Шлаколужні бетони для дорожніх основ і покриттів, що споруджуються в умовах радіоактивного забруднення середовища

Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет

будівництва і архітектури

УДК 691.335.625.844

ШЛАКОЛУЖНІ БЕТОНИ ДЛЯ ДОРОЖНІХ ОСНОВ І ПОКРИТТІВ,

ЩО СПОРУДЖУЮТЬСЯ В УМОВАХ

РАДІОАКТИВНОГО ЗАБРУДНЕННЯ СЕРЕДОВИЩА

05.23.05 Будівельні матеріали та вироби

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Корчагін Павло Олексійович

Київ - 2005



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному науково-дослідному інституту в'яжучих речовин і матеріалів ім. В.Д. Глуховського Київського національного університету будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Кривенко Павло Васильович, Київський національний університет будівництва і архітектури, завідувач кафедри будівельних матеріалів

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор Філатов Лев Григорович, Сумський національний аграрний університет Міністерства аграрної політики України, професор кафедри архітектури та інженерних вишукувань;

- кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Дорошенко Юрій Михайлович, Національний транспортний університет, доцент кафедри дорожньо-будівельних матеріалів і хімії

Провідна установа: - Донбаська державна академія будівництва і архітектури, кафедра будівельних матеріалів, виробів та автомобільних доріг Міністерства освіти і науки України, м. Макіївка

Захист відбудеться 14.12.2005 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.05 "Підвалини і фундаменти. Будівельні матеріали та вироби" Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ, Повітрофлотський проспект, 31.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037, м. Київ, Повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розісланий 10.11.2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, к.т.н. Блажіс Г.Р.



АНОТАЦІЯ

05.23.05 будівельні матеріали та вироби, Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Київ, 2005. шлаколужний дорожній бетон покриття

В роботі теоретично обґрунтовані і експериментально доведені методи модифікування шлаколужних в'яжучих шляхом введення до їх складу комплексної мінеральної добавки на основі портландцементного клінкеру і глин різного структурного типу.

Розроблено рецептури і технологію одержання бетонів для дорожніх основ і покриттів з використанням ґрунтів різного типу. Представлено склади бетонів і технологію використання забруднених радіонуклідами ґрунтів Зони відчуження Чорнобильської АЕС для одержання дорожніх бетонів на основі модифікованих шлаколужних в'яжучих.

Результати роботи реалізовані у ВАТ „Чернігівбуд” при спорудженні ділянки основи під дорожнє покриття в Зоні відчуження і на Київському міжобласному спецкомбінаті УкрДО „Радон” при іммобілізації низькоактивних РАВ у вигляді ґрунтів.

Ключові слова: шлаколужні модифіковані в'яжучі, клінкер, глинисті мінерали, ґрунти, бетони, фізико-хімічна іммобілізація радіонуклідів.



АННОТАЦИЯ

Корчагин П.А. Шлакощелочные бетоны для дорожных основ и покрытий, сооружаемых в условиях радиоактивного загрязнения окружающей среды. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.05 строительные материалы и изделия, Киевский национальный университет строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Киев, 2005.

Работа посвящена разработке и исследованию свойств шлакощелочных бетонов для дорожных основ и покрытий, которые сооружаются в условиях радиоактивного загрязнения окружающей среды.

В работе теоретически обоснован и экспериментально подтвержден метод модифицирования шлакощелочных вяжущих путем введения комплексной минеральной добавки на основе портландцементного клинкера и глин разного структурного типа. Регулированием структуры бетона на разных иерархических уровнях путем направленного синтеза цеолитоподобных новообразований и формированием однородной плотной структуры с преобладанием замкнутых пор в искусственном камне позволяет использовать местные грунты в качестве мелких заполнителей, с обеспечением высоких физико-механических и эксплуатационных характеристик бетонов, а также химическую стойкость бетонов с иммобилизованными в них радионуклидами, характерных для Зоны отчуждения Чернобыльской АЭС.

Постановку экспериментов, их обработку и оптимизацию составов проведено с использованием математико-статистических методов, в том числе полного факторного эксперимента.

Установлена взаимосвязь между составом модифицированных шлакощелочных вяжущих и их свойствами. В бетоны на основе шлакощелочных модифицированных вяжущих можно вводить вместе с грунтом повышенное количество глины - до 34-35% мас., без значительного ухудшения физико-механических характеристик, но обязательно в присутствии добавки клинкера 3,5% . Если прочность шлакощелочного бетона без добавки составляет 46,5 МПа, то с добавкой 3,5% клинкера такую же прочность можно получить даже в присутствии 34-35% глины.

Исследовано влияние температурных условий твердения в диапазоне 10…+20^оС на физико-механические характеристики шлакощелочных бетонов. Показано, что модифицированные шлакощелочные бетоны способны достаточно интенсивно твердеть при отрицательных и низких положительных температурах.

Прочность образцов разработанного бетона, которые твердели первые 28 суток при 10^оС, а дальше при +20^оС и тех, которые твердели c самого начала при +20^оС, через 60 - 90 суток практически не отличалась друг от друга.

Стабильность характеристик прочности модифицированных шлакощелочных бетонов наблюдалась на протяжении 4 лет. В течение всего срока твердения наблюдается плавный и возрастающий набор прочности, спадов прочности не зафиксировано.

Коэффициент морозостойкости образцов бетона на основе шлакощелочных модифицированных вяжущих после 300 циклов переменного замораживания и оттаивания составлял 1,02-1,04, что подтверждает их высокую морозостойкость и позволяет рекомендовать их для использования в дорожном, гидротехническом, мелиоративном и других видах строительства.

Установлена коррозионная стойкость разработанных бетонов в растворах сульфата магния (5%), сульфата натрия (5%) и грунтовых гидрокарбонатных кальциево-натриевых водах (1%). Согласно полученным данным, можно сделать вывод об их высокой коррозионной стойкости против сульфатно-магнезиальной агрессии (К_с=1,02-1,06) и очень высокой в растворах Na₂SO₄ и CaO+NaHCO₃ (К_с=1,38-1,45).

Наличие комбинированной модифицирующей добавки позволяет снизить собственные деформации усадки разработанных бетонов по сравнению с бездобавочными шлакощелочными вяжущими на содощелочном плаве с 0,81 до 0,36-0,52 мм/м и метасиликате натрия с 1,45 до 0,57-0,74 мм/м.

Определены моменты времени, когда для улучшения физико-механических характеристик целесообразно применение повторного вибродействия. Повторная вибрация бетона в конце периода формировании коагуляционной структуры позволила повысить его прочность с 47,9 до 52,0 МПа.

Использование разработанных составов шлакощелочных вяжущих с комплексной добавкой для иммобилизации радионуклидов подтвердили их высокую эффективность по сравнению как с традиционными вяжущими системами (портландцементом), так и в сравнении с обычными шлакощелочными вяжущими без добавки. Полученные результаты подтверждают, что за счет физико-химического связывания щелочных и щелочноземельных радиоактивных элементов в нерастворимые или малорастворимые цеолитоподобные соединения обеспечивается их надежная фиксация в искусственном минералоподобном камне.

Представлены составы бетонов и технология использования загрязненных радионуклидами грунтов Зоны отчуждения для получения дорожных бетонов на основе шлакощелочных модифицированных вяжущих.

Результаты работы реализованы в условиях Зоны отчуждения Чернобыльской АЭС ОАО "Черниговстрой", при сооружении участка основы под дорожное покрытие и на Киевском межобластном спецкомбинате УкрГО "Радон".

Ключевые слова: модифицированные шлакощелочные вяжущие, клинкер, глинистые минералы, грунты, бетоны, физико-химическая иммобилизация радионуклидов.



ANNOTATION

Korchagin P. A. Slag-alkaline concrete for road bases and coverings, which are constructed in conditions of radioactive pollution of environment. - Manuscript.

The dissertation research for obtaining a scientific degree of the candidate of technical sciences in a specialty 05.23.05 - buildings materials and products. Kiev national university of construction both architecture of Ministry education and science of Ukraine; Kiev, 2005.

In work theoretically reasonable and practically opportunity of reception of effective concrete for road bases and coverings on a basis grounds and slag-alkaline binders, modified by the complex mineral additive is confirmed.

Are developed recipe and technology of reception ground-concretes for road bases and coverings on basis grounds of a different type with use slag-alkaline modified binders.

The structures of ground-concretes and technology of use polluted radionuclides grounds of Exclusion Zone Chernobyl NPP for reception of ecological road concrete on a basis slag-alkaline modified binders are submitted.

The results of work are realized in "Chernigivbud" company at a structure of a site of a basis under a road covering in an exclusion Zone and in Kiev enterprise of "Radon" at immobilization low level radioactive wastes as soils.

Key words: slag-alkaline modified binders, clinker, clay minerals, soils, soil-concrete, physic-chemical immobilization of radionuclides.



загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Проведення робіт по підготовці ЧАЕС до зняття з експлуатації, будівництво комплексу виробництв зі зберігання та захоронення радіоактивних відходів “Вектор”, підготовка до будівництва “Укриття-2”, перетворення об'єкта “Укриття” в екологічно безпечну систему, експлуатація значної кількості об'єктів різного призначення потребує розгалуженої мережі шляхів сполучення.

Транспортування в Зону відчуження великої кількості будівельних матеріалів та мінеральної сировини з інших районів України для будівництва, в т.ч. для шляхів, підвищує вартість будівництва. Разом з тим, Нормами радіаційної безпеки України (НРБУ-97) дозволяється використання для промислового і дорожнього будівництва будівельних матеріалів та будівельної мінеральної сировини з підвищеним вмістом радіонуклідів.

Регулювання структури бетону на різних рівнях шляхом направленого синтезу цеолітних новоутворень та формуванням однорідної щільної структури з переважанням мікропор відкриває нові можливості керування властивостями матеріалу і дозволяє використовувати місцеві ґрунти, як дрібні заповнювачі до бетону, впливати на підвищення фізико-механічних і експлуатаційних характеристик бетонів, які надійно локалізують радіонукліди.

Таким чином, використання радіаційно забруднених ґрунтів Зони відчуження для одержання бетонних основ і покриттів доріг може значною мірою вирішити актуальну для України проблему розширення мережі автошляхів, що споруджуються в умовах радіоактивного забруднення середовища, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Розробка спеціальних шлаколужних бетонів для дорожніх основ і покриттів з можливістю надійної іммобілізації радіоактивно забруднених ґрунтів і радіоактивних відходів проводилася в рамках державної Комплексної програми поводження з радіоактивними відходами, яка затверджувалася постановами Кабінету Міністрів України № 480 від 29.04.96, № 542 від 05.04.99 та № 2015 від 25.12.02, річних програм науково-дослідних робіт МНС України в 1998-2003 рр. та дослідно-промислових випробувань в Зоні відчуження, в яких здобувач приймав участь як виконавець.

Дисертаційна робота відповідає пріоритетним напрямкам розвитку науки і техніки України “Нові речовини і матеріали” та “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології”.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є розробка складів і технології отримання бетонів для основ і покриттів доріг з використанням радіаційно забруднених ґрунтів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

· визначити закономірності процесів структуроутворення шлаколужних в'яжучих, модифікованих комплексною мінеральною добавкою на основі глин різної структури та портландцементного клінкеру, та їх взаємозв'язок з фізико-хімічним зв'язуванням Cs-137 та Sr-90 у стабільні сполуки;

· розробити технологічні основи отримання бетонів для дорожнього будівництва, що споруджуються в умовах радіаційного забруднення середовища;

· дослідити основні фізико-механічні і спеціальні властивості розроблених матеріалів;

· здійснити випробування розроблених бетонів в промислових умовах і провести аналіз їх ефективності при дорожньому будівництві.

Об'єкт досліджень - шлаколужні модифіковані бетони для дорожнього будівництва з використанням радіаційно забруднених ґрунтів Зони відчуження.

Предмет досліджень - процес формування штучного каменю з заданими властивостями, в тому числі з низькою швидкістю вилуговування радіонуклідів.

Методи досліджень - експериментальні дослідження виконано із застосуванням диференційно-термічного і рентгенофазового аналізів, інфрачервоної спектроскопії, кондуктометричного, калориметричного і дилатометричного методів досліджень, ртутної порометрії і контракції. Стандартними методами випробувань досліджено вплив рецептурно-технологічних факторів на фізико-механічні та експлуатаційні властивості матеріалу. Дослідження швидкості вилуговування Cs-137 із зразків проведено у відповідності до вимог міжнародного стандарту ISO 6961-82 та ГОСТ 29114-91. Планування експериментів і обробку одержаних результатів проведено з застосуванням математично-статистичних методів, в тому числі повного факторного експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів:

· теоретично обґрунтована та експериментально підтверджена можливість отримання бетонів для дорожніх основ і покриттів на основі шлаколужних в'яжучих з достатніми експлуатаційними характеристиками та високою здатністю утримувати радіонукліди шляхом регулювання структури бетонів в напрямку синтезу в них цеолітоподібних новоутворень;

· розроблено методи направленого формування фазового складу та структури модифікованого шлаколужного каменю, що сприяють хімічному зв'язуванню радіонуклідів в цеолітоподібні сполуки складу поллуциту та стронцієвого шабазиту, шляхом введення до складу в'яжучої системи комплексної модифікуючої добавки на основі глин різного структурного типу та портландцементного клінкеру;

· досліджено і обґрунтовано рецептурно-технологічні параметри отримання бетонів для дорожніх основ і покриттів на основі модифікованих шлаколужних в'яжучих і ґрунтів різного типу.

Практичне значення одержаних результатів:

· розроблено шлаколужне в'яжуче, модифіковане комплексною добавкою, введення якої обумовлює направлений синтез цеолітоподібних новоутворень;

· розроблено склади модифікованих шлаколужних бетонів для дорожніх основ і покриттів з використанням радіаційно забруднених ґрунтів, що здатні надійно іммобілізувати радіонукліди, з комплексом фізико-механічних та експлуатаційних характеристик, спроможних забезпечити надійність та довговічність споруд та конструкцій на їх основі;

· виконано впровадження розроблених шлаколужних модифікованих в'яжучих і бетонів на їх основі в системі ВАТ "Чернігівбуд", на комплексі виробництв “Вектор” та на Київському МСК УкрДО "Радон" шляхом виготовлення дослідно-промислової партії бетонів з твердими радіоактивними відходами. Загальний розрахунковий річний економічний ефект від їх використання за рахунок заміни кондиційних заповнювачів на забруднені ґрунти та традиційного в'яжучого (портландцементу) на модифіковане шлаколужнне в'яжуче склав 218,5 тис. грн. при обсязі виробництва 6100 м³ бетону;

· результати роботи було враховано при формулюванні вимог до радіоактивних відходів, що підлягають захороненню в поверхневих сховищах або сховищах геологічного типу та використано при підготовці проекту закону України “Про поводження з радіоактивними відходами”.

Особистий внесок здобувача полягає в організації досліджень та безпосередній участі у їх проведенні, обробці та інтерпретації отриманих результатів, впровадженні результатів роботи у виробництво. В наукових працях, опублікованих разом з співавторами, здобувачеві особисто належить:

· встановлення закономірностей фізико-хімічного зв'язування лужних і лужноземельних радіоактивних елементів, присутніх в радіоактивних відходах, в малорозчинні або нерозчинні цеолітоподібні новоутворення шлаколужних в'яжучих [1];

· викладення концепції надійного зв'язування рідких радіоактивних відходів АЕС з реакторами ВВЕР та РБМК за технологією цементування з використанням лужних в'яжучих [2];

· розробка концепції та пропозиція локалізації радіоактивних відходів із застосуванням безконтейнерної технології з використанням комбінованих в'яжучих матеріалів на основі портладцементу та лужного алюмосилікатного в'яжучого [3];

· встановлення можливості використання ґрунтів з високим вмістом глинистих і пилуватих частинок для отримання якісних ґрунтобетонів з використанням шлаколужних в'яжучих, модифікованих комплексною добавкою [4];

· встановлення можливості використання для дорожнього будівництва низькоактивних ґрунтів Зони відчуження з надійним зв'язуванням радіонуклідів в шлаколужних ґрунтобетонах [5];

· розглянута і доведена можливість використання для дорожнього будівництва ґрунтобетонів на основі шлаколужних модифікованих в'яжучих із застосуванням таких некондиційних заповнювачів для бетонів, як ґрунти (супіски, леси, суглинки) в умовах радіаційного забруднення [6];

· детальне вивчення та узагальнення міжнародного досвіду з переробки твердих та рідких радіоактивних відходів, а також методів їх іммобілізації у матрицях різного типу для тривалого зберігання та захоронення [7];

· розробка та викладення концепції надійного зв'язування твердих радіоактивних відходів, що знаходяться у вигляді забрудненого ґрунту за технологією цементування з використанням шлаколужних в'яжучих [8];

· розробка та викладення плану довгострокових робіт по поводженню з РАВ України, як чорнобильського походження, так і відходів, що утворюються при використанні ядерних технологій і радіоактивних речовин на АЕС, промислових підприємствах, медичних та наукових установах [9];

· досліджено властивості шлаколужних бетонів для спорудження бар'єрних систем (контейнерів, сховищ, компаундів) призначених для іммобілізації радіоактивних відходів низької і середньої активності [10];

· розглянуто варіанти конструкцій сховищ, видів контейнерів та матеріалів матриць для іммобілізації РАВ, в залежності від активності та радіонуклідного складу відходів [11].

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи представлено і обговорено на міжнародних наукових конференціях: “Шлаколужні цементи і бетони”, Україна, Київ, 1999 р., "Композит-2001. Защитные композитные материалы и технологии третьего тысячелетия", Росія, Санкт-Петербург, 2001 р. та міжнародному конгресі “Creating with Concrete”, Великобританія, Шотландія, Данді, 1999 р.

Основні результати роботи були враховані при формулюванні вимог до усіх категорій радіоактивних відходів, що підлягають захороненню в поверхневих сховищах РАВ або сховищах глибинного типу, та використані при підготовці проекту закону України “Про поводження з радіоактивними відходами”.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 друкованих робіт, в тому числі - монографія - 1, в фахових наукових виданнях статей - 7 та в матеріалах наукових конференцій та семінарів - 3.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 145 сторінках друкованого тексту основної частини і містить перелік умовних позначень, вступ, п'ять розділів, висновки та включає 26 таблиць і 26 рисунків. Повний обсяг дисертації становить 193 сторінки і містить список використаних джерел із 172 найменувань та 8 додатків.

Зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовано мету досліджень, наукову новизну, практичну значимість та основні задачі, що розв'язані у роботі.

В першому розділі на основі аналізу існуючих технологій виготовлення бетонів для дорожнього будівництва з використанням традиційних матеріалів показано, що одним з шляхів одержання високоефективних бетонів, є створення оптимальних умов для процесів структуроутворення, що забезпечують активну взаємодію в зоні контакту в'яжучого і заповнювачів.

Рядом відомих дослідників показано принципову можливість і перспективність використання як заповнювачів для дорожніх бетонів спеціальним чином зв'язаних ґрунтів з одержанням на їх основі, так званих, ґрунтобетонів. Експлуатаційні характеристики таких бетонів вирішальною мірою залежать від властивостей в'яжучих матеріалів, регулюючи які можна впливати на тонкодисперсну частину ґрунту і тим самим регулювати властивості бетонів в необхідному напрямку. Ґрунти відносяться до некондиційної сировини. Використання їх (особливо лесових, як найбільш характерних для України) в традиційних портландцементних бетонах дуже обмежене і проблематичне. Це пов'язано з виникненням в контактних зонах між цементом і заповнювачем речовин, що сприяють розвитку деструктивних процесів в бетоні. До таких дрібних заповнювачів відносяться, в першу чергу глиновміщуючі і пилуваті матеріали. З іншого боку, саме присутність глини в шлаколужному в'яжучому може дати значне підвищення міцності в присутності хімічних речовин, які спроможні міняти колоїдно-хімічну природу тонкодисперсної частини ґрунту і принципово змінювати процеси структуроутворення, особливо в контактній зоні "в'яжуче-ґрунт".

Одним з шляхів вирішення цієї проблеми є використання в'яжучих підвищеної активності з принципово іншим механізмом гідратації та тверднення і складом гідратних новоутворень. У зв'язку з цим, великий інтерес представляють дослідження з розробки штучних матеріалів на основі лужних в'яжучих систем, що започатковані в Проблемній науково-дослідній лабораторії ґрунтосилікатів (в даний час Державний науководослідний інститут в'яжучих речовин і матеріалів ім. В.Д. Глуховського) при Київському інженерно-будівельному інституті (в даний час Київський національний університет будівництва і архітектури). В.Д. Глуховський встановив і розвинув теоретичні основи і закономірності прояву гідравлічних в'яжучих властивостей в системі RO-R₂O-R₂O₃-SiO₂-H₂O, де RO CaO, MgO; R₂O Na₂O, K₂O; R₂O₃ Al₂O₃. На перспективність лужної активації глин вказують роботи Г.С.Ростовської, Г.В.Румини, Ж.В.Скурчинської та ін., в яких доведена принципова можливість отримання штучного водостійкого каменю на основі глин і лужного компоненту, без використання високотемпературних технологічних процесів. В роботах Л.А.Сільченка, С.Я.Солодкого, В.Г.Степанця, В.М.Нагайчука та ін. показана можливість практичного використання ґрунтів та лужних в'яжучих при виготовленні бетонів для дорожнього і аеродромного будівництва.

На основі аналізу літературних даних можна констатувати, що на сьогодні доведено:

· ефективне зв'язування глин з перетворенням їх з заповнювача на повноцінний хімічно активний компонент в'яжучої системи з забезпеченням якісного контакту "цементний камінь заповнювач";

· суттєве прискорення процесів структуроутворення шлаколужних в'яжучих за рахунок введення оптимальної кількості високоактивних мінеральних добавок.

Аналіз фізико-хімічних процесів синтезу лужних цементів, а також відомих закономірностей зміни властивостей природних та штучних гідратних новоутворень при регулюванні фазового складу продуктів гідратації дозволив автору висунути наукову гіпотезу про реальну можливість отримання бетонів для дорожніх основ і покриттів на основі шлаколужних в'яжучих з достатніми експлуатаційними характеристиками та високою здатністю утримувати радіонукліди шляхом регулювання структури бетонів в напрямку синтезу в них цеолітоподібних новоутворень.

У другому розділі наведено характеристики застосованих під час роботи над дисертацією сировинних матеріалів та методів досліджень.

При виконанні експериментальної частини роботи використовували шлаколужні в'яжучі на основі доменного гранульованого шлаку Маріупольського металургійного заводу з модулем основності М_о = 1,19 з лужними компонентами водними розчинами содолужного плаву і силікатів натрію з силікатним модулем М_с = 1; 2 і 2,97.

Як компоненти комплексної модифікуючої добавки використовували портландцементний клінкер і глини різного структурного типу каолінітову, спонділову і бентонітову.

Як дрібний заповнювач при виготовленні бетонів використовували глиновміщуючі ґрунти (супіски, суглинки, леси) та дніпровський кварцовий пісок з М_к = 1,121,14, який задовольняє вимоги ДСТУ Б В.2.7-32-95, при виготовленні бетону на портландцементі.

Для дослідження іммобілізуючих властивостей розроблених в'яжучих і бетонів на їх основі використовували модельні розчини та реальні продукти упарювання рідких РАВ (кубові залишки) Чорнобильської АЕС, які за активністю відносяться до 1 і 2 груп радіоактивних відходів (низької і середньої активності, відповідно). На стадії промислового впровадження використовували радіаційно-забруднений ґрунт 1 групи.

Дослідження фазового складу вихідних речовин, продуктів тверднення і властивостей в'яжучого здійснювали за допомогою комплексу фізико-хімічних, аналітичних, калориметричних і дилатометричних методів, а саме: рентгенофазового аналізу, диференційно-термічного аналізу, ІЧ-спектрометрії, тепловиділення, контракції. Визначення деформацій при заморожуванні та відтаванні проводили вимірюванням електроопору та гальванопотенціалу паст. Визначення пористої структури виконували методом ртутної порометрії.

Дослідження фізико-механічних і експлуатаційних властивостей розроблених матеріалів проводили згідно чинних нормативних документів та стандартних методик.

Дослідження надійності зв'язування радіонуклідів в складі шлаколужної цементної матриці визначали за швидкістю вилуговування із зразків Cs-137, як характерного та найбільш дозоутворюючого радіонукліду Зони відчуження, за методиками міжнародного стандарту ISO 6961-82 та ГОСТ 29114-91.

Для обробки даних і оптимізації складів в'яжучих і бетонів на їх основі використовували методи математичного моделювання експерименту, а саме повного факторного аналізу і прикладної математичної статистики.

В третьому розділі представлені результати досліджень процесів взаємодії систем "шлаколужне в'яжуче-клінкер-глиниста добавка", з різними лужними компонентами, для розробки спеціальних ґрунтобетонів з технічними характеристиками, які відповідають вимогам дорожнього будівництва.

Було використано глини різних структурних типів (каолінітову, бентонітову, спонділову). Вибір глин різних типів обумовлений тим, що реакційна спроможність глинистих мінералів істотно залежить від їх фазового складу і структури.

Як відомо, високоосновні мінерали портландцементного клінкеру, швидко гідратуючись в умовах високолужного середовища, виступають як кристалохімічні інтенсифікатори тверднення, прискорюють катіонообмінні процеси і виконують функції зародків кристалізації в шлаколужних в'яжучих.

Тому було припущено, що комплексна добавка "глина - клінкер" спроможна значною мірою обумовити такий напрямок структуроутворення шлаколужних в'яжучих, що призводить до підвищення експлуатаційних характеристик та спеціальних властивостей, в тому числі ефективного зв'язування радіонуклідів, за рахунок регулювання складу гідратних новоутворень і управління швидкістю процесів гідратації і тверднення штучного шлаколужного каменю.

Визначення оптимальних, відносно міцності штучного каменю, складів модифікованих шлаколужних в'яжучих на різних лужних компонентах (содолужному плаві з густиною розчину 1200 кг/м³ і силікатах натрію з силікатним модулем М_с = 1; 2 і 2,97, з густиною розчинів 1250; 1300 і 1300 кг/м³, відповідно) виконували за допомогою методу повного факторного експерименту. Змінні варіювалися на трьох рівнях: максимальному, середньому та мінімальному. Кількість добавки глини змінювали в межах 020%, клінкеру 04%. Глинистою добавкою слугували каолінітова, спонділова або бентонітова глини. Як лужні компоненти використано розчини содолужного плаву з густиною =1200 кг/м³ та метасилікату натрію з =1250 кг/м³.

Зразки мали форму кубів 222 см, заформованих з тіста нормальної густини. Умови тверднення - стандартні, нормальні. Термін тверднення - 28 діб.

Всі отримані рівняння регресії адекватно описують результати експерименту.В результаті досліджень встановлено, що максимальна міцність штучного каменю одержана при кількості шлаку 81,5% мас., та комплексної модифікуючої добавки - 18,5% мас., в якій кількість глини складає 15% та портландцементного клінкеру -3,5% мас., на всіх лужних компонентах.

Визначено, що за хімічною активністю по відношенню до лужних компонентів глини можна розмістити в ряду таким чином: спонділова каолінітова бентонітова глина, що пов'язано з різною чутливістю до лугу лужного компоненту. Дія комплексної добавки на фазо- і структуроутворення шлаколужних в'яжучих значно більш ефективна, ніж її складових взятих окремо.

В присутності комплексної модифікуючої добавки фазовий склад новоутворень представлений, головним чином, гелевидною фазою, армованою низькоосновними гідросилікатами кальцію типу тобермориту і CSH(II), а також цеолітоподібними фазами лужного і змішаного лужно-лужноземельного складу.

Якщо добавка містить спонділову глину і клінкер в складі шлаколужного каменю на содолужному плаві спостерігається синтез сполук зі структурою індигриніту CaAl₂(CO₃)₄(OH)₂15H₂O та туніситу NaCa₂Al₄(CO₃)₄(OH)₁₀, присутність яких дозволяє прогнозувати зменшення власних усадочних деформацій і підвищення тріщиностійкості шлаколужного каменю. В присутності силікатних лужних сполук утворюються цеолітоподібні фази натрієвого та натрійкальцієвого складу зі структурою анальциму - Na₂ОAl₂О₃4SiO₂2H₂O, гідронефеліну - Na₂OAl₂O₃2SiO₂2H₂O, фожазиту - Na₂OAl₂O₃4SiO₂8H₂O, натроліту Na₂OAl₂O₃3SiO₂2H₂O та канкриніту - Na₃Ca(AlSiO₄)CO₃H₂O. При наявності сполук Cs та Sr зафіксовано фази зі структурою поллуциту Cs₂OAl₂O₃4SiO₂2H₂O та Sr-шабазиту SrOAl₂O₃4SiO₂6H₂O.

При введенні комплексної модифікуючої добавки спостерігається зменшення пористості шлаколужного каменю. Загальна пористість штучного каменю на шлаколужному в'яжучому без добавки на содолужному плаві склала 10,5%, а з комплексною добавкою 8,9%.

Як видно в присутності добавки збільшується доля дрібних пор (до 1,2 нм) з одночасним істотним зменшенням долі відносно великих пор. Зменшення пористості і розмірів пор, як відомо, призводить до підвищення міцності, водонепроникності і морозостійкості штучного шлаколужного каменю, тобто характеристик, які визначають його надійну експлуатацію та довговічність. Використання модифікованих шлаколужних в'яжучих для іммобілізації радіонуклідів підтвердили їх високу ефективність у порівнянні як з традиційними в'яжучими (портланд-, шлакопортландцементом), так і в порівнянні з бездобавочним шлаколужним в'яжучим.

Якщо характеризувати надійність зв'язування радіонуклідів по швидкості вилуговування Cs137, то три представлені шлаколужні склади з комплексною добавкою "клінкер+глина" (типи глин каолінітова, спонділова і бентонітова) при соленаповненні зразка 29% вже через 3 доби з початку випробувань мали показники швидкості вилуговування - 3,5510^-4 - 9,2610^-4 г/см²доб, а через 28 діб 4,310^-5 - 2,110^-4 г/см²доб. Їх міцність при цьому була в межах 12,6 - 14,7 МПа через 28 діб і 19,2 - 21,7 МПа через 56 діб.

Швидкість вилуговування радіонуклідів Cs137 з зразків бетону на бездобавочному шлаколужному в'яжучому при соленаповненні 29% склала 1,1510^-3 г/см²доб, а міцність - 9,8 МПа через 28 діб. Для портландцементних бетонів при соленаповненні всього 13% 4,4810^-3 - 5,9510^-3 г/см²доб і 5,0 - 6,2 МПа через 28 діб, що явно недостатньо, відповідно до рекомендацій МАГАТЕ міцність при стиску має складати не менше 10 МПа, а швидкість вилуговування не більше 110³ г/см²доб. При чому, ступінь наповнення бетону радіоактивними матеріалами є надзвичайно важливою характеристикою з точки зору захисту людини та навколишнього природного середовища.

Отримані на модельних системах результати підтверджують, що за рахунок інтенсифікації процесів структуроутворення штучного мінералоподібного каменю в присутності комплексної модифікуючої добавки відбувається фізико-хімічне зв'язування лужних і лужноземельних елементів у нерозчинних або малорозчинних цеолітоподібних сполуках.

Той факт, що цеолітоподібні сполуки, в мінералоподібному цементному камені і в природі, в силу структурних особливостей є одними з найбільш стабільних і стійких мінералів, дає підставу прогнозувати високу довговічність матриці і надійність іммобілізації радіоактивних відходів.

В четвертому розділі представлено результати досліджень з розробки модифікованих шлаколужних дорожніх бетонів з використанням різних природних ґрунтів та вивченню їх властивостей. При використанні реальних ґрунтів поверхневий шар ґрунту, що містить органічні гумусові складові вилучався і не застосовувався.

Розроблено склади модифікованих шлаколужних бетонів і встановлено взаємозв'язок між складом в'яжучих і властивостями розроблених бетонів. Результати математичної обробки експериментальних даних підтвердили значення величини комплексної модифікуючої добавки до в'яжучої системи, при якій отримано максимальну міцність бетону - 18,5%, із співвідношенням глини і клінкеру в добавці - 15% і 3,5%, відповідно.

В ході досліджень встановлено, що спосіб введення комплексної добавки, а саме до в'яжучого при сумісному помелі, чи на стадії приготування суміші не має принципового значення і практично не впливає на основні характеристики штучного каменю.

У зв'язку з тим, що кількість глинистої складової при використанні ґрунтів в реальному бетоні може бути значно вище за оптимальну, визначено так звану "критичну" кількість глини, яку без значної шкоди для міцності можна вводити разом з ґрунтом. Її величина складає 34 - 35% мас., але обов'язково в присутності добавки клінкеру 3,5%. Критерієм для визначення верхньої межі кількості модифікуючої добавки слугувала міцність аналогічних бетонів без добавки.

Так, наприклад, якщо міцність шлаколужного бетону без добавки складає 46,5 МПа, , забезпечує стабільне одержання достатньо високої міцності, незалежно від типу ґрунту (супісок, лес, суглинок), що використовується як дрібний заповнювач.

На ранніх стадіях 1-28 діб тверднення шлаколужні в'яжучі з модифікуючою комплексною добавкою швидко набирають міцність, що забезпечується, в першу чергу, прискореною гідратацією мінералів клінкеру з синтезом, головним чином, низькоосновних гідросилікатів кальцію. Міцність розроблених бетонів на різних лужних компонентах, з густиною розчину 1100-1300 кг/м³ із співвідношенням "в'яжуче : ґрунт" від 1:2 до 1:4 через 28 діб досягала 94,0 і 114,4 МПа, відповідно.

Мінерали клінкеру, як інтенсифікатори тверднення шлаколужних в'яжучих, повністю себе реалізують вже через 30-60 діб. Але темп тверднення і надалі залишається більш високим, ніж в складах без модифікуючої комплексної добавки. Так, наприклад, якщо міцність бетону з добавкою через 360 діб була 31,9-117,0 МПа, то без добавки 20,3-103,3 МПа. Це пов'язано з тим, що, синтез і кристалізація новоутворень цеолітоподібного характеру лужного, змішаного лужно-лужноземельного і лужноземельного складу відбувається в більш пізні терміни, ніж синтез низькоосновних гідросилікатів кальцію. Цеолітоподібні новоутворення відкладаються в мікропорах і капілярах штучного каменю, що сприяє його зміцненню і ущільненню, підвищенню непроникності, надійності і довговічності. Тим самим забезпечується стабільне і довготривале зростання міцності.

Плавний і зростаючий набір міцності модифікованих шлаколужних бетонів спостерігався при довготривалому твердненні (4 роки), спадів міцності не зафіксовано.

Досліджено вплив температурних умов тверднення в діапазоні 10…+20^оС на фізико-механічні характеристики розроблених бетонів. Показано, що вони спроможні достатньо інтенсивно тверднути при від'ємних і низьких позитивних температурах. Міцність зразків шлаколужного модифікованого бетону, які тверднули перші 28 діб при 10^оС, а далі при +20^оС і тих, що весь час тверднули при +20^оС, через 60-90 діб не надто відрізнялась.

Коефіцієнт морозостійкості зразків бетону на основі шлаколужних модифікованих в'яжучих після 300 циклів поперемінного заморожування і відтавання становить 1,02-1,04. Це вказує на їх високу морозостійкість і може бути пояснено низькою сумарною пористістю з переважанням в поровій структурі цементного каменю мікропор, а також вмістом в них розчину лужного компоненту, який знижує температуру замерзання порової рідини. Таким чином, розроблені шлаколужні модифіковані бетони відрізняються достатньо високою морозостійкістю і придатні до використання в дорожньому будівництві.

Визначено корозійну стійкість шлаколужних модифікованих бетонів в розчинах сульфату магнію (5%), сульфату натрію (5%) та CaO+NaHCO₃ (1%). Згідно одержаних даних, можна зробити висновок про високу корозійну стійкість шлаколужних модифікованих бетонів проти сульфатно-магнезіальної агресії (К_с=1,02-1,04) і дуже високу стійкість в ґрунтових сульфатно-натрієвих та гідрокарбонатних кальцієво-натрієвих водах (К_с=1,38-1,45), характерних для Зони відчуження.

Введення комплексної добавки дозволяє знизити власні деформації усадки модифікованого шлаколужного бетону, у порівнянні з шлаколужними без добавки, на содолужному плаві з 0,81 до 0,36-0,52 мм/м і метасилікаті натрію з 1,45 до 0,57-0,74 мм/м.

Присутність алюмінатів, субмікрокристалічного карбонату кальцію в лесах, наявність сильнолужного середовища, яке сильно збільшує ємність обміну обумовлює синтез висоководних (до 15 молекул Н₂О) гідрокарбоалюмінатів кальцію, що пояснює зменшення деформацій усадки.

Додаткового підвищення міцності бетону можна досягнути таким технологічним прийомом, як прикладання до свіжоукладеного бетону повторної вібродії. Процеси структуроутворення бетону супроводжуються зміною е.р.с,, яка в дослідженнях визначалася гальванодатчиком. На основі цих змін виявлено точки у часі, прикладання в яких вібродії, як технологічного фактору, дозволяє покращити характеристики бетону. Так, наприклад, повторна вібрація бетону в кінці періоду формування коагуляційної структури (через 1,5 год.), дозволила підвищити його міцність з 47,9 до 52,0 МПа.

У п'ятому розділі представлено результати дослідно-лабораторних робіт і дослідно-промислового впровадження розроблених складів бетонів.

Дослідження технології іммобілізації твердих радіоактивних відходів у вигляді забрудненого ґрунту (супіску) з пункту тимчасової локалізації радіоактивних відходів "Стара будівельна база" Зони відчуження були проведені у лабораторії методом цементування в бетони з метою визначення їх основних фізикомеханічних і спеціальних властивостей механічної міцності і швидкості вилуговування радіонуклідів.

Питома активність ґрунту, що використовували для іммобілізації, за радіонуклідами Cs-137 та Cs-134 складала 9,4Е06...6,9Е06 і 7,7Е07... 6,6Е07 Кі/кг, відповідно.

При іммобілізації забрудненого ґрунту було виготовлено 36 зразків (6 партій по 6 шт.) розміром 228 см, з використанням модифікованих шлаколужних в'яжучих і з портландцементу, в якості еталону порівняння.

Через 28 і 56 діб тверднення в стандартних умовах частина зразків кожної партії були випробувані на міцність при стиску.

Розроблені бетони впроваджено ВАТ "Чернігівбуд" в Зоні відчуження для виготовлення основи під дорожнє полотно при будівництві дороги.

На Київському міжобласному спецкомбінаті Українського державного об'єднання "Радон" випущено дослідно-промислову партію бетонів з твердими радіоактивними відходами 1 групи для їх тривалого зберігання та захоронення.

Твердими радіоактивними відходами слугували радіаційно забруднені ґрунти - супіски, з вмістом глинистих і пилуватих часток в них до 12%.

Швидкість вилуговування радіонуклідів Cs137 з бетонів подана в таблиці 2 Аналіз отриманих даних підтверджує, що найбільш високою утримуючою спроможністю, відносно Cs137, характеризуються склади на основі шлаколужних модифікованих в'яжучих (склади №№ 1, 2), а найбільш низькою на портландцементі (склади №№ 5, 6).

Результати дослідно-промислового впровадження підтвердили результати лабораторних досліджень і показали можливість використання розроблених бетонів як ефективного матеріалу не лише для дорожнього будівництва, а й для створення бар'єрних систем (сховищ, контейнерів) та матриць для іммобілізації радіоактивних відходів.



ВИСНОВОК

1. Встановлено особливості структуроутворення в системі “шлаколужне в'яжуча речовина-глина-портландцементний клінкер”, які дозволяють використовувати радіоактивно забруднені ґрунти як заповнювачі при будівництві дорожніх основ та покриттів в умовах радіоактивного забруднення середовища за рахунок взаємодії алюмосилікатної складової ґрунтів та шлаколужної в'яжучої речовини, що супроводжується хімічним зв'язуванням радіоактивних елементів у стабільні та нерозчинні цеолітоподібні сполуки типу полуциту Cs₂OAl₂O₃4SiO₂2H₂O та стронцієвого шабазиту SrOAl₂O₃4SiO₂6H₂O.

2. Встановлено закономірності процесів структуроутворення шлаколужних в'яжучих в присутності глинистого компонента і портландцементного клінкеру і виявлено, що фізико-механічні характеристики штучного каменю зростають залежно від виду використаних глин в ряду: бентонітова < каолінітова < спонділова за рахунок направленого синтезу змішаних Na-Ca цеолітоподібних гідро алюмосилікатів, які відрізняються підвищеною швидкістю кристалізації і прискорюють нарощування міцності штучного каменю.

3. Кероване формування фазового складу новоутворень дозволяє регулювати властивості мікро- та макроструктури утвореного бетону, яке полягає у виборі складу глинистого і лужного компонентів, що впливають на особливості процесів структуроутворення в системі “шлак-спонділова глина-портландцементний клінкер-карбонат кальцію” у напрямку синтезу сполук подібних індигриніту CaAl₂(CO₃)₄(OH)₂15H₂O та туніситу NaCa₂Al₄(CO₃)₄(OH)₁₀, які забезпечують зменшення усадки та підвищення щільності і тріщиностійкості цементного каменю і бетону.

4. Описаними математичними моделями встановлено залежність основних характеристик дрібнозернистих модифікованих шлаколужних бетонів від виду і складу реальних ґрунтів. Визначено, що кількість глинистої складової в розроблених матеріалах до 30-35%, що вноситься з грунтом, не призводить до зниження міцності і погіршення деформативних характеристик модифікованих бетонів.

5. Розроблено і оптимізовано склади бетонів з використанням лесу і суглинку. Встановлено, що такі бетони при зміні співвідношень „в'яжуче-грунт” в межах від 1:2 до 1:4 характеризуються міцністю при стиску 22,8-114,4 МПа, деформацією усадки 0,36-0,74 мм/м, що дозволяє їх використовувати в дорожньому будівництві.

6. Доведено, що за рахунок повторної вібрації бетону, в кінці періоду формування коагуляційної структури, можна підвищити його міцність на 8 - 10 % (з 47,9 до 52,0 МПа на 28 добу).

7. Розроблені бетони характеризуються високими експлуатаційними характеристиками і довговічністю. Модифіковані шлаколужні бетони, що заформовані в умовах від'ємних і низьких позитивних температурах, здатні інтенсивно тверднути без будь-якого попереднього догляду. Міцність зразків бетону, що тверднули перші 28 діб при 10^оС, а далі при +20^оС і зразків, що весь час тверднули при +20^оС, через 60 - 90 діб практично не відрізнялася. Протягом 4 років спостерігається плавний і зростаючий набір міцності, спадів міцності не зафіксовано. Коефіцієнт їх морозостійкості після 300 циклів поперемінного заморожування і відтавання складає 1,02 - 1,04. Розроблені бетони характеризуються високою корозійною стійкістю проти сульфатно-магнезіальної агресії (К_с=1,02-1,04) і дуже високою стійкістю в ґрунтових сульфатно-натрієвих та гідрокарбонатних кальцієво-натрієвих водах (К_с=1,38-1,45), характерних для Зони відчуження.

8. Розроблені шлаколужні модифіковані в'яжучі і бетони на їх основі впроваджені на Київському спецкомбінаті УкрДО "Радон" і ВАТ "Чернігівбуд". Загальний економічний ефект від їх використання склав 218,5 тис. грн. при об'ємі використання 6100 м³/рік.



ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Утилизация и иммобилизация различных токсичных отходов // Экотехнологии и ресурсосбережение. П.В. Кривенко, Ж.В. Скурчинская, А.Г. Гелевера, П.А. Корчагин, Г.В. Лысенко . - 1997. - №5. - С.62-66.

2. Экологически безопасная иммобилизация жидких радиоактивных отходов атомных электростанций. П.В. Кривенко, Ж.В. Скурчинская, А.Г. Гелевера, П.А. Корчагин, Л.В. Лавриненко, О.С. Козырь, М.С. Хлонь // Экотехнологии и ресурсосбережение. - 1999. - №2. - С.55-58.

3. Безконтейнерная локализация твердых радиоактивных отходов // Экотехнологии и ресурсосбережение. П.В. Кривенко, Ж.В. Скурчинская, В.А. Ракша, П.А. Корчагин, Л.В. Ракша. - 1999. - №6. - С.51-54.

4. Кривенко П.В., Гелевера О.Г., Корчагін П.О. Ґрунтобетони для дорожнього будівництва на основі модифікованих шлаколужних в'яжучих // Композитні матеріали для будівництва. Макіївка: ДонДАБА. - 2001. - вип. 20011(26).С.7580.

5. Кривенко П.В., Гелевера А.Г., Корчагин П.А. Щелочные цементы для омоноличивания грунтов, загрязненных радионуклидами. // Тез. докл. ІІ Междунар. научно-практич. конфер. "Композит2001". - Санкт-Петербург, Россия. - 2001. - С.32-34.

6. Кривенко П.В., Гелевера О.Г., Корчагін П.О. Спеціальні цементи для шляхового будівництва в умовах зони відчуження. -Симферополь, КАПСК. -2001. -С.52-57.

7. Корчагин П.А., Замостьян П.В., Шестопалов В.М. Обращение с радиоактивными отходами в Украине: проблемы, опыт, перспективы. - К.: Иван Федоров, 2000. - 178с.

8. Ракша Л.В., Ракша В.А., Корчагин П.А. Безконтейнерная локализация твердых радиоактивных отходов зоны отчуждения // Тез. докл. ІІ Междунар. конфер. "Щелочные цементы и бетоны". - Киев. - 1999. - С.611-621.

9. Холоша В.И., Корчагин П.А., Удод В.В. Стратегический план Минчернобыля в сфере обращения с радиоактивными отходами // Проблеми Чорнобильської зони відчуження. -К,: Наукова думка. - 1995. - Вип.2. - С.4-10.

10. Krivenko P.V., Skurchinskaya J.V., Gelevera A.G., Korchagin P.A., Lisenko G.V. Concrete on the basis of industrial wastes for ecological protection // International congress "Greating with concrete". - University of Dundee, Scothland, UK. - 1999. - C.622-629.

11. Корчагин П.А., Авдееев О.К., Богачев О.М. Выбор хранилищ для центра переработки и захоронения радиоактивных отходов в Украине. // Проблеми Чорнобильської зони відчуження, вип.2, Київ, Наукова думка. 1995.-С.21-27.

Размещено на Allbest.ru

...