Применение базальтовой ваты в сооружениях АЭС

Разработка и применение новых материалов одно из важнейших направлений в современном материаловедении. Применение современных материалов и технологий одна из актуальных задач при строительстве объектов атомной энергетики. В данной работе рассматривается возможность применения базальтовой ваты при изготовлении конструкций АЭС, исследуется влияние базальта на прочность цемента.

Базальт — горная порода с отличными характеристиками. Камень базальт имеет чёрный, дымчатый, тёмно-серый или зеленовато-чёрный цвет. Основу его состава образуют авгит и полевой шпат. Плотность камня составляет 253,0–297,0 МПа. Водопоглощение варьируется в пределах от 0,25 до 10,2 %. Коэффициент Пуассона составляет 0,20–0,25. Удельная теплоёмкость 0,85 Дж/кг•К. Температура плавления находится в пределе 1100–1250 °C, в некоторых образцах горных пород этот показатель доходит до 1450 °C. Сопротивление находится в пределах 60–400 МПа. В минеральный состав базальта входит: вулканическое стекло, микролиты плагиоклазов, титаномагнетита, магнетита, а также клинопироксена. Структура минерала — порфированая, стекловатая или скрытокристаллическая афировая. Породы первой разновидности отличаются наличием небольшого количества примесей призм пироксенов чёрного цвета, а также изометричных кристаллов оливина, имеющего жёлто-болотный оттенок. Подобные вкрапления могут достигать четверти всей массы. Помимо этого, в составе базальта может присутствовать роговая обманка и ортопироксен. Самым распространенным акцессорным минералом считается апатит [1].

Базальт используют как строительный камень, как сырье для изготовления минеральной ваты, в качестве наполнителя для бетонов, а так же для каменного литья. Более того из него делают дорожное покрытие и облицовочные камни, производят кислотоупорный порошок и щебень. Кроме того из базальта производя волокно, из которого в свою очередь изготавливают различные теплозвукоизоляционные материалы [2].

Очень популярны базальтовые облицовочные плиты, выполняющие не только декоративную функцию, но и являющиеся отличными изоляторами. А устойчивость базальта к атмосферным осадкам позволяет его использовать для наружных отделочных работ и отливания скульптур [3]. Материалы, изготовленные на основе базальта, обладают следующими характеристиками: устойчивость к истиранию; стойкость к воздействию щелочей и кислот; отличная теплоизоляция; хорошее шумопоглощение; прочность; термоустойчивость; высокая диэлектричность; паропроницаемость; долговечность; экологичность [4].

В лаборатории «Эксплуатационная надежность строительных материалов и конструкций БИТИ было исследовано изменение механической прочности образцов, полученных из цемента и их прочность при введении различных добавок и измельченной базальтовой ваты.

Образцы изготавливались с использованием портландцемента марки ПЦ 400 и измельченной базальтовой ваты просеянной через сито № 0.2. Минеральный состав портландцемента: C3S, C2S, C3A, C4AF. Удельная поверхность 310м2/кг. Химический состав цемента: SiO2, AL2O3, Fe2O3, CaO, MgO, SO3, ППП — 0,5. Исследованы пробы цемента после хранения в течении 7–28 сут при нормальных условиях хранения (температура 20±2С0, влажность 100 %) [5]. Базальтовая вата (пыль) вводилась в количестве 2,5 и 5 % от массы цемента. Цемент со специальным Вольским песком и базальтовой пылью перемешивали в шаровой мельнице в течение 2 часов.

Испытания проводились на образцах цементного камня размером 4×4×16см, полученных в результате твердения теста нормальной густоты при нормальных условиях и после тепловлажностной обработки по режиму: подъем температуры в течение 3 ч, выдержка при температуре 850С в течение 6 ч и снижение температуры в течение 2 ч.

Эксперимент на образцах цементного камня проводился в два этапа. Все образцы были изготовлены согласно ГОСТ [5]. После первых суток образцы распалубили и пропарили 12 часов и испытаны на третьи сутки, 14 сутки и 28 сутки.

1этап. Он состоял из трех замесов различного состава.

1. Первый замес. Проводились исследования контрольного образца (цементного раствора) 500гр цемента, 1500кг песка и 200мл воды, вода подбирается из следующего соотношения В/Ц=0.4 (табл.1, зам.1).
2. Второй замес был произведен из цемента 487.5гр, песка 1500гр, воды 195мл и базальт размельченного и просеянного через сито № 0.2 (918 отв. На см2), т. е. 2.5 % от 500р цемента (табл.1, зам.2).
3. Третий замес также был произведен из цемента 475гр, песка 1500гр, воды 190мл и базальта также размельченного и просеянного через сито № 0.2 (918 отв. на см2), т. е. 5 % от 500р цемента (табл.1, зам.3).

Испытание контрольных образцов

2этап. На этом этапе эксперимент проводился на 33 образцах (11 замесов) с различными добавками (табл. 2).

Таблица 2

Результаты испытаний образцов с различными добавками и базальтом

Результаты проведенной работы испытаний показывают, что с введением измельченной базальтовой ваты прочность образцов увеличивается более чем на 2,5 %, а различные добавки не снижает их прочность. Это позволяет рекомендовать базальт (путем включения в цемент в виде размельченной ваты) к применению в различных конструкциях АЭС повышенной несущей способности.

Литература:

1. Волков И. В. Фибробетон: состояние и перспективы применения. Промышленное и гражданское строительство, 2002, № 9. С. 37–38.
2. http://www.stroy-info.ru/bazalt/ Информационно-строительный портал.
3. http://teploizolyaciya-info.ru/mat/bazaltovoe-volokno-sovremennyj-material-s-unikalnymi-xarakteristikami.html. Базальтовое волокно — современный материал с уникальными характеристиками.
4. Артёменко С. Е. Будущее за базальтовыми волокнами и композитами на их основе / С. Е. Артёменко, О. Г. Васильева, Ю. А. Кадыкова, А. Н. Леонтьев // Листовое стекло. Междунар. конф. — Саратов: изд-во СГТУ, 2002. — С. 125–128.
5. ГОСТ 31108–2003. Цементы общестроительные. Технические условия. М.: МНТКС, 2004. Актуализирован 15.10.2015.