов.

10.Получены районированные данные плотностей потока радона из почв исследованных территорий под застройку новых зданий. Установлено, что их значение в Волгоградской области в 80% относится ко второй, а некоторые к третьей категории радоноопасности. Полученные результаты исследований объемных активностей радона помещений позволили установить законномерность: формирование объемных активностей 222Rn в первых этажах зданий происходит за счет эксхаляции из подстилающих почв; в зданиях, построенных на твердых породах, при слабых герметичных  перекрытиях первых этажей и недостаточной вентиляции помещений концентрация выше. В современных зданиях, при применении бетонных плит перекрытия, эксхаляция  222Rn в основном наблюдается из строительных материалов. Предложены решения снижения радона в воздухе жилых помещений.

11. Разработаны теоретические положения снижения гамма-фона в помещениях, основанные на определении мощности дозы (активности) источника излучения в виде замкнутой системы из 6 плоскостей, расчете толщины экранов (материалов) с низкой эффективной удельной активностью и высокой плотностью.

12.Получены и внедрены защитные радиационно-модифицированные отделочные материалы с высокой плотностью и низкими эффективными удельными активностями (менее 30 Бк/кг) для снижения гамма-фона в помещениях, создаваемого долгоживущими радионуклидами 226Ra,232Th,40K.

Внедрение в производство защитных материалов осуществлено на предприятиях Волгоградской области.

13.Разработан методический материал и справочник для использования в стройиндустрии с целью ограничения облучения населения в регионах. Изданы Нормы допустимых уровней гамма-излучения, радона на участках застройки и отбора проб (Постановление Администрации области №668 от 08.12.97.). Рекомендована в программу обучения студентов технических ВУЗов России новая дисциплина Высокие технологии с использованием источников ионизирующих излучений в промышленности для подготовки инженеров.        

14.        Выполнены расчеты денежного эквивалента (дол/(чел.Зв)) в зависимости от удельных активностей ЕРН строительных материалов. Установлено, что с уменьшением разности удельных активностей ЕРН материалов уменьшается стоимость их замены и возрастает денежный эквивалент.

  15.Предложены методы управления радиационным контролем в стройиндустрии региона, сниженная  радиационных фоновых нагрузок населения от природных источников, основанных на анализе существующей структуры региона, результатов работы Центра радиационного контроля, передаче информации департаменту строительства, природных ресурсов, Центру лицензирования строительства на принятие технических и технологических решений на всех стадиях производства строительного комплекса.

Основные положения и результаты исследований диссертации опубликованы в 47 работах, в том числе.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Стефаненко И.В. Источники излучений, используемые в производстве строительных материалов. Волгоград: Вестник ВолгГАСУ, 2006, №4(20),

с.12-18

2.Стефаненко И.В. Радиационные установки для производства технологических процессов. Волгоград: Вестник, ВолгГАСУ, сер. Естественные науки , 2007г., вып. 6(23), с. 159-163.

3.Стефаненко И.В., Ушаков А.В., Акчурин Т.К. Графический метод получения диаграмм упругого и диссипативного сопротивлений из восходящей ветви диаграммы деформирования. Волгоград: Вестник ВолгГАСУ, сер. Строительство и архитектура, 2009г. вып. 15(34), с. 102-105.

4.Стефаненко И.В. Перспективы развития высоких технологий в строительной области и экологии в XXI веке.  Волгоград: Вестник ВолгГАСУ, сер. Строительство  и архитектура, 2009г. вып. 14(33), с. 108-111.

5. Стефаненко И.В. Снижение радиационного фона в помещении. Волгоград,: Вестник ВолгГАСУ,сер. Строительство и архитектура, 2009 г., вып. 14(33), с. 128-131.

6.Стефаненко И.В., Козлов ЮД., Александров А.Н. Радиационные технологии модифицированных бетонов в производстве высокоэффективных строительных материалов для использования в особых условиях эксплуатации. Волгоград: Вестник ВолгГАСУ , сер. Строительство и архитектура, 2010 г. вып. 19(38), с. 76-81.

7.Стефаненко И.В.  Экономические аспекты создания производства радиационно - модифицированных строительных материалов. Волгоград: Вестник ВолгГАСУ, сер. Строительство и архитектура, 2010, вып. 19(38),

с. 89-92.

8.Стефаненко И.В. Основные радиационные процессы по переработке отходов. Волгоград: Вестник ВолгГАСУ, сер. Строительство и архитектура, 2010г. вып. 20(39), с. 99-103.

9.Стефаненко И.В. Эффективные технологии в переработке производственных и бытовых отходов. Казань: Известие КГАСУ, 2011г. вып. №2(10) с. 235-238.

10.Стефаненко И.В. Эффективный рост высоких технологий в строительной индустрии.  Строительство и реконструкция Госуниверситет - УНПК. 2011 г. № 6(38) с. 75-78.

11. Стефаненко И.В.; Ушаков А.В.; Акчурин Т.К. Результаты определения характеристик перещиностойкости жаростойкого бетона на фосфатном связующем. Строительство и реконструкция. Госуниверситет - УНПК 2011. №6 (38), с. 75-78.

Монографии, учебники, учебные пособия, справки, карты.

12. Сидельникова О.П., Стефаненко И.В. Карта распределений эффективных удельных активностей почвы, месторождений минералов и средних плотностей потоков радона Волгоградской области. Волгоград: ВолгГАСА, 1997г.(М 1:1000000).

13. .Акчурин Т.К., Потапова О.К., Стефаненко И.В. Использование сырьевых ресурсов Волгоградской области в технологии строительных материалов. Волгоград: ВолгГАСА, 1999г.-231с.

14. Стефаненко И.В., Высокие технологии в экологии и при переработке отходов в эффективные строительные материалы. Научно-аналитический обзор. Волгоград: Волгоградское научн. изд. 2005г.-143с.

15. Козлов Ю.Д., Стефаненко И.В., Ермолаева С.В. и др. Высокие технологии с использованием источников ионизирующих излучений в промышленности. Учебное пособие. М.: Энергоатомиздат, 2006г. 714с.

16. Сидельникова О.П., Стефаненко И.В., Соколов П.Э. Радиационная безопасность в зданиях. Справочник. М.: ОАО издательство Энергоатомиздат, 2006 г., 327с.

Публикации в других издательствах

17. Стефаненко И.В., Полковников Ю.Ф., Сорокина Н.Е. Организация безопасности при сооружении инженерных сетей в строительстве.// Безопасность строительства и эксплуатации зданий: межвузовский сборник научных трудов. Казань КАСА, 1990, 42-46.

18. Шевченко В.И., Абызов А.Н., Стефаненко И.В. Фосфатный газобетон.// Информ. лист ЦНТИ: Волгоград, 1997, №47-97.

19. Абызов А.Н. Шевченко В.И.,Стефаненко И.В. Жаростойкий газобетон с добавками отходов промышленности.// Информ. лист ЦНТИ: Волгоград, 1997, №50-97

20. Шевченко В.И. Абызов А.Н., Стефаненко И.В. Физико - химические процессы, протекающие в жаростойком газобетоне на алюмохром - фосфатом связующем.// Информ. лист ЦНТИ: Волгоград, 1997, №48-97.

21.Стефаненко И.В., Абызов А.Н. Шевченко В.И. Трещиностойкость и долговечность фосфатного газобетона.// Информ. лист ЦНТИ: Волгоград:  1997,  № 49-97.

22. Стефаненко И.В. Жаростойкий газобетон на алюмохромфосфатном связующем с использованием отходов абразивного производства. Автореферат канд. диссерт. Саратов, СГТУ, 1997, 25с.

23.Стефаненко И.В. Акчурин Р.Т. The problems of the industrial enterprises for power resources in Russia.// Материалы международной научно - технической

конференции. Турция, Кемер,1998, с. 184.196.

24. Акчурин Т.К. Стефаненко И.В., Перфилов В.А. Агеев Ю.С. Трещиностойкость и долговечность легкого бетона на фосфатном связующем.// Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций. Волгоград: ВолгГАСА,  Ч. I. 1998, с.26-27.

25. Стефаненко И.В. Акчурин Т.К., Хромов А.В. Перспективы освоения и технологии переработки хлоромагниевого сырья.// Сертификация, экология, энергоснабжение: материалы международной научно - технической конференции. Турция, Кемер, 1998, с. 114-119.

26. Стефаненко И.в. Фосфатный газобетон с использованием отходов Волжского абразивного завода. Материалы международной научно - технической конференции Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций . Ч. I Волгоград, 1998, с. 7-8..

27.Стефаненко И.В. Акчурин Т.К. Перфилов В.А., Агеев Ю.С. Разработка составов бетонов повышенной долговечности с использованием отходов абразивного и алюминиевого производств.// Экологическая безопасность и экономика городских и теплоэнергетических комплексов: материалы международной научно - практической конференции. Волгоград: ВолгГАСА,  1999г., с. 76-85..

28. Акчурин Т.К., Стефаненко И.В., Потапова О.К. Отходы промышленных предприятий Волгоградской области в производстве строительных материалов.// Современные проблемы строительного материаловедения: материалы V - Академических чтений РААСН. Воронеж , 1999г., 112-133.

29. Стефаненко И.В., Вишняков П.В., Комаров В.В., Козлов Ю.Д. Перспективные высокие технологии XXI века.// Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и основания фундаментов: Материалы IV Международной научно - технической конференции, ч.1. Волгоград: ВолгГАСУ. 2005, с. 48-53.

30.Стефаненко И.В. Радиационное модифицирование бетонов с использованием отходов абразивного производства. Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов. Материалы IV Международной научно - технической конференции ч.1. Волгоград: ВолгГАСУ, 2005, с. 29-33.

31.Стефаненко И.В. Снижение радиационного фона в помещении.// Региональные технологические и экономико - социальные проблемы развития строительного комплекса Волгоградской области. Наука, практика. образование. Материалы . 11 научно - технической конференции Волгоград: ВолгГАСУ, 2005 с. 5-8.

32. Ушаков А.В., Стефаненко И.В., Акчурин Т.К. Определение модуля упругости бетона по диаграммам деформирования образцов с надрезом при трехточечном изгибе. // Региональное технологические и экономико-социальные проблемы развития строительного комплекса Волгоградской области. Наука. Практика. Образование. Материалы II научно-технической конференции. Волгоград: ВолгГАСУ, 2005, с.9-15.

33. Ушаков А.В. Акчурин Т.К.. Стефаненко И.В. К вопросу возможности определения основных нормируемых показателей бетонов по значениям его поверхностной энергии. Городские агломерации на оползневых территориях: Материалы III Международной научной конференции посвящается 75-летию строит. образования в г.  Волгограде,  ВолгГАСУ 2005, Ч I , С. 23-29.

34. Ушаков А.В. Акчурин Т.К. Стефаненко И.В. Разрушение образца из бетона в испытательном прессе, снабженным жестким элементом противодавления, перемещаемым относительно стола пресса в направлении нагружения образца. Материалы III Международной научно - технической конференции , Волгоград, 2005 ,6с.

35. Стефаненко И.в. Высокие технологии в производстве эффективных строительных материалов// Форум строителей. Волгоград, 2005, 11с.

36. Стефаненко И.В., Козлов Ю.Д. Александров Е.Н. Материалы для использования в особых условиях защиты от активных источников излучений. Материалы Всероссийской научно - технической конференции Социально - экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса и жилищно - коммунального хозяйства. Волгоград, 2006, с. 138-144.

37. Стефаненко И.В. Новый тип бетона. Материалы Международной научно - практической конференции Доступное и комфортное жилье гражданам России, Волгоград 2009, с. 101-103.

38. Григорьевский В.В., Акчурин Т.К., Стефаненко И.В. Влияние нагрева жаростойкого бетона на глиноземистом цементе на изменения структурных характеристик, удельной поверхности и пористости. Международная научно - техническая конференция Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов. Волгоград, 2009, с.70-74.

39. Стефаненко И.В. Защита населения от фонового облучения. Международная научно - техническая конференция Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов. Волгоград, 2009 ч.2, с. 68-73.

40. Стефаненко И.В. Ушаков А.В., Акчурин Т.к. Выделение диаграмм упругого и диссипативного сопротивлений из восходящей ветви диаграммы деформирования графическим методом. Международная научно - техническая конференция. Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов. Волгоград, 2009 ч.2. стр.86-92.

41. Соколов П.Э., Стефаненко И.В. Оценка фактора в формировании радиационного фона зданий. Материалы  VI  Международной конференции Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов. Волгоград, 2011, с. 288-293.

Стефаненко Игорь Владимирович

Радиационно Ц модифицированные материалы и жаростойкие композиции с использованием техногенного сырья для защиты от излучении и фоновой радиации

Автореферат

на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано в печать 23.12.2011г. Формат .

Гарнитура Times New Roman. Бумага офсетная. Печать трафаретная.

Усл. Печ. Л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 120.

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет

Центр оперативной полиграфии ЦИТ,

400074, г. Волгоград, ул. Академическая, д. 1

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям