Гидроизоляция бетонов как метод повышения радиоактивной безопасности

Интегральные капиллярные системы - ключ к решению проблемы

На радиационно нагружен­ных объектах атомной энерге­тики утеря гидроизоляционных свойств бетонными конструк­циями наносит не только обыч­ный эксплуатационный ущерб, но и существенно понижает уровень экологической безо­пасности. Если говорить о цик­ле утилизации атомных под­водных лодок, то речь, в первую очередь, идет о бассейнах вы­держки отработанного ядерно­го топлива и всех типах назем­ных и подземных хранилищ радиоактивных отходов, металло-бетонных транспортно-упаковочных контейнерах, а также некоторых портовых сооруже­ниях и элементах доков.

Поисками эффективных материалов и технологий для решения этой проблемы уже несколько лет занимаются в Федеральном Ядерном Центре (г.Снежинск) под руководством доктора технических наук А.Н.Щербины. При содействии Рос­сийского Фонда Фундаменталь­ных Исследований здесь ведут­ся исследования радиационной стойкости различных гидроизо­лирующих добавок. Ученые по­лагают, что наиболее перспек­тивными для применения в атомной отрасли являются так называемые «интегральные капиллярные системы» (ИКС) или «пенетрирующая гидроизоля­ция». Эти материалы просты в применении, что важно с уче­том сложности самих конструк­ций и условий, в которых они эксплуатируются, а также обладают высокой радиационной стойкостью. Облучение дозой до 1000 Мрад и нагревание до 1000°С не выявило проти­вопоказаний к их применению в радиационно нагруженных объектах.

Одним из российских лиде­ров по поставкам и промышлен­ному применению гидроизоли­рующих материалов является Торговый дом «Уралпромсервис» (г. Екатеринбург). Для защиты возводимых и ремонта действу­ющих бетонных конструкций, после глубоких маркетинговых и производственных исследова­ний всех существующих ИКС, компания отдала свои предпоч­тения системе материалов ПЕНЕТРОН производства ICS/Penetron International Ltd.США и впоследствии стала официаль­ным представителем этой компании на территории России, Украины, Белоруссии и Казахстана.

Специалисты компании в совершенстве владеют технологией применения материалов ПЕНЕТРОН и умеют «лечить» даже са­мые «больные» бетоны и умеет надежно защищать вновь возводимые сооружения.

Однако объекты атомной энергетики, как правило, уникальны и тре­буют особых подходов к реше­нию даже внешне самой простой задачи. Для лучшего понимания проблем атомной энергетики в апреле 2002 года в Москве при содействии Международного центра экологической безопасности ТД «Уралпромсервис» про­вел международный семинар «Гидроизоляция бетонов в атом­ной энергетике».

Налажено вза­имодействие со специалистами Федерального Ядерного Центра (г. Снежинск). При необходимо­сти они готовы дать консульта­ции по применению ИКС в каждом конкретном случае и провести дополнительные ис­следования.

Успешный опыт такого взаимодействия был на­коплен при ликвидации проте­чек бассейна выдержки и ре­монте очистных сооружений на Белоярской АЭС, а также при подготовке гидроизоляционных работ на Смоленской, Ростовс­кой, Балаковской и Нововоро­нежской АЭС. Очень широко материалы ПЕНЕТРОН исполь­зуются на Южноукраинской и Ровненской АЭС. Большой интерес к материалам и техноло­гиям ПЕНЕТРОН проявляет и Чернобыльская АЭС. В работе находятся три проекта на Хим­комбинате «Маяк». Разумеет­ся, на американских радиаци­онных объектах система ПЕНЕТРОН применяется практически повсеместно (см. табл.1).

 

Применение материалов системы ПЕНЕТРОН

Система материалов ПЕНЕТРОН включает в себя шесть материалов – «Пенетрон», «Пенекрит», «Пенеплаг», «Ватерплаг», «Пенетрон Плюс» и «Пенетрон Адмикс».

«Пенетрон» применяют для гидроизоляции поверхностей сборных и монолитных бетонных и железобетонных конструкций, в том числе оштукатуренных цементно-песчаным раствором. «Пенетрон» применяют совместно с «Пенекритом» для отсечения капиллярного подсоса при нарушенной гидроизоляции. «Пенетрон» применяют как вспомогательный материал при гидроизоляции трещин, швов, стыков, сопряжений, примыканий, вводов коммуникаций в сочетании с «Пенекритом» и для ликвидации напорных течей в сочетании с «Пенеплагом» и «Ватерплагом».

«Пенекрит» применяют для гидроизоляции трещин, швов, стыков, сопряжений, примыканий, вводов коммуникаций в статически нагруженных сборных и монолитных бетонных конструкциях.

«Пенеплаг» и «Ватерплаг» применяют для быстрой ликвидации напорных течей в конструкциях, выполненных из бетона, кирпича, натурального камня. Материал применяют в случаях, когда другие составы («Пенетрон», «Пенекрит») вымываются водой.

«Пенетрон Плюс» применяют для гидроизоляции горизонтальных поверхностей свежеуложенного бетона.

«Пенетрон Адмикс» используют для обеспечения водонепроницаемости монолитных бетонных и железобетонных конструкций на стадии бетонирования; для обеспечения водонепроницаемости бетонных и железобетонных изделий на стадии производства

 

Применение материалов системы ПЕНЕТРОН позволяет предотвратить проникновение воды сквозь тело бетона даже при наличии высокого гидростатического давления. Использование материалов позволяет защитить бетон от воздействия агрессивных сред: кислот, сточных и грунтовых вод, морской воды. Бетон, обработанный материалами системы ПЕНЕТРОН, приобретает стойкость к воздействию карбонатов, хлоридов, сульфатов, нитратов и пр. Применение материалов позволяет повысить показатели водонепроницаемости, прочности, морозостойкости бетона, которые сохраняются даже при наличии высокого радиационного воздействия.

Принцип действия материалов системы ПЕНЕТРОН на примере материала «Пенетрон».

Бетон, приготовленный по стандартной технологии, представляет собой структуру, пронизанную капиллярами, микротрещинами и порами. Наличие в теле бетона разветвленной сети капилляров, микротрещин и пор обусловлено рядом факторов: испарением воды во время твердения бетона; недостаточным уплотнением бетона при укладке; внутренними напряжениями, возникающими из-за усадки бетона в процессе твердения; неправильным подбором компонентов и прочее.

Для того, чтобы исключить возможность сквозной фильтрации воды сквозь структуру бетонной конструкции, достаточно обработать бетон материалами системы ПЕНЕТРОН. Результатом применения материалов ПЕНЕТРОН является прорастание в капилляры, микротрещины и поры бетона нерастворимых разветвленных игольчатых кристаллов на глубину до нескольких десятков сантиметров сплошным фронтом. Применение материалов ПЕНЕТРОН позволяет повысить показатель водонепроницаемости бетона на четыре-шесть ступеней. Например, если до обработки материалами ПЕНЕТРОН показатель водонепроницаемости бетона соответствовал W2, то после обработки этот показатель поднимается не менее, чем до W10.

Действие материала «Пенетрон» основано на четырех главных принципах: осмос, броуновское движение, реакции в твердой фазе и силы поверхностного натяжения жидкостей.

Активные химические компоненты «Пенетрона» взаимодействуют с составляющими схватившегося бетона.

Сухую смесь «Пенетрон» смешивают с водой и полученный раствор наносят кистью на влажную поверхность бетона. В результате на поверхностях, обработанных раствором «Пенетрона» создается высокий химический потенциал, при этом внутренняя структура бетона сохраняет низкий химический потенциал. Осмос стремится выровнять разницу потенциалов; возникает осмотическое давление. Благодаря наличию осмотического давления активные химические компоненты материала проникают глубоко в бетон. Чем выше влажность бетонной структуры, тем эффективнее происходит процесс проникновения активных химических компонентов вглубь тела бетона. Этот процесс протекает как при положительном, так и при отрицательном давлении воды и продолжается до тех пор, пока не выровняется химический потенциал на поверхности и внутри бетона. Глубина проникновения активных химических компонентов сплошным фронтом достигает нескольких десятков сантиметров.

Активные химические компоненты материала «Пенетрон», проникшие вглубь тела бетона, растворяясь в воде, вступают в реакцию с ионными комплексами кальция и алюминия, различными оксидами и солями металлов, содержащимися в бетоне. В ходе этих реакций формируются более сложные соли, способные взаимодействовать с водой и создавать нерастворимые кристаллогидраты  – образования в виде игловидных, хаотично расположенных кристаллов. Сеть этих кристаллов заполняет капилляры, микротрещины и поры шириной до 0,4 мм. При этом кристаллы являются составной частью бетонной структуры.

Заполненные нерастворимыми кристаллами капилляры, микротрещины и поры не пропускают воду, поскольку в действие приходят силы поверхностного натяжения жидкостей. Ажурная сеть кристаллов, заполняющая капилляры, препятствует фильтрации воды даже при наличии высокого гидростатического давления, превышающего как минимум на четыре ступени показатель водонепроницаемости бетона, существовавший до обработки материалом «Пенетрон». Бетон, обработанный материалом «Пенетрон», сохраняет паропроницаемость.

Скорость и глубина проникновения активных химических компонентов зависит от многих факторов, в частности, от плотности, пористости бетона, влажности и температуры окружающей среды. При исчезновении воды процесс формирования кристаллов приостанавливается. При появлении воды (например, при увеличении гидростатического давления) процесс формирования кристаллов возобновляется, то есть бетон после обработки материалом «Пенетрон» приобретает способность к самозалечиванию.

Испытания на радиационную стойкость

С целью оценки воздействия гамма-облучения на гидроизо­ляционные цементные матери­алы проведено исследование физико-химических свойств 14 марок ИКС от различных производителей, а также Портланцемент 500, как в состоя­нии поставки, так и после гам­ма-облучения дозой 1000 Мрад.

На приборной базе РФЯЦ-ВНИИТФ методами оптичес­кой атомной и молекулярной спектроскопии, рентгенофазового, термографического ана­лизов, масс-спектрометрии и термогравиметрии исследовали физико-химические характери­стики:

•   элементный и фазово-структурный состав;

•   термостойкость по мас­се, фазовые переходы;

•   состав летучих продук­тов;

•   содержание воды и орга­нических добавок.

Отличие указанных харак­теристик для облученных об­разцов от аналогичных пока­зателей образцов в состоянии поставки служило критериаль­ным признаком оценки устой­чивости исследуемых материа­лов к гамма-облучению.

В работе использовали пять методик контроля химическо­го состава:

•   атомно-эмиссионный спектральный (АЭСА);

•   рентгенофазовый (РФА);

•   ИК-спектральный моле­кулярный (ИКСА);

•   термогравиметрию (ТГА);

•   комплексный термичес­кий анализ (КТА): TG, DTG, DTA и масс-спектральный ана­лиз (МСА).

Исследование проводили на термоаналитическом комплек­се TG/SDTA 851 е (фирмы METTLER TOLEDO), совме­щенном с масс-спектрометром ThermoStar (фирмы BALZERS, Швейцария).

Рабочие образцы термировали в диапазоне температур (20-1000°С) в динамическом режиме со скоростью нагрева 10°С/мин в среде азота повы­шенной чистоты (ГОСТ 9293-74). Погрешность измерения массы – 1 мкг, температуры – 0,25°С.

Регистрировали эксперимен­тальные зависимости: массы от температуры (TG) и диффе­ренциальную кривую теплоэффектов (кривая DTA).

Масс-спектральный (МС) анализ состава летучих про­дуктов термодеструкции це­ментных материалов проводи­ли параллельно с динамическим термированием образца при использовании управляющей программы QUADSTAR™. Всю дополнительную графическую и математическую обработку первичных результатов экспе­риментов КТА исследуемых це­ментов проводили с помощью программного  обеспечения STARe, комплектующего систе­му METTLER TOLEDO STAR.

Облучение образцов произ­водилось на установке Гамматок 100 Мрад с жестким спектром гамма-излучения Со60, позволя­ющей производить набор дозы с темпом 8x105 рентген/час.

В результате исследований элементного состава в образ­цах облученных цементов ус­тановили тенденцию к сниже­нию концентрации щелочных металлов.

Рентгенофазовый и ИК-спектральный анализы показали, что воздействие на цементные мате­риалы гамма-излучением дозой 1000 Мрад частично изменяет их химический состав, вызывая раз­личные процессы: обезвожива­ние, аморфизацию основных не­органических компонентов, их карбонизацию и декарбонизацию в зависимости от состава, а так­же разрушение органических мо­дифицирующих добавок.

Определено, что образцы цементов, облученные дозой 1000 Мрад, проявляют тенден­цию к деструкции как по ком­понентам минеральной основы (и особенно, водосодержащим, кристаллогидратным компонен­там), так и по модифицирующим неорганическим и органическим добавкам. Это проявляется в аморфизации кристаллической структуры, карбонизации-декар­бонизации состава, в изменении поведения материала при нагре­вании (отличие от исходного — в величине изменения массы от нагрева, покомпонентного со­става и концентрации летучих продуктов, выделяющихся при нагревании цементов).

Оценивая общие результаты проведенных исследований, можно вполне, уверенно гово­рить о том, что ИКС в целом достаточно устойчивы к гамма-облучению. Сравнение их пове­дения в условиях радиационной нагрузки с поведением Портлан­дцемента подтверждает предпо­ложение о том, что применение ИКС в бетонах не повлечет за собой отрицательных по­следствий для прочностных и других основных параметров конструкций.

Что касается материалов компании ICS/Penetron International Ltd., то они по основным параметрам исследований превзошли все аналоги, особенно в сово­купной радиационно-термической стойкости.

Несмотря на то, что исследования ИКС в соста­ве бетонов еще не завер­шены, вполне допустимо их применение на объек­тах отрасли, по крайней мере, в местах с не запре­дельными дозовыми на­грузками. Речь может идти о фундаментах объектов, водоводах систем охлажде­ния, бассейнах выдержки, всех видов хранилищ отхо­дов и ОЯТ, открытых гид­ротехнических сооружени­ях и т.д.

Специалисты РФЯЦ-ВНИИТФ готовы «кури­ровать» каждый случай применения ИКС. Два со­трудника прошли обучение и имеют сертификаты на применение материалов системы ПЕНЕТРОН. Конструкто­ры и материаловеды дадут рекомендации по примене­нию ИКС в каждом конк­ретном узле сооружения, а программисты рассчитают общие дозовые нагрузки.

И конечно, РФЯЦ-ВНИИТФ будет продол­жать исследования.

Заключение

По всей России еже­минутно кубометры ра­диоактивных жидкостей попа­дают в окружающую среду, нанося ей непоправимый ущерб. Целые реки грунтовых, дожде­вых, морских, озерных и реч­ных вод текут в хранилища и другие технологические объек­ты, разрушая оборудование и сами объекты. Возводятся но­вые бетонные сооружения без надежной защиты. Не приме­нять в таких условиях пенетрирующую гидроизоляцию по крайне мере недальновидно. Стоимость промедления тысяче­кратно превосходит стоимость материалов и работ.

Таблица 1.

Перечень несекретных работ, проведенных с применением материалов системы ПЕНЕТРОН на гражданских объектах атомной энергетики США.