طرح اختلاط بتن سنگین

به علت زیانی که تششعشعات هسته ای بر روی محیط زیست می گذارد دفع یا جذب این پرتوها از اهمیت زیادی برخوردار است. بتن ماده ای است که می تواند این پرتوها را به راحتی جذب کند و در این فرآیند چگالی بتن عامل مهمی در جذب پرتوها است از این رو به دلیل محدودیت های اجرایی و ضخامت، از بتن سنگین استفاده می شود.

بتن به عنوان یکی از رایج ترین و مقرون به صرفه ترین مصالح، در ساخت حفاظ بیولوژیکی پرتوهای گاما و نوترون مورد استفاده قرار می گیرد. برای طراحی حفاظ بتنی در برابر پرتوهای گاما، هر چه چگالی بتن بیشتر باشد، خاصیت تضعیف کنندگی بهتری دارد، لذا استفاده از سنگدانه های سنگین در بتن، باعث افزایش چگالی آن و کاهش ضخامت مورد نیاز برای حفاظ می شود.

جهت ساخت حفاظ در برابر پرتوهای نوترون و گاما می توان از مصالح مختلفی استفاده کرد. بتن به عنوان یکی از رایج ترین این مصالح، به منظور حفاظت بیولوژیکی در نیروگاه هسته ای، واحدهای پزشکی و صنعتی و مراکز تحقیقات هسته ای مورد استفاده قرار می گیرد. دیوارهای ضخیم ساخته شده از بتن معمولی، معمولاً به منظور حفاظ بکار برده می شوند. با این وجود، هنگامی که فضای قابل استفاده محدود باشد و همچنین در مواردی که با افزایش شدت و انرژی پرتوها نیاز به افزایش ضخامت حفاظ های موجود باشد، ضخامت بتن مورد نیاز را با استفاده از بتن سنگین کاهش می دهند.

بتن ماده خوبی برای حفاظ سازی در برابر پرتوهای نوترون و گاما است. برای بالا بردن جذب نوترون های حرارتی بدون ایجاد اشعه ی گامای پر انرژی می توان ترکیبات بورن به بتن اضافه نمود. ترکیبات بورن باعث کاهش استحکام بتن می شود. برای بالا بردن ضریب تضعیف کنندگی بتن برای نوترون ها و پرتوهای گامای پر انرژی از سنگدانه های سنگین استفاده می شود.بتن های سنگین و بتن های بوردار با سنگدانه های سنگین، در بسیاری از کشورها مورد بررسی قرار گرفته اند. از جمله در مورد برخی از خواص فیزیکی بتن های سنگین حاوی مگنتیت و سرپانتین و در مورد خواص بتن حاوی بور و باریت تحقیقاتی انجام داده اند.

بررسی سنگدانه ها

برای حفاظ نوترون ها، اغلب ترکیبی از سه گروه از مواد شامل نوعی ماده سنگین، مانند آهن، باریم و یا عناصری با عدد اتمی بالاتر برای کاهش سرعت نوترون های سریع از طریق برخوردهای ناکشسان و عناصر سبک مانند هیدروژن، برای کاهش سرعت نوترون های نیمه سریع، از طریق برخورد کشسان، و در نهایت، حذف نوترون های کند، از طریق عمل جذب ضروری است. در اثر جذب نوترون های حرارتی در مواد حفاظ، پرتوهای گامای پر انرژی تولید می شوند. این پرتوها به دلیل قابلیت نفوذ زیاد در مواد، موجب افزایش ضخامت حفاظ می شوند.

در میان مواد جذب کننده نوترون در حفاظ، عنصر بور ضمن داشتن خصوصیت جذب بالا برای نوترون های حرارتی، پرتوهای ثانویه با انرژی پایین تولید می نماید که قابلیت نفوذ کمتری دارند. به همین دلیل مواد حاوی بور اغلب در حفاظ های نوترون مورد استفاده قرار می گیرند. با توجه به ملاحظات ذکر شده، و با توجه به وجود مواد سبک و سنگین در بتن، این ترکیب ماده مناسبی به عنوان حفاظ پرتوهای گاما و نوترون است.

انتخاب سنگدانه ها

انتخاب سنگدانه ها باید بر اساس کاربرد مورد نظر آن باشد. برای استفاده از بتن محافظ در برابر پرتوهای رادیواکتیو، باید عناصر موجود داخل مصالح که قابلیت فعال شدن به هنگام قرارگیری در برابر پرتو را دارند، تعیین و مشخص شوند. سنگدانه های سنگین یا با دانسیته بالا شامل مواد معدنی و سنگ های متشکل از مواد معدنی و مصالح مصنوعی، که توده ی ویژه ی بالایی دارند و در افزایش مقدار مواد با عدد اتمی بالا نقش دارند، در این دسته سنگدانه های زیر ذکر می شوند.مواد معدنی و کانی های آهنی مثل هماتیت، ایلمنیت، گوتیت، لیمونیت و مگنتیت، و مواد معدنی و کانی های باریم مثل ویتریت و باریت و …

سنگدانه های مصنوعی مثل آهن، فولاد، فروسفر

دانسیته بالا در مصالح یک مشخصه خیلی خوب خصوصاً برای تضعیف کردن تابش فوتون ها است. استفاده از بتن سنگین معمولاً باعث کاهش ضخامت بتنی می شود که برای حفاظت از تابش هسته ای ضروری است. توده ی ویژه سنگدانه های معمولی برای بتن، عموماً 2/5 و 3 است در حالی که سنگدانه های سنگین توده ای ویژه ای بیش از 3 دارند.از میان سنگدانه های سنگین بیان شده در این استانداردها، سنگ آهن و باریت به وفور در ایران یافت می شوند. بیش از 95 معدن باریت و 55 معدن سنگ آهن در کشور وجود دارد.

مواد افزوده

گاهی برای بهبود خصوصیات حفاظت نوترونی بتن از مواد افزوده بوری مانند کولمانیت (هیدرات برات کلسیم)، بورفریت و بورکلسیلت استفاده می شود. به هر حال این مواد ممکن است بر روی گیرش و مقاومت اولیه بتن تأثیر معکوس داشته باشند. بنابراین برای تعیین مناسب بودن این مواد باید با استفاده از مواد افزوده مخلوط های آزمایشی در شرایط کارگاهی تهیه کرد. برای به حداقل رساندن هر تأثیر کندگیر کننده می توان از آهک هیدراته فشاری هم اندازه ماسه درشت استفاده کرد.

طرح اختلاط

هنگامی که طراحی بر اساس چگالی باشد، ضخامت دیوار یا کف ممکن است با دو برابر کردن چگالی بتن ساخته شده به میزان 55 درصد کاهش یابد.با افزایش چگالی بتن، خصوصیات زیادی از بتن افزایش یافته یا دستخوش تغییر خواهد شد. یکی از مهم ترین این خصوصیات مقاومت سایشی بتن است. در صورت یکسان بودن سایر شرایط با افزایش چگالی بتن، مقاومت سایشی آن نیز افزایش می یابد.

با کاربرد برخی مواد افزودنی پیشرفته می توان چگالی خمیر سیمان را افزایش داد و نسبت آب به سیمان را کاهش داد. که با کاهش نسبت آب به سیمان بالطبع مقاومت بتن ساخته شده نیز افزایش می یابد. بتن سنگین همواره هزینه ساخت بیشترى نسبت به بتن هاى معمولى دارد. این اضافه قیمت مى تواند ناشى از مواردى نظیر حفارى معدن، حمل مصالح، شکستن دانه بندى مصالح، اختلاط مناسب سنگدانه در خمیر سیمان، جا دادن و پرداخت سطح بتن ریخته شده باشد.

مقدار جرم مخصوص بتن محافظ پرتوگیر معمولاً براساس نوع و شدت تابش تعیین می شود. کارایی حفاظ بتنی در برابر پرتوهای گاما تقریباً با جرم مخصوص بتن متناسب است. خصوصیات فیزیکی بتن سنگین به جز جرم مخصوص مشابه بتن معمولی است. مقاومت تابعی است از نسبت آب مواد سیمانی. بنابراین برای هر مجموعه ویژه ای از مصالح، می توان به مقاومت هایی قابل مقایسه با بتن های معمولی دست پیدا کرد.جرم حجمی و ترکیبات سنگدانه برای بتن سنگین باید ضوابط ASTM C637 و ASTM C638 را ارضا کند این رابطه باید موارد زیر در نظر گرفته شود.

اگر بتن هنگام بهره برداری در معرض شرایط محیطی خشک و گرم قرار می گیرد که به کاهش وزن آن می انجامد، باید نسبت اجزاء بتن به گونه ای تعیین شود که جرم حجمی تازه آن به اندازه مقدار پیش بینی شده کاهش جرم، بیشتراز جرم حجمی خشک مورد نیاز آن باشد.