ES2330912A1 - Masa pesada refractaria para la ejecucion de barreras de radioproteccion y de acumulacion termica. - Google Patents
Masa pesada refractaria para la ejecucion de barreras de radioproteccion y de acumulacion termica. Download PDFInfo
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Abstract
La masa, está estructurada a base de cemento de aluminato de calcio, áridos, agua y aditivos químicos que modifican las características del hormigón. Dicha masa utiliza como árido magnetita, hematita o granalla de acero, con una granulometría muy continua para conseguir una perfecta homogeneidad en la masa (curva de Fuller), acompañada de una alta densidad, determinantes de un óptimo efecto barrera frente a las radiaciones, pudiendo soportar altas temperaturas sin que exista perdida estructural y por lo tanto manteniendo el efecto barrera. La masa resulta idónea para la obtención de hormigón vertido, hormigón para ladrillos, y mortero, utilizables en la edificación de recintos radioactivos en los que se manejen energías superiores a los 450 KeV, etc. Por otra parte bloques prefabricados de masa mixta, la de alta densidad con gran capacidad de acumulación térmica y otra con el efecto contrario, es decir de baja capacidad y baja conductividad, permiten que los prefabricados emitan la energía térmica por las mismas caras por las que la absorben.
Description
Masa pesada refractaria para la ejecución de
barreras de radioprotección y de acumulación térmica.
La presente invención se refiere a una masa
pesada, especialmente concebida para constituir una barrera de alta
capacidad de radioprotección para energías superiores a los 450 KeV
con y capacidades de resistencia térmicas que superan los 1200ºC
sin pérdida de capacidades estructurales, y manteniendo la
compacidad de la masa.
Una consecuencia obtenida en el proceso de esta
invención, es un producto de muy alta capacidad y conductividad
térmica.
El objeto de la invención es, por una parte, el
proporcionar una masa para la construcción de blindajes que
aseguren su estabilidad estructural ante altas temperaturas, y por
otra, la construcción de módulos o unidades con capacidad de
acumular energía térmica y dirigir su descarga.
Los hormigones con capacidad de
radio-protección, tienen, a parte de los
componentes habituales de cemento, agua y aditivos químicos que
varían en función de las características que se pretendan para el
mismo, tales como resistencia, tiempo de fraguado, protección frente
a la congelación, aseguramiento de la ausencia de fisuración,
ambiente marítimo, etc., un árido que los diferencia de los
hormigones convencionales y que tiene que ser pesado, es decir de
alta densidad específica, y que la estructura atómica del
componente principal del árido, sea eficaz a las partículas atómicas
generadas por el foco radiactivo que se presente confinar o
aislar.
En este sentido se utiliza fundamentalmente
áridos naturales con alto contenido de hierro, como es la magnetita
o la hematita.
Sin embargo este tipo de masas pesadas están
obtenidas, habitualmente, a partir de cemento Pórtland, de modo que
con dicha composición no aguantan elevadas temperaturas, de forma
reiterada y repetitiva, de manera que acaban por resquebrajarse y
fisurarse, perdiendo su capacidad estructural, y por lo tanto la
capacidad de barrera de aislamiento a las radiaciones.
Así pues, el solicitante no tiene conocimiento
de la existencia de una masa pesada que constituya una barrera de
alta capacidad de radioprotección para energías superiores a los
450 KeV y con capacidades de resistencia térmicas que superan los
1200ºC sin pérdida de capacidades estructurales, así como que
mantenga la compacidad de la masa, todo ello merced a la
estructuración que a continuación se describe.
La masa pesada que la invención propone resuelve
de forma plenamente satisfactoria la problemática anteriormente
expuesta, en los diferentes aspectos comentados.
Para ello, y a partir de la composición
anteriormente citada para hormigones de radioprotección, en la que
participan áridos con alto contenido en hierro, como es la
magnetita o la hematita, la masa de la invención centra sus
características en el hecho de incorporar cementos a base de
aluminatos de calcio, lo que permite superar los 1200ºC sin pérdida
estructural.
De forma más concreta, en cada fracción
granulométrica, se ha de intentar conseguir una curva lo más
similar posible a la de FULLER, para conseguir una gran
compacidad.
Opcionalmente podrá utilizarse, de forma
adicional, granalla metálica de hierro, en el caso de poder
disponer una curva granulométrica similar a la comentada. En caso
contrario, y debido a la aminoración de la homogeneidad de la masa,
no se plantea su utilización.
Es muy importante cuidar las curvas
granulométricas al formato a crear, para evitar que las distintas
dilataciones generen tensiones suficientes como para generar
roturas estructurales.
La masa descrita, además posee unos parámetros
térmicos muy importantes, como su alta capacidad calorífica y su
alta conductividad térmica.
Si bien, y como ya se ha apuntado con
anterioridad, el objeto principal de la invención es la obtención
de blindajes atómicos, la masa de la invención resulta sumamente
útil en otras aplicaciones, como son, en el área industrial, los
acumuladores térmicos para calefacciones, hornos tanto en el ámbito
de la cerámica tanto profesional ó industrial como artesanal, así
como los de aplicación hostelera ó alimentaria, por la ausencia de
toxicidad de sus componentes, y otras aplicaciones similares.
Como una optimización de estas funciones, en lo
que se refiere a conseguir un bloque que emita su energía térmica
acumulada por la misma cara por la que la toma, se ha conseguido
que en una misma masa, una parte tenga la función de acumulación
térmica, con los minerales pesados descritos anteriormente, y otra
parte del mismo bloque, el árido que compone dicha masa es una roca
volcánica vítrea, con una muy baja conductividad térmica, por lo
que su efecto de aislamiento térmico es óptimo, además de ser "no
toxico" y químicamente inerte, pudiendo efectuar su función de
aislamiento hasta los 1100ºC sin pérdidas estructurales, esta
peculiaridad hace que la rentabilidad y eficiencia de los hornos u
otros elementos fabricados con estos sistemas sea muy superior a
los sistemas actuales.
De la situación anterior se han obtenido
respuestas que hacen de esta masa refractaria de alta densidad, con
densidades de hasta 4,15 Kg/dm^{3}, tenga muy alta capacidad de
radio protección, tanto respecto a las partículas gamma como a los
neutrones, como una alta capacidad calorífica y conductividad
térmica.
Por otra parte la obtención de masas de hormigón
ejecutadas con el mismo tipo de cemento a base de aluminatos de
calcio, con el único objetivo de controlar la descarga de la
energía térmica absorbida y acumulada de una masa compacta. En esta
preparación se ha utilizado la PERLITA con dos perfiles
granulométricos, uno de 0 a 1,5 mm y el otro de 0 a 5 mm.
Obteniéndose unos coeficientes de conductividad térmica (\lambda)
muy bajos, en el intervalo de 0,065 y 0,12 W/mºK, en cuanto a su
capacidad calorífica, también es muy baja, debido a la forma de
obtención de este árido, mediante expansión térmica, ya que es un
vidrio natural con un 95% de poros por volumen. Estos dos
parámetros hacen de este material, un componente idóneo para la
aplicación que se pretende.
El proceso de efectuar una masa compacta que
ofrezca la función de absorber energía térmica, acumularla y
emitirla por las mismas superficies por las que fue absorbida, es
la parte delicada, por una parte porque la masa que se debe obtener
debe ser compacta y continua estructuralmente, y por otra se ha de
tener en cuenta la diferencia de densidad, por una parte entre la
magnetita, hematita o acero por encima de los 4,7 Kg/dm^{3}, y la
Perlita por debajo de los 0,11 Kg/dm^{3}, y por otra, quizás más
delicada, la dureza de dichos áridos, la magnetita y/ó hematita,
minerales compactos, con unas durezas entre 5,5 y 6,5 en la escala
de Mohs, respecto a otro material, la Perlita, que es un vidrio
expandido térmicamente, en donde el 95% de su volumen son poros,
por lo que su dureza versus fragilidad es muy alta, esta
última hace del proceso de amasado una labor muy delicada para
evitar la rotura del árido
Esta situación se soluciona, cuidando dos
aspectos muy importantes en la producción.
En el caso de obtención de masas pesadas, la
mezcla de la masa pesada se ha de ejecutar de manera que la mezcla
granulométrica debe ser la adecuada, asemejándose lo máximo posible
a la curva de Fuller, y con una relación a/c baja, generando una
masa más bien seca, y sobre todo efectuando un vibrado externo de
muy alta frecuencia.
Cuando se pretenda obtener masas ligeras, la
mezcla de la masa ligera se ha de ejecutar de manera que sobre una
mezcla de cemento de aluminato de calcio, agua y aireante, con una
relación A/C \approx 0,85 se vierta lentamente el árido de
perlita. Esta masa se debe mover lentamente hasta homogeneizarla,
manteniendo lo mejor posible la integridad física del árido. No
conviene efectuar vibrado alguno y de hacerlo deberá ser leve y en
baja o muy baja frecuencia, y nunca interno mediante aguja de
vibrado. No se deberá utilizar la
vibro-compresión.
Por último cabe la posibilidad de obtener una
yuxtaposición de las dos masas (pesada y ligera), en cuyo caso se
vierte la masa ligera sobre la mezcla pesada anterior y se efectúa
un vibrado externo de muy bajas frecuencia y corto, todo ello sin
realizar vibro-compresión.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente
de realización práctica del mismo, se acompaña como parte
integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con
carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
Las figuras 1 y 2.- Muestran respectivas
gráficas en las que se han representado las capacidades caloríficas
de varias muestras de masa pesada realizadas de acuerdo con el
objeto de la presente invención.
Para estas masas refractarias, tanto la de alta
densidad como la ligera, se utilizarán exclusivamente cementos a
base de aluminatos de Calcio.
Para masas de alta densidad:
- -
- En función de la presentación y/ó forma de uso o presentación final, se utilizarán unas granulometrías distintas con una proporción del árido denso de entre el 70 y el 80% en volumen del total de la mezcla, y con un tamaño máximo del grano de entre la mitad y un tercio de la cota más pequeña del prefabricado.
- -
- La curva granulométrica deberá ser lo más cercana posible a la curva de Fuller en el margen de trabajo que la aplicación final indique.
- -
- La cantidad de cemento de Aluminato de Calcio, deberá estar entre los 320 y 420 Kg./m^{3} de masa pesada total y una relación A/C de entre 0,28 y 0,45 en función de la aplicación final.
- -
- En función de la aplicación final, se procederá a la utilización de aditivos plastificantes reductores de agua, que actúen como desfloculantes para este tipo de cementos a base de derivados del polietilenglicol, o similares.
- -
- Esta masa se ha de vibrar a alta frecuencia, para evitar el desplazamiento del árido grueso, en fracciones de tiempo cortas, y tantas como lo indique el espesor de la aplicación final.
Para masas de baja densidad:
- -
- Sobre una mezcla de cemento de aluminato de calcio, agua y aireante en una proporción adecuada, en función del tipo de éste que se utilice, con una relación A/C \approx 0,85 se vierte lentamente el árido de perlita que deberá significar entre un 70 y 80% del volumen total de la mezcla. Esta masa se debe mover lentamente hasta homogeneizarla, manteniendo lo mejor posible la integridad física del árido. No efectuar vibrado alguno y de hacerlo deberá ser leve y en baja o muy baja frecuencia, y nunca interno mediante aguja de vibrado. No se deberá utilizar la vibro-compresión.
Yuxtaposición de las dos masas (pesada y
ligera).
- –
- Se vierte la masa ligera sobre la mezcla pesada anterior y se efectúa un vibrado externo de muy bajas frecuencia y corto.
- –
- Solo efecto de vibrado, no vibro-compresión.
Si la masa está destinada a la obtención de
hormigones vertidos, cabe destacar las siguientes recomendaciones en
cuanto a las granulometrías:
- -
- Granulometría: de 0 a 22 (recomendable para muros de espesor mayor que 10 cm, para espesores inferiores, el tamaño máximo del árido disminuirá proporcionalmente hasta la recomendación de los prefabricados).
- –
- Se ha de tener especial cuidado en el estudio de los hormigones vertidos, por el riesgo de la "aluminosis".
- -
- Vibrado leve y a alta frecuencia.
En el caso de los prefabricados.
- -
- Granulometría: lo más similar posible a la curva de Fuller. Con la limitación de que el límite superior de la curva debe ser menor que la mitad de la cota más pequeña del prefabricado.
- –
- Vibrado en alta frecuencia. Se recomienda vibro-compresión.
Mientras que en el caso de la obtención de
morteros:
- -
- Granulometría: 0 – 1,8 mm.
- -
- Se podrá preparar al árido para su aplicación mediante sistema de proyección, siendo recomendable bajar el tamaño máximo del grano del árido a 1,2 ó 1,3 mm, así como un aditivo adecuado para el gunitado.
Por último, y a modo de ejemplo, en la gráfica
de la figura 1, se han representado las capacidades caloríficas de
dos muestras de masa pesada usando cementos a base de aluminatos de
calcio, gráfica en la que puede observarse como obtenemos unas
capacidades caloríficas altas, por encima de los 650ºC con valores
superiores a 1 J/g.ºC llegando a valores de hasta 1,6 J/g.ºC.
En cuanto a la gráfica de la figura 2, en la
misma podemos ver, así mismo, que con otra dosificación de los
mismos componentes obtenemos valores superiores a 1 J/g.ºC en
valores de temperatura por debajo de los 600ºC y prácticamente
constante a partir de los 100ºC, obteniendo en ambos casos unos
coeficientes de conductividad térmica muy altos, con unos \lambda
muy altos, entre 10 y 15 W/(m*K).
Claims (8)
1. Masa pesada para la fabricación de productos
con alta capacidad de radio-protección y de
acumulación térmica, tales como cerramientos para recintos
radiactivos, contenedores y similares, en forma de hormigón
vertido, ladrillos, losetas, o mortero seco, del tipo de las que
incorporan cemento, áridos, agua y aditivos químicos que varían en
función de las características que se requieran para dicha masa
tales como resistencia, tiempo de fraguado, protección ante la
congelación y otros, se caracteriza porque el cemento que
participa en el mismo es cemento a base de aluminato de calcio,
habiéndose previsto que como árido participen en la misma
magnetita, hematita u otros minerales de alto contenido de hierro,
así como opcionalmente granalla de acero, para aumentar la densidad
general de la masa, habiéndose previsto una granulometría muy
continua para dichos áridos, lo mas parecida posible a la curva de
Fuller, en orden a obtener una óptima homogeneidad en la masa.
2. Masa pesada para la fabricación de productos
con alta capacidad de radio-protección y de
acumulación térmica, según reivindicación 1ª, caracterizada
porque cuando la misma está destinada a la obtención de masas de
alta densidad, en ésta se utilizan unas granulometrías distintas
con una proporción del árido denso de entre el 70 y el 80% en
volumen del total de la mezcla, y con un tamaño máximo del grano de
entre la mitad y un tercio de la cota más pequeña del prefabricado,
de manera que la curva granulométrica deberá ser lo más cercana
posible a la curva de Fuller en el margen de trabajo que la
aplicación final indique y la cantidad de cemento de Aluminato de
Calcio, estará comprendida entre los 320 y 420 Kg./m^{3} de masa
pesada total y una relación A/C de entre 0,28 y 0,45 en función de
la aplicación final.
3. Masa pesada para la fabricación de productos
con alta capacidad de radio-protección y de
acumulación térmica, según reivindicaciones 1ª y 2ª,
caracterizada porque en función de la aplicación final, la
masa incluye aditivos plastificantes reductores de agua, que actúen
como desfloculantes para este tipo de cementos a base de derivados
del polietilenglicol, o similares.
4. Masa pesada para la fabricación de productos
con alta capacidad de radio-protección y de
acumulación térmica, según reivindicación 1ª, caracterizada
porque cuando la misma está destinada a la obtención de masas de
baja densidad, en la misma participa una mezcla de cemento de
aluminato de calcio, agua y aireante en una proporción adecuada, en
función del tipo de éste que se utilice, con una relación A/C
\approx 0,85 sobre la que se adiciona árido de perlita
comprendido entre un 70 y 80% del volumen total de la mezcla.
5. Masa pesada para la fabricación de productos
con alta capacidad de radio-protección y de
acumulación térmica, según reivindicaciones 3ª y 4ª,
caracterizada porque está obtenida mediante la yuxtaposición
de las masas pesada y ligera de las citadas reivindicaciones 3ª y
4ª.
6. Masa pesada para la fabricación de productos
con alta capacidad de radio-protección y de
acumulación térmica, según reivindicación 1ª, caracterizada
porque si la misma está destinada a la obtención de hormigones
vertidos, para muros de espesor mayor de 10 centímetros, su
granulometría estará comprendida entre 0 y 22 mm.
7. Masa pesada para la fabricación de productos
con alta capacidad de radio-protección y de
acumulación térmica, según reivindicación 1ª, caracterizada
porque si la misma está destinada a la obtención de prefabricados,
su granulometría será lo más similar posible a la curva de Fuller,
con la limitación de que el límite superior de la curva debe ser
menor que la mitad de la cota más pequeña del prefabricado.
8. Masa pesada para la fabricación de productos
con alta capacidad de radio-protección y de
acumulación térmica, según reivindicación 1ª, caracterizada
porque si la misma está destinada a la obtención de morteros, su
granulometría estará comprendida entre 0 y 1,8 mm, con un tamaño
máximo del árido de 1,2 a 1,3 mm para morteros proyectados.
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