DE1646883B - Künstliche Zuschlagstoffe fur Betone, insbesondere fur Beton fur den biologischen Strahlenschutz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft künstliche Zuschlagstoffe für die Herstellung von Baukörpern, insbesondere jius Beton für den biologischen Strahlenschutz aus Zementgebin,Jenen i e&<körpe;n in Form von schütt-Hi hi gen Körnungen.

An Betone oder -in Baukörptrn aus Beton müssen bei Verwendung in der Strahlenschutztcclinik besondere Anforderungen gestellt werden. Zum Beispiel ist zur Abgrenzung von schnellen Neutronen zu berücksichtigen, daß die Abschirmwirkung wesentlich vom Wasserstoffgehalt des Betons abhängt, also vom (ichalt an chemisch gebundenem Wasser im Beton. Durch den Aufsat/ »Beton in der Stn.lknschutztechnik« von Thomas Jäger in Atomkernenergie 195S sind eine Reihe von Spczialzementen und Zuschlagstoffen fin Betone bekanntgeworden. Als Spe/.ial/emente sind Zemente vom Typ der Oxychlorid- und Oxysulfat-Zvmenle untersucht worden. die einen höheren Wasseranteil besitzen. Diese Spe-/ial/emente haben sich aber hinsichtlich ihrer Dauerhaftigkeit als nicht zufriedenstellend herausgestellt. Als spezielle Zuschlagstoffe für gewöhnlichen Kiesbeton werden Slahlstanzabfiille und Stahlschrott vorgeschlagen. Auf Grund des geringen Wa^ergehaltes ist aber dieser Beton hinsichtlich der Neutronenslrahlenahsclnväehiing ungünstig.

Durch die deutsche Patentschrift 33X 552 ist es bereits bekanntgeworden. Betonbruch als Zuschlag- .·.'> stoff /u Beton zu verwenden. Der Hctonbruch besteht dabei aus beton der gleichen Beschaffenheit wie derjenige, dem er nunmehr als Zuschlagstoff beigegeben wird, so daß die Eigenschaften des fertigen Betons durch diesen Zuschlagstoff nicht verändert werden. *° Als weitere Zuschlagstoffe für Strahlcnschutzbeton kommen neben normalem Sand und Kies z. B. Baryt, Magnesit, Hämatit, Brauneisenerz. Ilmcnit, Ferrosilicium. Fcrrophosphor, schwere Schlacken (Chrom- und Bleischlackcn) und borhaltigc Stoffe, /., B. Bor- ^f'5 cabide und Boride, in Frage.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, künst liche Zuschlagstoffe für die Herstellung von Baukörpern, !insbesondere aus Beton, zu schaffen, die eine hohe Abächirmwirkung gegen radioaktive Strahlen aufweisen, und deshalb für den biologischen Strahlenschutz geeignet sind. Dabei fallen unter den Begriff »Baukörper« nicht nur solche aus Beton, sondern auch Baukörper bzw. Bauteile auf anderer an sich bekannter Basis, beispielsweise Kunststoffbasis.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zuschlagstoffe lediglich *.us abgebundenem Zement hoher Festigkeit bestehen.

Des weiteren können die künstlichen Zuschlagstoffe außer Zement und chemisch gebundenem Wasser noch ande;e feinkörnige, gemahlene anorganische Stoffe mit einem spezifischen Gewicht von 4 oder größer enthalten.

Die erfindungsgemäßen künstlichen Zuschlagstoffe für die Herstellung von Baukörpern weisen gegenüber den bekannten Abschirmbetonen wesentliche Vorteile auf. Durch die Verwendung von zemontgcbundenen Festkörpern als künstliche Zuschlagstoffe mit ihrem Gehalt an chemisch gebundenem Wasser kann man den Wasserstoffgehalt des lietons gegenüber betonüblicher Zusammensetzung wesentlich, gegebenenfalls um mehr als das doppelte, steigern, um so eine optimale Bremswirkung pcgen schnelle Neutronen zu erzieien.

Des weiteren ergaben entsprechende Untersuchungen. da'3 Betonkörper, die diese Zuschlagstoffe enthalten, eine wesentlich gesteigerte Biegezug- und Druckfestigkeit im Vergleich zu Betonkörper von üblicher Zusammensetzung besitzen.

Ebenso können die künstlichen Zuschlagstoffe neben den Hauptbestandteilen auch eine chemische Verbindung und oder Mineialien solcher Ele~nente enthalten, die einen besonders wirksamen Einfangquerschnilt für thern-^;rchc Neutronen besitzen. Auf diese Weise gelingt es erstmalig in hervorragender Weise, die genannten chemischen Verbindungen, z. B. Borverbindungen, in feinster, sehr gleichmäßiger Verteilung dem Einzelkorn der künstlichen Zuschlagstoffe und damit im gesamten bestrahlten Querschnitt des Baukörpers zweckmäßig einzubringen, um so eine besonders 'titensive Absorptionswirkung gegen thermische Neuronen zu erreichen. Durch die verschiedene stoffliche Zusammensetzungen der künstlichen Zuschlagstoffe können die Baukörper odei der Beton jeweils der Art und Intensität der abzuschirmenden Strahlung optimal angepaßt werden.

Ferner kann durch die Verwendung von künstliehen Zuschlagstoffen bei der Herstellung von Betonkörpern für den Strahlenschutz ein wichtiger technischer Fortschritt dadinch erzielt wcrdci.. daß ar Stelle von schlecht vcrarbeitbaren. sperrigen, gebrochener, schweren Zuschlagstoffen zjmcntgebundeiu Festkörper als künstliche Zuschlagstoffe von rund lieber Kornform mit guter Verarbeitbarkcil treten.

Unter zementgebundenen Festkörpern werdet dabei im allgemeinen solche von großer Festigkeit die mit Wasserzusatz aus handelsüblichen Zemente! allein hergestellt sind, verstanden, ferner auch solche die neben Zement als Bindemittel noch andere fein körnige oder feingemahlene Stoffe, insbesondere solchi von hohem spezifischem Gewicht enthalten. Di< zcmentgcbundenen Festkörper nach der Erfindung werden als schüttfähiges, körniges Gut, vorzugswcis als rundliche Granalien nach an sich bckanntei Verfahrensweisen in abgestuften Korngrößen her gestellt.

Ik-tone die nach den hekannlen Regeln der Belonlechneologie mit den eiTmdungsgemüßen Zuschlagstoffen hergestellt werden, besitzen in vorteilhafter Weise unter vergleichbaren Bedingungen eine erheblich höhere Biegezug- und Druckfestigkeit und Betonfestigkeit als gewöhnlicher Beton.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform können die zementgebundenen Körper mit einem Gehalt an chemisch gebundenem Wasser nur aus abgebundenem Zement in Form von schültfähigen Körnungen hestehen.

Nach einer weiteren Ausführungsform enthalten die zementgehundenen Festkörper außer Zement und chemisch gebundenem Wasser auch noch andere feinkörnige, vorzugsweise gemahlene, schwere anorga- ι s Mische Stoffe mit einem spezifischen Gewicht von ct\»a 4 und darüber.

Nach einer weiteren Ausführungsform enthalten «.lic /ementgebundenen Festkörper gemäß vorliegender hrlindung solche chemische Verbindungen und/ μ oder Mineralien die. wie z. B. IW. einen großen wirksamen Finfangquersehnitt für thermische Neuitronen besitzen.

Zur I lerstellung können die künstlichen Zuschlagstoffe mit Sattdampf oder mit gespanntem Dampf, 2j vorzugsweise bei S bis 15atü. behandelt werden.

Beispiele der Frfindung werden im folgenden dargestellt und erläutert.

Dabei zeigen die Diagramme der Fig. 1 die gemessenen iichwächungsfaktoren für die Abschirmung eines Normalbetons N und eines Spezialbetons S₅ in Abhängigkeit von der Stärke der Betonplatte, und zwar für "Gammastrahlung /: = 0.662 McV. Die Kurven V und .V, des Diagramms gelten für eine Strahlung einschließlich der Streustrahlung und die Kur- 3.·> ven ;V und .S₅ für eine Strahlung ohne Streustrahlung.

Die Diagramme der Fig. 2 zeiger, die Schwäehim^sfaktoren für schnelle Neutronen, und zwar in \bhängigkeit von der Stärke der Betonplatte für Normalbeton λ' und Spezialbcton .V₅ und .V,,.

Zum Vergleich wurden verschiedene Rüttelbetone folgender Zusammensetzung hergestellt und geprüft:

Beton .1. Normalbeton aus Kiessand.
Größtkorn 15 mm

111

' \erdichteter Frischbeton, bestehend aus

Portlandzement ....
Wasser, W/Z = 0,55
Luftporen, etwa

1 Volumprozent..
Sand 0 bis 3 mm ...
Sand 3 bis 7 mm ...
Kies 7 bis 15 rrm...

les>. ich I
lkt!l

3H0
209

770
418
562

2339 Beton B, Spezialbeton

Zuschlagstoffe: Quarzmehl 0/0,2 mm und Körnungen aus abgeb. Zement der Größen 0,2/3, 3 7 und 7/15 mm

Portlandzement

Wasser, W/Z = 0,55

Luftporen, 1 Volumprozent
Quarzmehl, 0/0,2

Gebr. Körnung

0,2/3

3/7

7/15

N.ich leu ichl

3S0 209

175

504

358 475

2091

0,121 0,209 0,010 0.066

0,224 0.159 0.211

1.000

Der erhärtete Beton enthielt etwa 165 bis 170 kg m¹ ehem. geb. Wasser.

Die Druckfestigkeit wurde an drei Probewürfeln von 20 cm Kanlenlänge und die Biegezugfestigkeit an drei Balken der Abmessung 70 κ K) χ 15 cm bestimmt, dabei ergab sich als Mittelwert:

DrucklcMiL Ik ρ air	liiuc	keil ι '«I	Bicüc/uy lcsliukei (kp curl
	603		:s I .IUC
490	; 463	: 645 j	95
355	489	61

Nach
Kiiumlcilcn

Im¹I

0.121
0,209

0,010 0,290 0,158 0,212 1,000 Spezialbeton B . . .
Normalbeton Λ . .

Die außerordentlich gute Abschirmwirkung gegen Neutronen- und Gammastrahlung erbrachten zahlreiche Messungen an Betonplatte)! der Abmessungen 40 χ 40 χ 5 cm. Solche Platten wurden aus Nonnalbelonen N mit Kies als Zuschlagstoff und aus Spezialbctoncn .S' mit dem vorliegenden künstlichen Zuschlagstoff hergestellt.

Die nachfolgende Tabelle enthält die bei Versuchen ermittelten 1 lalbwertsschichtdickcn in Zentimeter, wobei zum Vergleich noch die entsprechenden Werte für Paraffin und Blei angegeben sind:

60 Normalbeton

Spezialbetone

Der erhärtete Beton enthielt etwa 65 bis 70 kg/m³ ehem. Beb. Wasser.

Paraffin
Blei ...

	(Mniiiin-	8,0
NculrnniMi-	Abvchirmunü	8,0
\bschiimiinii	lu-i 1.7 McV	6,7
cm	cm	6,0
15,2	6,0
11,8
10,4
9,0
8,4
7,7

Beton N, Normalbeton aus Kiessand m³ verdichteter Frischbeton, bestehend aus

Portlandzement

Wasser. WZ = 0.55

Luftporen. 1.5 Volumprozent

Sand. 0/3 mm

Sand. 3/7 mm

Sand. 7/15 mm

Nach Gewicht

(kg)

380 209

782 382

572

Nach Raumleilen

(nv'| Beton S3, Spezialbeton

Zuschlagstoffe: gebr. Eisenerz 0.2/3 mm und Körnungen aus abgebundenem Zement

0,121 0.209 0.015 0.295 0.144 0.216

1.0(X)"

"T "T

Nach Nach

Gewicht RauTiHeilen

lkgl inv'l

Der erhärtete Beton enthielt etwa 65 bis 70 kg nr¹ ehem. geb. Wasser.

Beton SI. Spezialbeton

Zuschlagstoffe: Quarzmehl 0/0.2 mm und Körnungen aus abgeb. Zement

Portlandzement

Wasser. W Z = 0.55

Luftporen. 1 Volumprozent

Quarzmehl. 0 0.2

Gebr. Körnung. 0.2 3

Runde Körnung. 3 7

Runde Körnunc. 7 15

Nach	Nach
Gewicht	Raunueilcn
Ikgl	I im')
380	1 0.121
209	' 0.209
—	0.010
175	0.066
510	0.211
400	: 0.165
530	0.218 i

Portlandzement*)

Wasser. WZ = 0.45

Luftporen. 1.5 Volumprozent

Gebr. Eisenerz. 0 3 mm

Runde Körnung. 3 7 mm
Runde Körnung. 7 15 mm

"I 2"o CaH,, /ujromahlcn.

400 0.127

IKO 0.180

1526

0.015 0.339

sp. Gew. 4.50 313 0.136

468 0.203

2887 1.000

35

2204

1.000

Der erhärtete Beton enthielt etwa 165 bis 170 kg nr' ehem. geb. Wasser.

Beton S 2. Spezialbeton

Zuschlagstoffe· gebr. Eisenerz0 3 mm und Körnungen aus abgeb. Zement

1 nr¹ verdichteter Frischbeton, bestehend aus Der erhärtete Beton enthielt etwa 1 .<0 bis 140 kg nr^x ehem. geb. Wasser.

Beton S4. Spezialbeton

Zuschlagstoffe: Gebr. Eisenerz 0.2 3 mm und KöriL-n aus 2 Gewichtstcilen Zement + 1 Gewichtsteil gemahlenes Eisenerz. 3 7 und 7 15 mm

1 nv' verdichteter Frischbeton, bestehend aus

45

Portlandzement*)

Wasser. W Z = 0.50 . ..
Luftporen. 1.5 Volumprozent

Gebr. Eisenerz. 0/3 mm

Runde Körnung. 3/7 ....
Runde Körnung, 7 15 .. .

Nach Gewicht

(kg)

350 175

1318

403

531

Nach Raumteiler!

Im³I

0.111 0.175

55

0.015

0.293

sp. Gew. 4.50

0.175 0.231

2777

1.000

*l l"o Tetrahorcarhid iB^Cl /ugcmahlen.

Portlandzement*)
Wasser. WZ = 0.50 ....
Luftporen. 1.5 Volumprozent

Gebr. Eisenerz. 0.2 3 mm

Zement + Erz-Körnung

3/7

7/15

*) 2% CaB,, 7ugemahlen.

Nach Gewicht

(kcl

400 200

Nach

Raumleilen inv'l

0.127

0.200

— 0.015

1480 0.329

sp. Gew. 4.50

356

532

0.132 0.197

2968

1.000

Der erhärtete Beton enthielt etwa 135 bis 140 kg/m³ ehem. geb. Wasser.

Der erhärtete Beton enthielt etwa 115 bis 120 kg/m-¹ ehem. ceb. Wasser.

1976

Beton SS und S 6, Spezialbeton

Zuschlagstoffe: 0/1.5 und 1,5/3 mm gebr. Eisenerz und Körnungen aus 2 Gewichtsteilen Zement + 1 Gewichtsteil gemahlenes Eisenerz, 3/7 und 7/15 mm

Portlandzement*)
Wasser. W /. = 0,50
Luftporen. 1,5 Volumprozent

Gebr. Eisenerz

0/1.5 mm

1.5'3 mm

Nach Gewicht

(kg)

400 200

792 475

Nach Raumteilen

0.127 0,200

0.015

0.165 sp. Gew.

0.099 sp. Gew. 4.8

·) In Beton V 5: Γ » CaB₁, im Zement ills Bindemittel.

Zement- + Erz-Körnung

7/15**)

Nach Gewicht

(kg)

447

627

Nach Raumteiler

im')

0,164 0.230

2941

1.000

*·) In Beton S 6: l°o CaB,, im Zement als Bindemittel, und auch im /.emcnlanleilder Körnungen 3 7 und 7 15.

Der erhärtete Beton enthielt etwa 115 bis 120 kg in' ehem. geb. Wasser.

Auf Grund der ausgezeichneten Abschirmeigenschaften sind Bauelemente, insbesondere aus Beton die den vorliegenden künstlichen Zuschlagstoff enthalten, gut geeignet, um Reaktoren. Linearbeschleuniger. Betatrons. Kobalt- und Caesiumquellen ir der Strahlentherapie. Röntgenstrahlen usw. abzu schirmen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

109 584/2

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Künstliche Zuschlagstoffe für die Herstellung von Baukörpern, insbesondere aus Beton Tür den biologischen Strahlenschutz aus zemenigebundenen Festkörpern in Form von schüttfühigen Körnungen, dadurch gekennzeichnet, daß diese lediglich aus abgebundenem Zement hoher Festigkeit bestehen.

2. Künstliche Zuschlagstoffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese außer Zement und chemisch gebundenem Wasser noch andere feinkörnige, gemahlene anorganische Stoffe mit einem spezifischen Gewicht von 4 oder größer enthalten.

3. Künstliche Zuschlagstoffe nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß diesu neben den Huii[ii bestandteilen auch eine chemische Verbindung und oder Mineralien solcher Elemente einhaken, die einen besonders wirksamen Einfangquerschnitt für thermische Neutronen besitzen.