DE1646883C

DE1646883C - Künstliche Zuschlagstoffe für Betone, insbesondere für Beton für den biologischen Strahlenschutz

Info

Publication number: DE1646883C
Authority: DE
Inventors: Anton Dipl.-Ing. Salzburg Koch (Österreich)
Original assignee: Portland Zementwerke Heidelberg AG
Current assignee: Heidelberg Materials AG
Publication date: 1972-08-24

Description

Die Erfindung betriff kün ilicha Zuschlagstoffe für die Herstellung von Baukörpern, insbesondere aus Beton für den biologischen Strahlenschutz aus zementgebundenen Festkörpern in Form von schüttfähigen Körnungen.

An Betone oder an Baukörpern aus Beton müssen bei Verwendung in der Strahlenschutztechnik besondere Anforderungen gestellt werden. Zum Beispiel ist zur Abbremsung von schnellen Neutronen zu berücksichtigen, daß die Abschirmwirkung wesentlich vom Wasserstoffgehalt des Betons abhängt, also vom Gehalt an chemisch gebundenem Wasser im Beton. Durch den Aufsatz »Beton in der Strahlenschutztechnik« von Thomas Jäger in Atomkernenergie 1958 sind eine Reihe von Spezialzementen und Zuschlagstoffen für Betone bekanntgeworden. Als Spezialzemente sind Zemente vom Typ der Oxychlorid- und Oxysulfat-Zemente untersucht worden, die einen höheren Wasseranteil besitzen. Diese Spezialzemente haben sich aber hinsichtlich ihrer Dauerhaftigkeit als nicht zufriedenstellend herausgestellt. Als spezielle Zuschlagstoffe für gewöhnlichen Kiesbeton werden Stahlstanzabfälle und Stahlschrott vorgeschlagen. Auf Grund des geringen Wassergehaltes ist aber dieser Beton hinsichtlich der Neutronenstrahlenabschwächung ungünstig.

Durch die deutsche Patentschrift 338 552 ist es bereits bekanntgeworden, Betonbruch als Zuschlagstoff zu Beton zu verwenden. Der Betonbruch 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 Strahlenschutzbeton kommen neben normalem Sand und Kies z. B. Baryt, Magnesit, Hämatit, Brauneisenerz, Ilmenit, Ferrosilicium, Ferrophosphor, schwere Schlacken (Chrom- und Bleischlacken) und borhaltige Stoffe, z. B. Borcabide und Boride, in Frage.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, künstliche Zuschlagstoff für die Herstellung von Baukörpern, insbesondere aus Beton, zu schaffen, die eine hohe Abschinnwirkung 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 aus abgebundenem Zement hohe' Festigkeit bestehen.

Des weiteren können die künstlichen Zuschlagstoffe außer Zement und chemisch gebundenem Wasser noch andere feinkörnige, gemahlene anorganische Stoffe mit einem spezifischen Gewicht von 4

O UÜWI glüOw VMtl>_al«.n.

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

Des weiteren ergaben entsprechende Untersuchungen, daß 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 Mineralien solcher Elemente

enthalten, die einen besonders wirksamen Einfangquerschnitt für thermische Meutronen oesitzen. 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 intensive Absorptionswirkung gegen thermische Neutronen zu erreichen. Durch die verschiedene stoffliche Zusammensetzungen der künstlichen Zuschlagstoffe können die Baukörper oder 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 dadurch erzielt werden, daß ar Stelle von schlecht verarbeitbaren, sperrigen, gebrochenen, schweren Zuschlagstoffen zementgebundene Festkörper als künstliche Zuschlagstoffe von rundlicher Kornform mit guter Verarbeitbarkeit treten.

Unter zementgebundenen Festkörpern werder dabei im allgemeinen solche von großer Festigkeit die mit Wasserzusatz aus handelsüblichen Zementei allein hergestellt sind, verstanden, ferner auch solche die neben Zement als Bindemittel noch andere fein körnige oder feingemahlene Stoffe, insbesondere solch' von hohem spezifischem Gewicht enthalten. Oi' zementgebundenen Festkörper nach der Erfindun] werden als schültfähiges, körniges Gut, vorzugsweis als rundliche Granalien nach an sich bckanntei Verfahrensweisen in abgestuften Korngrößen her gestellt.

Betone, die nach den bekannten Regeln der Betontechneologie mit den erfindungsgemäßen Zuschläg st Ten hergestellt werden, besitzen in vorteilhafter W se unter vergleichbaren Bedingungen eine erheblich höhere Biegezug- und Druckfestigkeit und Beton- festigkeit als gewöhnlicher Beton.

Nach einer bevorzugten Ausfuhrungsform können die /.ementgebundenen Körper mit einem Gehalt an chemisch gebundenem Wasser nur aus abgebundenem Zement in Form von schüttfähigen Körnungen bestehen.

Nach einer weiteren Ausführungsform enthalten die /ementgebundenen Festkörper außer Zement und chemisch gebundenem Wasser auch noch andere k 1ι .körnige, vorzugsweise gemahlene, schwere anorga- ι s

nischc Stotte mit einem spezitischen Uewtcht von ei ά a 4 und darüber.

'Nach einer weiteren Ausführungsform enthalten dv /ementgebundenen Festkörper _eemäß vorliegend - Hrfindung solche chemische Verbindungen und/ ci.Wr Mineralien die, wie z. B. Bor, einen großen virKsamen Einfangquerschnitt für thermische Neuu nen besitzen.

/ur Herstellung können die künstlichen Zuschlaghi->lTe mit Sattdampf oder mit gespanntem Dampf, vi/.ugsweise bei 8 bis 15atü, behandelt werden.

Beispiele der Erfindung werden im folgenden dar- G--teilt und erläutert.

Dabei zeigen die Diagramme der F i g. 1 die gemessenen Schwächungsfaktoren für die Abschirmung eines Normalbetons N und eines Spezialbetons S₅ in Abhängigkeit von der Stärke der Betonplatte, und /war für Gammastrahlung E = 0,662 MeV. Die Kurven N und S₅ des Diagramms gelten für eine Strahlung einschließlich der Streustrahlung und die Kurvon N' und S₅ für eine Strahlung ohne Streustrahlung.

Die Diagramme der F i g. 2 zeigen die Schwächungsfaktoren für schnelle Neutronen, und zwar in Abhängigkeit von der Stärke der Betonplatte für Normalbeton N und Spezialbeton S₅ und S₀.

Zum Vergleich wurden verschiedene Rüttelbetone folgender Zusammensetzung hergestellt und geprüft:

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 ο··«·~»™·»μ π/η ">

Gebr. Körnung

0,2/3

3/7

7/15

Nach	Nach
Ciewiciit	Raumlei len
	im¹)
380	0,121
209	0,209
	0,010
175	0,066
504	0,224
358	0,159
475	0.211

2091

1,000

Der erhärtete Beton enthielt etwa 165 bis 170 kg/m³ ehem. geb. Wasser.

Die Druckfestigkeit wurde an drei Probewürfeln von 20 cm Kantenlänge und die Biegezugfestigkeit an drei Balken der Abmessung 70 χ 10 χ 15 cm bestimmt, dabei ergab sich als Mittelwert:

40 Spezialbeton B ..
Normalbeton A .

Druckfestigkeit (kp/crrr¹)

7 I 2S Tage

90

490

355'

603 463

645 489

Biegezugfestigkeit (kp cm²;

28 Tage

95 61

Beton A, Normalbeton aus Kiessand, Größtkorn 15 mm

1 m³ verdichteter Frischbeton, bestehend aus

45

	Nach Gewicht (kg)	Nach Raumteilen (m³)
Portlandzement Wasser, W/Z = 0,55 Luftporen, etwa 1 Volumprozent Sand 0 bis 3 mn Sand 3 bis 7 mm Kies 7 bis 15 rriTi	380 209 770 418 562	0,121 0,209 0,010 0.290 0,158 0,212
2339	1,000

Die außerordentlich gute Abschirmwirkung gegen Neutronen- und Gammastrahlung erbrachten zahlreiche Messungen an Betonplatten der Abmessungen 40 χ 40 χ 5 cm. Solche Platten wurden aus Normalbetonen N mit Kies als Zuschlagstoff und aus Spezialbetonen S mit dem vorliegenden künstlichen Zuschlagstoff hergestellt.

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

55

60

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

	*N ....* S₁ ....	Neutronen- Abschirmung	Gamma· Abschirmung bei 1.7 MeV	8,0 ' 8,0	> Vergleich
	S₂.... S,....	cm	cm	6,7 6,0
Normalbeton	S₄ ....	15,2 11,8 ■	6,0
Spezialbetone		10.4 9,0
		8,4
	7,7 ι —
B'ei

Beton /V, Normalbeton aus Kiessand 1 m³ verdichteter Frischbeton, bestehend aus

	Nach Gewicht (kg)	Nach Raumtcilcn (m³)
Portlandzement Wasser, W/Z = 0,55 Luftporen, 1,5 Volumprozent Sand, 0/3 mm Sand, 3/7 mm Sand, 7/15 mm	380 209 782 382 572	0,121 0.209 0,015 0,295 0,144 0,216
2325	1,000

Beton S3, Spezialbeton

Zuschlagstoffe: gebr. Eisenerz 0,2/3 mm und Körnungen aus abgebundenem Zement

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

Beton Sl, Spezialbcton

Zuschlagstoffe: Quarzmehl 0/0,2 mm und Körnungen aus abgeb. Zement

	Nach	Nach
	Gcwichl	Raumtcilcn
	(kg)	(m³)
Portlandzement*)	400	0,127
Wasser. W/Z = 0,45	180	0,180
Luftporen, 1,5 Volum
prozent	.	0015
Gebr. Eisenerz, 0/3 mm	1526	0,339
		sp. Gew. 4,50
Runde Körnung, 3/7 mm	313	0,136
Runde Körnung, 7/15 mm	468	0,203
	2887	1,000

	Nach Gewicht (kg)	Nach Raumteilen (m³)
Portlandzement Wasser, W/Z = 0,55 Luftporen, 1 Volumprozent Quarzmehl, 0/0,2 Gebr. Körnung, 0,2/3 Runde Körnung, 3/7 Runde Körnung, 7/15	380 209 175 510 400 530	0,121 0.209 0.010 0,066 0,211 0,165 0,218
2204	1.000

*) 2% CaB₆ zugcmahlcn.

Der erhärtete Beton enthielt etwa 130 bis 140 kg/m³ ehem. geb. Wasser.

Der erhärtete Beton enthielt etwa 165 bis 170 kg/m³ ehem. geb. Wasser.

Beton S 2, Spezialbeton

Zuschlagstoffe: gebr. Eisenerz0/3 mm und Körnungen aus abgeb. Zement

1 m³ verdichteter Frischbeton, bestehend aus Beton S4, Spezialbeton

Zuschlagstoffe: Gebr. Eisenerz 0.2/3 mm und Kör nungen aus 2 Gewichtsteilen Zement + 1 Gewichts teil gemahlenes Eisenerz, 3/7 und 7/15 mm

1 m³ verdichteter Frischbeton, bestehend aus

	Nach	Nach
	Gewicht	Raumteilen
	(kg)	(m³)
*Portlandzement)**	350	0,111
Wasser, W/Z = 0,50	175	0,175
Luftporen, 1,5 Volum
prozent	—	0,015
Gebr. Eisenerz, 0/3 mm	1318	0,293
		sp. Gew. 4,50
Runde Körnung, 3/7	403	0,175
Runde Körnung, 7/15	531	0,231
	2777	1,000

Portlandzement*) ... Wasser, W/Z = 0,50 . Luftporen, 1,5 Volum prozent

Geor. Eisenerz, 0,2/3 mm

Zement + Erz-Körnung

3/7

7/15

Nach

Raumteilen (πι¹!

0,127 0,200

0,015 0,329 sp. Gew. 4,5

0,132 0,197

1,000

• *) 1% Tetraborcarbid (B₄C) zugemahlen.

Der erhärtete Beton enthielt etwa 135 bis 140 kg/m^J ehem. geb. Wasser.

*) 2% CaB₆ zugemahlen.

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

Beton S5 und S 6. Spezialbeton

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

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

Gebr. Eisenerz
0/1,5 mm

1,5/3 mm

400 200

792

475

0,127 0,200

0,015

0,165 sp. Gew. 4,8

0,099 sp. Gew. 4,8

*) In Beton S 5: 1% CaB,, im Zement als Bindemittel.

Nach
Raumteilen

Zement- + Erz-Körnung

7/15**)

,000

*·) In Beton i' 6: 1% CaB₆ im Zement als Bindemittel, und auch im Zementanteil der Körnungen 3/7 und 7/15.

Der erhärtete Beton enthielt etwa 115 bis 120 kg/nr ehem. geb. Wasser.

Auf Grund der ausgezeichneten Abschirmeigen schäften sind Bauelemente, insbesondere aus Beton die den vorliegenden künstlichen Zuschlagstoff ent halten, gut geeignet, um Reaktoren, Linearbeschleu niger, Betatrons, Kobalt- und Caesiumquellen ii der Strahlentherapie, Röntgenstrahlen usw. abzu schirmen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709636/

Claims

i 646 883 Patentansprüche:

1. Künstliche Zuschlagstoffe Tür die Herstellung von Baukörpern, insbesondere aus Beton für den biologischen Strahlenschutz aus zementgebundenen Festkörpern in Form von schüttfähigen 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 feinkörniee. gemahlene anorganische Stoffe mit

einem spezitischen uewicni von t uuci giootj enthalten.

3. Künstliche Zuschlagstoffe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese neben den Hauptbestandteilen auch eine chemische Verbindung und/oder Mineralien solcher Elemente enthalten, die einen besonders wirksamen Einfangquerschnitt für thermische Neutronen besitzen.