بتن سنگین

به علت زیانی که تششعشعات هسته‌ای بر روی محیط زیست می‌گذارد دفع یا جذب این پرتوها از اهمیت زیادی برخوردار است. بتن ماده‌ای است که می‌تواند این پرتوها را به راحتی جذب کند و در این فرآیند چگالی بتن عامل مهمی در جذب پرتوها است از این رو به دلیل محدودیت‌های اجرایی و ضخامت، از بتن سنگین استفاده می‌شود.

بتن به عنوان یکی از رایج‌ترین و مقرون به صرفه‌ترین مصالح، در ساخت حفاظ بیولوژیکی پرتوهای گاما و نوترون مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای طراحی حفاظ بتنی در برابر پرتوهای گاما، هر چه چگالی بتن بیشتر باشد، خاصیت تضعیف کنندگی بهتری دارد، لذا استفاده از سنگدانه‌های سنگین در بتن، باعث افزایش چگالی آن و کاهش ضخامت مورد نیاز برای حفاظ می‌شود. ‌

جهت ساخت حفاظ در برابر پرتوهای نوترون و گاما می‌توان از مصالح مختلفی استفاده کرد. بتن به عنوان یکی از رایج‌ترین این مصالح، به منظور حفاظت بیولوژیکی در نیروگاه هسته‌ای، واحدهای پزشکی و صنعتی و مراکز تحقیقات هسته‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرد‌. دیوارهای ضخیم ساخته شده از بتن معمولی، معمولاً به منظور حفاظ بکار برده می‌شوند. 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 حفاظ‌های موجود باشد، ضخامت بتن مورد نیاز را با استفاده از بتن سنگین کاهش می‌دهند.

بتن ماده خوبی برای حفاظ سازی در برابر پرتوهای نوترون و گاما است. برای بالا بردن جذب نوترون‌های حرارتی بدون ایجاد اشعه‌ی گامای پر انرژی می‌توان ترکیبات بورن به بتن اضافه نمود. ترکیبات بورن باعث کاهش استحکام بتن می‌شود. برای بالا بردن ضریب تضعیف کنندگی بتن برای نوترون‌ها و پرتوهای گامای پر انرژی از سنگدانه‌های سنگین استفاده می‌شود.

بتن های سنگین و بتن‌های بوردار با سنگدانه‌های سنگین، در بسیاری از کشورها مورد بررسی قرار گرفته اند. از جمله در مورد برخی از خواص فیزیکی بتن‌های سنگین حاوی مگنتیت و سرپانتین و در مورد خواص بتن حاوی بور و باریت تحقیقاتی انجام داده‌اند.

بررسی سنگدانه‌ها‌

برای حفاظ نوترون‌ها، اغلب ترکیبی از سه گروه از مواد شامل نوعی ماده سنگین، مانند آهن، باریم و یا عناصری با عدد اتمی بالاتر برای کاهش سرعت نوترون‌های سریع از طریق برخوردهای ناکشسان و عناصر سبک مانند هیدروژن، برای کاهش سرعت نوترون‌های نیمه سریع، از طریق برخورد کشسان، و در نهایت، حذف نوترون‌های کند، از طریق عمل جذب ضروری است. در اثر جذب نوترون‌های حرارتی در مواد حفاظ، پرتوهای گامای پر انرژی تولید می‌شوند. این پرتوها به دلیل قابلیت نفوذ زیاد در مواد، موجب افزایش ضخامت حفاظ می‌شوند. در میان مواد جذب کننده نوترون در حفاظ، عنصر بور ضمن داشتن خصوصیت جذب بالا برای نوترون‌های حرارتی، پرتوهای ثانویه با انرژی پایین تولید می‌نماید که قابلیت نفوذ کمتری دارند. به همین دلیل مواد حاوی بور اغلب در حفاظ‌های نوترون مورد استفاده قرار می‌گیرند. 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 سنگدانه‌ها‌

انتخاب سنگدانه‌ها 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. سنگدانه‌های سنگین یا با دانسیته بالا شامل مواد معدنی ‌و سنگ‌های متشکل از مواد معدنی‌ و مصالح مصنوعی، که توده ی ویژه‌ی بالایی دارند و در افزایش مقدار مواد با عدد اتمی بالا نقش دارند، در این دسته سنگدانه‌های زیر ذکر می‌شوند.

1. ‌مواد معدنی و کانی‌های آهنی مثل هماتیت، ایلمنیت، گوتیت، لیمونیت و مگنتیت، و مواد معدنی و کانی‌های باریم مثل ویتریت و باریت و …
2. ‌سنگدانه‌های مصنوعی مثل آهن، فولاد، فروسفر

دانسیته بالا در مصالح یک مشخصه خیلی خوب خصوصاً برای تضعیف کردن تابش فوتون‌ها است. استفاده از بتن سنگین معمولاً باعث کاهش ضخامت بتنی می‌شود که برای حفاظت از تابش هسته‌ای ضروری است. توده‌ی ویژه سنگدانه‌های معمولی برای بتن، عموماً ۲/۵ و ۳ است در حالی که سنگدانه‌های سنگین توده‌ای ویژه‌ای بیش از ۳ دارند.

از میان سنگدانه‌های سنگین بیان شده در این استانداردها، سنگ آهن و باریت به وفور در ایران یافت می‌شوند. بیش از ۹۵ معدن باریت و ۵۵ معدن سنگ آهن در کشور وجود دارد.

مواد افزوده

گاهی برای بهبود خصوصیات حفاظت نوترونی بتن از مواد افزودۀ بوری مانند کولمانیت (هیدرات برات کلسیم)، بورفریت و بورکلسیلت استفاده می‌شود. به هر حال این مواد ممکن است بر روی گیرش و مقاومت اولیۀ بتن تاثیر معکوس داشته باشند. بنابراین برای تعیین مناسب بودن این مواد باید با استفاده از مواد افزوده مخلوط‌های آزمایشی در شرایط کارگاهی تهیه کرد. برای به حداقل رساندن هر تاثیر کندگیر کننده می‌توان از آهک هیدراتۀ فشاری هم اندازۀ 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 ۵۵ درصد کاهش یابد.

با افزایش چگالی بتن‌، خصوصیات زیادی از بتن افزایش یافته یا دستخوش تغییر خواهد شد. یکی از مهمترین این خصوصیات مقاومت سایشی بتن است‌. در صورت یکسان بودن سایر شرایط با افزایش چگالی بتن‌، مقاومت سایشی آن نیز افزایش می‌یابد.

با کاربرد برخی مواد افزودنی پیشرفته می‌توان 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 می‌یابد. بتن سنگین همواره هزینه ساخت بیشترى نسبت به بتن‌هاى معمولى دارد. این اضافه قیمت مى‌تواند 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 می‌شود. 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 مجموعۀ ویژه‌ای از مصالح، می‌توان‌ به مقاومت‌هایی قابل مقایسه با بتن‌های 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 می‌گیرد که به کاهش وزن آن می‌انجامد، باید نسبت اجزاء بتن به گونه‌ای تعیین شود که جرم حجمی تازه آن به اندازه مقدار پیش بینی شده کاهش جرم، بیشتراز جرم حجمی خشک مورد نیاز آن باشد.‌

اگر برای مقابله با شرایط نامساعد نیاز به هوازایی در بتن باشد، باید کاهش جرم ناشی از اشغال فضا بوسیله‌ی حباب‌های هوا در نظر گرفت. نمونه مصالحی که به عنوان سنگدانه بکار می‌روند در جدول زیر آمده است.

نمونه سنگدانه‌های سنگین وزن

طرح اختلاط پیشنهادی اول (برای بتن سنگین با وزن مخصوص ۴۰۰۰-۳۰۰۰ کیوگرم بر متر مکعب)

فرضیات: مقاومت فشاری ۲۸ روزه برابر با ۲۵ مگاپاسکال، بزرگترین اندازه دانه ۳۹ میلیمتر، اسلامپ ۵۵ ۹۵ میلیمتر در‌ محل بتن ریزی، چگالی سیمان ۳/۱۵ و مشخصات سنگدانه‌ها نیز بر اساس نتایج آزمایشگاهی به شرح جدول زیر است.

طرح اختلاط به روش حجمی و با اعمال اصلاح رطوبتی‌

طرح اختلاط پیشنهادی دوم (برای بتن سنگین با وزن مخصوص بالاتر از ۱۵۵۵ کیوگرم بر متر مکعب)

فرضیات: مقاومت فشاری ۲۸ روزه برابر با ۳۱ مگاپاسکال، بزرگترین اندازه دانه ۲۵ میلیمتر، اسلامپ ۷۵-۵۰ میلیمتر در محل بتن ریزی، چگالی سیمان ۳/۱۵ و مشخصات سنگدانه‌ها نیز بر اساس نتایج آزمایشگاهی به شرح جدول زیر است.

مشخصات سنگدانه‌های طرح پیشنهادی دوم

با طرح اختلاط به روش حجمی و همچنین اعمال اصلاح رطوبتی