Выбор и проектирование состава бетона для радиационной защиты

УДК 691.32;691:699.8
ББК 38.33
Д33
Рецензенты:
кандидат технических наук В.А. Дроф, 
директор по научной работе АО «Институт «Оргэнергострой»;
кандидат технических наук Н.И. Бушуев, 
доцент кафедры строительства объектов тепловой 
и атомной энергетики НИУ МГСУ
   Денисов, А.В.
Д33		-  - -   
строительный университет, кафедра строительства объектов тепловой и атомной энергетики. — 
Электрон. дан. и прогр. (1,6 Мб). — Москва : Издательство МИСИ – МГСУ, 2020. — Режим 
доступа: http://lib.mgsu.ru/. — Загл. с титул экрана. 		
ISBN 978-5-7264-2159-9
Учебно-методическое пособие включает материалы для выполнения курсового проекта и практических занятий. В нем описаны порядок и все этапы выбора и проектирования состава бетона для радиационной защиты ядерных реакторов, которая подвергается наиболее значительным радиационным, в том числе нейтронным и термическим воздействиям. Приведены примеры выполнения отдельных этапов выбора 
и проектирования бетонов радиационной защиты на основании требований к материалу защиты и исходных данных по термическим и радиационным нагрузкам, требования к оформлению курсового проекта. 
Основное внимание уделено выбору вида и плотности заполнителя, его наименования исходя из особенностей химического, минерального состава и структуры для обеспечения требуемого содержания водорода, 
плотности, допустимых термических и радиационных изменений. Учитываются также требуемый класс 
бетона по прочности и требуемая подвижность бетонной смеси при изготовлении радиационной защиты.
Для обучающихся по направлению подготовки 08.04.01 Строительство.
Учебное электронное издание
© Национальный исследовательский 
Московский государственный 
строительный университет, 2020

Редактор, корректор Л.В. Себова
Компьютерная вёрстка О.Г. Горюновой
Дизайн первого титульного экрана Д.Л. Разумного 
Для создания электронного издания использовано:
Microsoft Word 2010, Adobe InDesign CS6, ПО Adobe Acrobat
Подписано к использованию 26.03.2020. Объем данных 1,6 Мб.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования 
«Национальный исследовательский 
Московский государственный строительный университет».
129337, Москва, Ярославское ш., 26.
Издательство МИСИ – МГСУ
.
Тел.: (495) 287-49-14, вн. 13-71, (499) 188-29-75, (499) 183-97-95.
E-mail: ric@mgsu.ru, rio@mgsu.ru

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение........................................................................................................................................................5
1. Исходные данные для выполнения курсового проекта и практических занятий...............................7
2. Порядок выполнения курсового проекта и требования к его оформлению.
.......................................7
3. Выбор заполнителей для обеспечения требуемого содержания водорода
в бетоне и плотности бетона........................................................................................................................8
3.1. Выбор заполнителей для обеспечения требуемого содержания водорода..................................8
3.2. Выбор заполнителей для обеспечения требуемой плотности бетона..........................................9
4. Выбор заполнителей для бетона радиационной защиты, исходя из допустимых
радиационно-термических изменений бетона.........................................................................................11
4.1. Общие положения...........................................................................................................................11
4.2. Определение термических изменений и допустимых радиационных 
изменений бетонов радиационной защиты.
.........................................................................................12
4.3. Выбор заполнителей исходя из результатов оценки возможных радиационных 
изменений бетонов на этих заполнителях и их сравнение с допустимыми 
радиационными изменениями бетонов ...............................................................................................13
5. Подбор состава бетона радиационной защиты....................................................................................15
5.1. Подбор состава обычных бетонов и жаростойких бетонов без тонкомолотой добавки .........15
5.2. Подбор состава жаростойких бетонов с тонкомолотой добавкой (при Тм  > 200 ос).................19
6. Расчетная проверка радиационных и радиационно-термических изменений бетона
на выбранном заполнителе и их сравнение с допустимыми изменениями.
..........................................22
6.1. Общие положения...........................................................................................................................22
6.2. Расчеты радиационных изменений минералов, 
входящих в состав материала выбранного заполнителя ...................................................................22
6.3. Расчеты радиационных изменений заполнителей бетонов ........................................................25
6.4. Расчеты радиационных изменений портландцементного камня 
без тонкомолотой добавки .
...................................................................................................................30
6.5. Расчеты радиационных изменений портландцементного камня 
с тонкомолотой добавкой в составе бетона .
........................................................................................31
6.6. Расчеты радиационных изменений раствора в составе бетона .
.................................................32
6.7. Расчеты радиационных изменений бетона радиационной защиты.
...........................................33
6.8. Расчеты радиационно-термических изменений бетона радиационной защиты 
и их сравнение с допустимыми изменениями.
....................................................................................34
7. Заключение о возможности применения выбранного и запроектированного состава бетона
в радиационной защите при заданных условиях и требованиях, а также о его технологическом 
составе и основных свойствах.
..................................................................................................................36
Библиографический список.......................................................................................................................40.
Приложения  ...............................................................................................................................................41
.
.
.
.
.

ВВЕДЕНИЕ
Особенностью зданий и сооружений атомной отрасли является наличие в них источников ионизирующих излучений. Это требует обеспечения радиационной защиты персонала и оборудования 
этих объектов, а также населения и окружающей среды от воздействия ионизирующих излучений.
Наиболее часто радиационная защита выполняется в виде экранов плоской, цилиндрической, 
сферической формы, устраиваемых вокруг оборудования с источниками ионизирующих излучений. 
Эти экраны снижают уровни радиации до допустимых пределов и обычно являются самонесущими 
или несущими конструкциями.
Вследствие воздействия и ослабления ионизирующих излучений в материалах и конструкциях 
экранов радиационной защиты происходят следующие процессы [1, 2]:
–
– образование вторичных ионизирующих излучений;
–
– радиационный разогрев, вызывающий повышение температуры;
–
– образование наведенной радиоактивности;
–
– термические деформации и изменения свойств;
–
– радиационные деформации и изменения свойств;
–
– появление термических и радиационных напряжений.
В связи с этим в общем случае к материалам конструкций радиационной защиты предъявляются следующие требования:
1. Возможна более высокая плотность материала для улучшения защитных свойств от нейтронного и гамма-излучения.
2.Постоянство заданной плотности и однородность материала защиты для исключения прострелов излучений.
3. Определенное, технико-экономически обоснованное содержание водорода или других легких
химических элементов для улучшения защитных свойств от нейтронного излучения.
4. Как можно меньшая интенсивность и энергия вторичного гамма-излучения, образующегося
при замедлении и поглощении нейтронов.
5. Достаточная огнестойкость и жаростойкость.
6. Достаточная радиационная стойкость.
7. Минимальная наведенная радиоактивность, т.е. минимальное количество накапливающихся
в материале защиты под воздействием излучений долгоживущих радиоизотопов.
8. Достаточная конструктивная прочность.
9. Относительно низкий модуль деформации для снижения напряжений, вызванных термическими и радиационными деформациями.
10. Возможно более высокий коэффициент теплопроводности для снижения температур и температурных напряжений.
11. Возможно меньшее температурное и радиационное расширения материала.
12. Меньшая теплота гидратации при твердении (для бетонов).
13. Минимальная усадка в процессе сооружения защиты и в последующий период.
14. Минимальная водопроницаемость и газопроницаемость.
15. Безопасность с точки зрения выделения вредных и взрывоопасных газов.
16. Химическая инертность, и прежде всего к теплоносителю.
17. Нейтральность в отношении коррозионного воздействия на металлы, особенно к стали арматуры.
18. Простота укладки и изготовления защиты, а также ее ремонта и при необходимости замены.
19. Экономичность.
Часть из этих требований обеспечивается за счет применения определенного круга материалов, 
часть из них не всегда являются самыми важными.
В связи с этим материалы экранов радиационной защиты, прежде всего, должны обладать:
–
– требуемой плотностью и особенностями химического состава для обеспечения необходимых 
защитных свойств и коэффициента теплопроводности;
–
– требуемым классом материала по прочности для обеспечения достаточной несущей способности под действием напряжений от различных механических нагрузок, а также от термических и радиационных деформаций;
–
– допустимыми деформациями и изменениями прочности под действием радиации и нагревания;
–
– требуемой подвижностью бетонной смеси для облегчения ее укладки и обеспечения однородности и плотности.
5

В основном радиационная защита выполняется из бетонов на портландцементе, поэтому требуемые защитные и механические свойства, радиационная и термическая стойкость могут быть обеспечены, прежде всего, путем выбора и проектирования бетонов, отвечающих предъявляемым к ним 
требованиям. В основном это осуществляется путем выбора заполнителей, добавок, марки портландцемента, водоцементного отношения и других характеристик его технологического состава. 
При этом наибольшую важность для обеспечения требуемой плотности, прочности, химического 
состава, радиационной стойкости и жаростойкости бетона, подвижности бетонной смеси имеет выбор заполнителей, цементов, расхода воды.
Целью курсового проекта и практических занятий является выбор и проектирование состава бетона для радиационной защиты ядерного реактора как наиболее мощного источника ионизирующих 
излучений, включая нейтронное, наиболее повреждающее материалы. Выбор и проектирование бетона осуществляются на основании исходных данных о радиационных нагрузках, условиях эксплуатации, требований к материалу, места строительства. В качестве вяжущего (цемента) принимается 
портландцемент, который в основном используется для бетонов радиационной защиты как наиболее 
изученный и распространенный цемент. 
Учебно-методическое пособие составлено на основании работ [1–13].

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТА 
И ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
Исходными данными для выполнения курсового проекта и практических занятий являются:
–
– требуемое содержание водорода в бетоне радиационной защиты по табл. П4.1 Приложения 4;
–
– требуемая плотность бетона по табл. П4.2 Приложения 4;
–
– плотность потока повреждающих нейтронов (с энергией более 10 кэВ) по табл. П4.3 Приложения 4;
–
– номинальная ТМ (при 100 % мощности реактора) и аварийная ТА  температура бетона по табл. 
П4.4 и П4.5 Приложения 4;
–
– спектр нейтронов по табл. П4.6 Приложения 4;
–
– предельно допустимые изменения объема и прочности бетона по табл. П4.7 Приложения 4;
–
– варианты минерального состава, крупности зерен минералов, модуля упругости и пористости 
 
материалов заполнителей по таблицам П4.8 и П4.9 Приложения 4;
–
– район строительства по табл. П4.10 Приложения 4.
Кроме того задаются требуемый класс бетона по прочности на сжатие, подвижность бетонной 
 
смеси, модуль крупности песка.
В случае выбора и проектирования бетона для радиационной защиты оборудования, не испускающего нейтроны (из наиболее проникающего излучения воздействует только гамма-излучение), 
данные о плотности потока и спектре нейтронов не приводятся и не учитываются.
2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТА 
И ТРЕБОВАНИЯ К ЕГО ОФОРМЛЕНИЮ
Курсовой проект выполняется в следующей последовательности:
I. Проводится выбор заполнителей для обеспечения требуемого содержания водорода в бетоне 
и плотности бетона (этап I);
II. Проводится выбор заполнителей для бетона, исходя из допустимых радиационно-термических изменений материала (этап II);
III. Проводится подбор состава бетона защиты (этап III);
IV. Проводится расчетная проверка радиационных изменений и радиационно-термических изменений бетона на выбранном заполнителе и их сравнение с допустимыми изменениями (этап IV).
V. Делается заключение о возможности применения выбранного и запроектированного состава 
бетона при заданных условиях и требованиях. Приводятся его технологический и химический состав, основные физические и защитные свойства, данные о вычисленных радиационных и термических изменениях (этап V).
Курсовой проект оформляется на листах А-4, на которых приводятся цель курсового проекта, исходные данные, результаты расчетов и проектирования.
Рекомендуется следующая структура курсового проекта.
1. Цель курсового проекта.
2. Исходные данные.
3. Выбор заполнителей для обеспечения требуемого содержания водорода в бетоне и плотности 
бетона.
4. Выбор заполнителей для бетона радиационной защиты, исходя из допустимых радиационнотермических изменений материала.
5. Подбор состава бетона радиационной защиты.
6. Расчетная проверка радиационных изменений и радиационно-термических изменений бетона 
на выбранном заполнителе и их сравнение с допустимыми изменениями.
7. Заключение о возможности применения запроектированного состава бетона в радиационной 
защите при заданных условиях и требованиях, а также о его технологическом составе и основных 
свойствах.
8. Список использованных источников.
В случае выбора и проектирования бетона для радиационной защиты оборудования, не испускающего нейтроны, а являющегося источником только гамма-излучения, расчетная проверка радиационных изменений не проводится, так как радиационные изменения бетонов под действием гаммаизлучения незначительны.
7

3. ВЫБОР ЗАПОЛНИТЕЛЕЙ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБУЕМОГО СОДЕРЖАНИЯ 
ВОДОРОДА В БЕТОНЕ И ПЛОТНОСТИ БЕТОНА
3.1. Выбор заполнителей для обеспечения требуемого содержания водорода
Некоторое содержание водорода обеспечивает химически связанная вода цементного камня, которую химически связывает цемент бетона. 
Содержание водорода в бетоне, учитывая, что к началу эксплуатации цемент при твердении химически соединяет около 20 % воды от массы портландцемента, но вода выделяется при повышенных температурах эксплуатации, определяется по формуле:
	
Н
КТ
= 0 02
,
Ц
,	
(3.1)
где Н — содержание водорода в бетоне за счет химически связанной воды портландцементного камня, кг/м3;
Ц — расход портландцемента в бетонной смеси, кг/м3, который на стадии проектирования состава бетонов можно принять равным 300 кг/м3;
0,02 = 0,1 ⋅ 0,2 — относительное содержание водорода в цементном камне бетона в эксплуатационный период при 20 ºС, исходя их содержания химически связанной воды 20 %;
КТ — коэффициент снижения содержания химически связанной воды и водорода в цементном камне бетона за счет нагревания, зависящий от максимальной температуры эксплуатации ТМ, 

равный:
KT = 1 — при TМ < 100 ºC;  KT = 0,8 — при TМ = 100 ºС;
 KT = 0,7 — при TМ = 150 ºС; KT = 0,6 — при TМ = 200 ºС;
KT = 0,45 — при TМ = 300 ºС; KT = 0,3 — при TМ= 400 ºС;
 KT = 0,15 — при TМ= 500 ºС; KT = 0 — при TМ = 600 ºС.
В случае если содержание водорода по формуле (3.1) ниже требуемого НТР, то для обеспечения 
требуемого содержания водорода в составе бетона в качестве заполнителей или части их заполнителей используются материалы, содержащие химически связанную воду (гидратные заполнители). 
При этом в качестве таких заполнителей можно использовать:
–
– серпентинит, содержащий около 1,3 % водорода — при температурах до 550 ºС;
–
– брусит, содержащий 3 % водорода — при температурах до 300 ºС.
В связи с этим, если для радиационной защиты требуется бетон с повышенным содержанием водорода, то перед выбором заполнителей по плотности необходимо определить требуемое содержание в бетоне гидратного заполнителя по формуле:
	
З
Ц
Г.ТР
ТР
=
−
100
0 02
(
,
) /
Н
К
К
Т
Н, 	
(3.2)
где Н ТР — требуемое содержание водорода в материале радиационной защиты при эксплуатации, кг/м3;
ЗГ.ТР — требуемое количество гидратного заполнителя в бетоне для обеспечения Н ТР при температуре эксплуатации, кг/м3;
K Н — содержание водорода в гидратном заполнителе, принимаемое по табл. П1.1 Приложения 1, %;
Необходимое объемное содержание гидратного заполнителя в бетоне VГ.ТР при ЗГ.ТР составит:
	
VГ.ТР
Г.ТР
Г.З
З
=
/ γ
,                                                (3.3)
где γГ.З — плотность гидратного заполнителя, кг/м3.
В зависимости от VГ.ТР из гидратного заполнителя следует принимать:
–
– при VГ.ТР = 0,65 – 0,90 — щебень и песок;
–
– при VГ.ТР = 0,4 – 0,55 — только щебень (песок можно принимать из не гидратного заполнителя);
–
– при VГ.ТР = 0,25 – 0,35 — только песок; (щебень можно принимать из не гидратного заполнителя).
Если ЗГ.ТР ≤ 0, то использовать гидратный заполнитель не требуется.
8

3.2. Выбор заполнителей для обеспечения требуемой плотности бетона
Для обеспечения требуемой плотности бетона γбет.тр для радиационной защиты при проектировании состава такого бетона, прежде всего, необходимо подобрать материалы заполнителей с требуемой плотностью. 
При крупном заполнителе (далее — щебня) и песке из одного и того же материала определяется 
их требуемая плотность по формуле: 
	
γ
γ
γ
зап.тр
бет.тр
цк
зап
зап
=
−
−




(
) /
1 V
V
. 	
(3.4)
При применении щебня и песка, изготовленных из  разных материалов, в случае, если предварительно принят материал щебня с плотностью γщ, определяется требуемая плотность песка γп.тр.по 
формуле:
	
γ
γ
γ
γ
п.тр
бет.тр
цк
зап
щ
щ
п
=
−
−
−




(
)
/
1 V
V
V . 	
(3.5)
При применении щебня и песка, изготовленных из разных материалов, в случае, если предварительно принят материал песка с плотностью γп, определяется требуемая плотность щебня γщ.тр по 
формуле:
	
 γ
γ
γ
γ
щ.тр
бет.тр
цк
зап
п
п
щ
=
−
−
−




(
)
/
1 V
V
V , 	
(3.6)
где γбет.тр — требуемая плотность бетона;
γзап.тр и Vзап — требуемая плотность и относительное объемное содержание в бетоне заполнителя 
при применении щебня и песка, изготовленных из одного и того же материала;
γщ.тр, γщ и Vщ — требуемая плотность, принятая плотность и относительное объемное содержание 
в бетоне щебня при изготовлении песка и щебня из разных материалов;
γп.тр, γп и Vп — требуемая плотность, принятая плотность и относительное объемное содержание 
в бетоне песка при изготовлении песка и щебня из разных материалов;
γцк– плотность цементного камня (в кг/м3), определяемая с учетом воздействия максимальной 
температуры нагревания по формуле:
	
γцк =
+
1800 0 8
0 2
( ,
,
)
KT , 	
(3.7)
где KT — коэффициент снижения содержания химически связанной воды в цементном камне бетона за счет нагревания, зависящий от максимальной температуры эксплуатации TM, значения которого приведены выше для формулы (3.1).
Для предварительных расчетов, если повышенное содержание водорода в материале не требуется, 
можно принимать, что крупный заполнитель и песок изготавливаются из одного и того же материала.
В случае если повышенное содержание водорода в материале требуется, то, выбрав гидратный 
заполнитель в качестве песка (или щебня), обеспечение требуемой плотности бетона следует осуществлять путем определения требуемой плотности щебня (или песка).
Кроме того с запасом можно принимать Vзап = 0,70; Vщ = 0,4 и Vп = 0,3.
Далее по требуемой плотности заполнителей по табл. П1.1 Приложения 1 подбираются материалы для заполнителей, которые могут использоваться для обеспечения требуемой плотности бетона 
исходя из условий, что их плотность будет больше или равна требуемой:
	
γ
γ
зап
зап.тр
≥
; 	
(3.8)
	
γ
γ
щ
щ.тр
≥
; 	
(3.9)
	
γ
γ
п
п.тр
≥
.	
(3.10)
При выборе заполнителей необходимо учитывать, что при аварийной температуре защиты TА > 300 ºC 
необходимо применять жаростойкие бетоны, которые можно использовать при температурах более 
300 ºC в соответствии с табл. П1.1. При этом предпочтение следует отдавать материалам, добываемым и используемым в районе строительства или соседних районах. В случае их отсутствия в этих 
9