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.
PROJECT
|
OWNER
|
AREAS OF
|
|
|
APPLICATION
|
Salem I Nuclear
|
Public Service
|
Inside application
|
Power
|
Electric & Gas
|
tunnel walls, crack
|
Generating
|
Co. Newark, New
|
repair containment
|
Station, Salem,
|
Jersey
|
building
|
New Jersey
|
|
|
Salem II
|
Public Service
|
Inside application
|
Nuclear Power
|
Electric & Gas
|
tunnel wails, crack
|
Generating
|
Co. Newark, New
|
repair containment
|
Station -
|
Jersey
|
building
|
Salem, New
|
|
|
Jersey
|
|
|
Sequoyah
|
Tennessee Valley
|
Tunnel Walls
|
Nuclear Power
|
Authority
|
|
Station - Daisy,
|
|
|
Tennessee
|
|
|
Peach Bottom
|
Bechtel
|
Condensate
|
Nuclear Power
|
Corporation -
|
discharge tunnels,
|
Station, Delta,
|
San Francisco
|
repair reactor room
|
Pennsylvania
|
|
leaks, 4.5 million
|
|
|
gallon colling
|
|
|
reservoir above
|
|
|
ground
|
Niagara
|
Bechtel
|
Canal Lining
|
Mohawk Power
|
Corporation -
|
|
Corporation,
|
San Francisco
|
|
Glen Falls, New
|
|
|
York
|
|
|
Iron Canyon
|
Pacific Gas &
|
Pump Shaft -125'
|
Dam
|
Electric
|
Water Pressure
|
|
Company, San
|
|
|
Francisco, CA
|
|
Diablo Canyon
|
Pacific Gas &
|
Radiation Waste
|
Nuclear Power
|
Electric
|
Building
|
Plant - San
|
Company, San
|
|
Luis Obispo,
|
Francisco, CA
|
|
California
|
|
|
Midland Nuclear
|
Bechtel Power
|
Interior Crack
|
Power Plant,
|
Corp., Ann Arbor,
|
Repair
|
Midland,
|
Ml
|
|
Michigan
|
|
|
Hope Creek
|
Public Service
|
Structural
|
Nuclear
|
Electric & Gas
|
Foundation Slabs
|
Generating
|
Co.
|
|
Station,
|
Engineer: Bechtel
|
|
Hancocks
|
Power Corp. San
|
|
Bridge, New
|
Francisco CA
|
|
Jersey
|
|
|
Alvin Vogtle
|
Georgia Power
|
Structural Slabs,
|
Nuclear Power
|
Company,
|
Walls, Cooling
|
Plant Units 1
|
Atlanta, GA
|
Tower Structures,
|
and 2
|
Engineer:
|
etc.
|
Waynesboro,
|
Bechtel Power
|
|
Georgia
|
Corp., Los
|
|
|
Angeles, CA
|
|