Bê tông cản xạ trên cơ sở vật liệu trong nước

Hiệu quả kinh tế của bê tông cản xạ chủ yếu phụ thuộc vào việc lựa chọn và sử dụng hợp lý cốt liệu trên cơ sở các tài nguyên khoáng sản hoặc sản phẩm, phế thải công nghiệp có sẵn.

Một trong những trở ngại lớn đối với chế tạo và ứng dụng bê tông cản xạ là nguyên liệu tại chỗ đôi khi không đáp ứng được các thông số kỹ thuật cần thiết. Sử dụng các nguồn nguyên liệu xa địa điểm xây dựng làm tăng đáng kể giá thành bê tông. Hiệu quả kinh tế của bê tông cản xạ chủ yếu phụ thuộc vào việc lựa chọn và sử dụng hợp lý cốt liệu trên cơ sở các tài nguyên khoáng sản hoặc sản phẩm, phế thải công nghiệp có sẵn.

Phân tích nguồn tài nguyên trong nước cho thấy, trên cơ sở các khoáng sản sẵn có hoàn toàn có khả năng chế tạo được bê tông với các tính năng cản xạ đặc biệt. Các nghiên cứu tập trung theo hướng sử dụng cốt liệu nặng, cốt liệu chứa nước liên kết và phối hợp sử dụng hai loại cốt liệu trên để chế tạo bê tông siêu năng và bê tông hydrat.
 
Nguồn khoáng sản của nước ta khá đa dạng với nhiều chủng loại như germatit, magnhetit, cromit, barit, geotit, serpentin… là nguồn nguyên liệu đầy tiềm năng để chế tạo bê tông cản xạ. Ngoài ra, các sản phẩm và phế thải công nghiệp luyện kim như vẩy cán thép, bi thép,… cũng có thể sử dụng trong chế tạo bê tông siêu nặng.
 
Với thời gian có hạn, các nghiên cứu mới chỉ tập trung vào việc nghiên cứu chế tạo và các tính chất của bê tông trên cơ sở cốt liệu barit và serpentin trong nước.
 
Quặng barit và serpentin dùng làm cốt liệu cho bê tông được nghiền từ quặng nguyên khai và tách cỡ hạt qua sàng thành cốt liệu lớn với kích thước hạt tối đa 20mm và cốt liệu nhỏ. Phân tích các chỉ tiêu của cốt liệu theo TCVN 1770:1986 và TCVN 1771:1987 cho thấy cốt liệu barit và serpentin hoàn toàn phù hợp để chế tạo bê tông.

 
Xem xét các yêu cầu về khả năng chịu lực, đặc điểm công nghệ thi công và điều kiện sử dụng của bê tông cản xạ, sơ bộ có thể xác định một số yêu cầu thiết kế thành phần bê tông cản xạ như sau:
 
- Cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày không nhỏ hơn 200daN/cm²;
 
- Tính công tác: độ sụt côn không nhỏ hơn 3cm;
 
- Khối lượng thể tích (ở 105-110^oC) không nhỏ hơn 3000kg/m³ (đối với bê tông siêu nặng);
 
- Lượng nước liên kết không nhỏ hơn 10% (đối với bê tông hyđrat).
 
Thiết kế cấp phối được thực hiện theo quy trình truyền thống như đối với bê tông nặng thông thường. Khác biệt chủ yếu nằm ở việc tính toán, lựa chọn tỷ lệ vật liệu phù hợp các yêu cầu về lượng nước liên kết và khối lượng thể tích.
 
Lượng nước liên kết cần thiết được xác định thông qua yêu cầu về hàm lượng hyđro trong bê tông theo công thức:
 
 
Trong đó:
             N: Lượng nước liên kết cần thiết;
             W_gb: Lượng hyđro yêu cầu tương ứng với khối lượng thể tích của bê tông gb.
 
Lượng nước liên kết trong bê tông được tính bằng tổng lượng nước liên kết hóa trong đá xi măng và lượng nước liên kết trong cốt liệu. Trong đó, lượng nước liên kết hóa trong đá xi măng ở điều kiện thường dưới 100^oC được tính bằng:
 
N_X = (0,15… 0,20)X  (Khi sử dụng xi măng thường);
Và N_X = (0,30… 0,35)X (Khi sử dụng xi măng nhôm)
 
Trong đó:
             N_X: lượng nước liên kết hóa trong bê tông.
             X: Lượng dùng xi măng.
 
Vật liệu sử dụng cho các cấp phối thí nghiệm là cốt liệu barit và serpentin dùng riêng rẽ hoặc phối hợp. Trong mỗi trường hợp tiến hành tối ưu hóa thành phần cấp phối vật liệu để đạt được khối lượng thể tích lớn nhất. Đối với bê tông hyđrat, tối ưu hóa được thực hiện với lượng nước liên kết trong điều kiện giữ nguyên lượng dùng xi măng. Thiết kế cường độ bê tông được tiến hành theo phương trình Bolomei - Skramtaev với các hệ số như đối với bê tông thường.

Các cấp phối được trình bày tại bảng 1, tính chất của bê tông cản xạ tại bảng 2.
 
Các số liệu thí nghiệm cho thấy các cấp phối bê tông có cường độ chịu nén đều đạt trên 200daN/cm². Tốc độ phát triển cường độ của các cấp phối trên nhìn chung tương tự như bê tông nặng thông thường. Sau 7 ngày bê tông đạt khoảng 80% cường độ tuổi 28 ngày.
 
Bê tông sử dụng cốt liệu barit có khối lượng thể tích không nhỏ hơn 3000kg/m³. Khi sử dụng phối hợp cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ barit, khối lượng thể tích của bê tông có thể đạt tới 3480kg/m³.
 
Để đảm bảo lượng nước liên kết trong bê tông trên 10%, cần sử dụng cốt liệu lớn và nhỏ serpentin. Xác định bằng phương pháp nhiệt dung sai cho thấy lượng nước liên kết trong bê tông serpentin có thể đạt tới 14%.
 
Bê tông cản xạ chế tạo có cấu trúc đặc chắc và khá đồng nhất. Các cấp phối được thiết kế với hệ số dư vữa tối ưu, đảm bảo sử dụng tối đa cốt liệu với khả năng cản xạ được nâng cao.
 
Khả năng cản xạ của các cấp phối bê tông trên được đánh giá thông qua tiết diện loại trừ nơtron và hệ số làm yếu tuyến tính bức xạ gamma. Đây sẽ là các thông số đầu vào cho bài tính thiết kế bảo vệ cản xạ.
 
Các tính toán lý thuyết đã thực hiện cho thấy khả năng cản xạ của các loại bê tông chống phóng xạ đã chế tạo được nâng lên đáng kể so với bê tông thường. Cấp phối C1 với cốt liệu barit có hệ số làm yếu tuyến tính bức xạ gamma cao nhất, thích hợp cho kết cấu bảo vệ chống bức xạ gamma. Cấp phối C5 trên cơ sở cốt liệu serpentin có tiết diện loại trừ vĩ mô nơtron lớn nhất, thích hợp cho kết cấu bảo vệ chống bức xạ nơtron.
 
Như vậy, các nghiên cứu đã tiến hành cho phép khẳng định, trên cơ sở nguồn nguyên liệu trong nước, có thể chế tạo được các loại bê tông cản xạ phục vụ cho xây dựng nhà máy điện nguyên tử bao gồm bê tông siêu nặng, bê tông hyđrat và bê tông cản xạ phối hợp.