DE2516023B2

DE2516023B2 - Beton oder Mörtel zur Verwendung als Baustoff im Strahlungsschutzbau und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2516023B2
Application number: DE2516023A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Chem. Dr. 5100 Aachen Schlenker
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1975-04-12
Filing date: 1975-04-12
Publication date: 1979-05-17
Also published as: FR2306952B3; JPS51124118A; BE840664A; NL7603686A; DE2516023A1; FR2306952A1

Description

SiO₂	0-67
B. O₃	0-51
Na₂O + K,O	0-18
CaO	0-10
BaO	0-73
MnO	0-13
ZnO	0-113
PbO	0-82
ANO₃	0-153
Sb₂O₃	0-0,5

2.Zuschlagstoff nach Anspruch !,gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung in Gew.-% in folgendem Bereich:

SiO₂	2,5-22,0
B₂O₃	16-183
Na₂O + K₂O	0-13
BaO	0-7,5
ZnO	0-11.5
PbO	363-81,5
AI₂Oj	0-3,0

3. Zuschlagstoff nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Boratglas mit folgender Zusammensetzung inGew.-%:

B₂O,	16,0
ZnO	4,0
PbO	80.0

4. Beton oder Mörtel zur Verwendung als Baustoff im Strahlenschutzbau aus Portlandzement und einem Zuschlagstoff gemäß Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuschlagstoff im Portlandzement in einem Verhältnis von 1:4 bis 1:10 enthalten ist.

Die Erfindung betrifft einen Beton oder Mörtel sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß dem Gattungsbegriff des Hauptanspruches.

Als Schutz gegen die gesundheitsschädliche Wirkung von Alpha-, Beta-, Gamma-, Röntgen-, Neutronen- und anderer Strahlung von Radioelementen, radioaktiven Isotopen, Atomkraftwerken, Reaktoren, Atombomben und dergleichen sind Blciplattcn, dicke Betonschichten. Spczialbetonsorlen, Spe/.ialgläser (/.. B. Cd-B-Silikatgläser mit riuoridzusat/) bekannt.

Während die Alpha- und Betastrahlen bereits auf einem verhältnismäßig kurzem Weg sogar in der l.tifl absorbiert werden, demnach hinsichtlich ihrer biologischen Schädlichkeit eine untergeordnete Rolle spielen, sind die Gammastrahlen und die Neutronen infolge ihres hohen Durchdringungsvcrmögcns und der damit verbundenen großen Reichweiten dieser Strahlungen von bestimmendem Einfluß auf die Maßnahmen des Strahlenschul/es. In der Praxis sind die Eigenschaften eines Strahlungsschutzwerkstoffes demnach vor allem durch die Forderung nach Schutzwirkung gegen Gammastrahlen und Neutronen bestimmt.

Strahlungsschutz- oder Abschirmwerkstoffe sollen die Wirkung haben, auftreffende Strahlung aufzunehmen und au absorbieren, ohne sich durch die Strahlungseinwirkung zu verändern, also z. B. dürfen sie nicht selbst strahlungsaktiv werden und bei Hitzeeinwirkung keine Veränderungen zeigen, sie müssen jedoch

ίο noch die Wärme ableiten, die unmittelbar im Werkstoff selbst durch Umsetzung von Strahlungsenergie in Wärmeenergie entsteht.

Blei stellt infolge seines Atomgewichtes und seiner hohen Dichte praktisch den wirksamsten Stoff zur Abschirmung von Gammastrahlen dar. Neben seinem hohen Preis und seiner nur geringen mechanischen Festigkeit ist es vor allem das geringe Absorptionsvermögen gegenüber Neutronenstrahlung, das Blei nicht zum universellen Strahlungsschutzmittel werden läßt.

Neutronen gehen durch Blei praktisch ohne wesentliche Abschwächung hindurch.

Schutz gegenüber Neutronenstrahlung kann erreicht werden durch Abbremsung schneller Neutronen mit Übertragung eines Teiles der Neutronenenergie auf den Atomkern des Strahlenschutzmediums, wobei der Energieverlust am größten ist bei Zusammenstoß mit leichten Atomkernen (z. B. Wasserstoff. Bor, Cadmium). Ein ideales Medium für die Abschirmung von Neutronenstrahlung stellt damit z. B. Wasser dar: der hohe

jo Gehalt an Wasserstoff bremst die Neutronen hoher Energien durch elastische Stöße sehr schnell auf ein Energieniveau ab, in dem der Wirkungsquerschnitt für die Absorption von Neutronen groß genug ist, um zu einer starken Abschwächung der Neutronenstrahlung

π zu führen. Nachteile des Wassers sind sein für einen Baustoff ungeeigneter Aggregatzustand und seine sehr geringe Abschirmfuhigkeit gegen Gammastrahlung.

Zwischen den beiden für je eine Strahlungsart idealen Abschirmmedien (Blei und Wasser) nimmt der Beton eine für die Praxis wichtige Mittelstellung ein.

Beton ist ein Gemisch aus einem hydraulisch erhärtenden Bindemittel, wie Zement, und Zuschlagstoffen gröberer Kornfraktionen wie Sand, Kies, Steinbruch und dergleichen.

4-, Schon normaler Beton stellt in seiner Mischung der verschiedensten Elemente ein Strahlenschutzmittel dar, das wegen seiner Rohdichte (r = 2,4 g/cm³) ein besserer Gammastrahlenabsorber ist als Wasser und wegen seines verhältnismäßig hohen Anteiles an Elementen

-,o mit niedrigem Atomgewicht das Blei in seiner Eigenschaft als Neutronenabsorber weit übertrifft. Zu diesem Vorteil kommt noch, daß der Beton als Baustoff ein geradezu ideales Material darstellt.

Spezialbetonsortcn zur Erhöhung der Schutzwirkung

-,-, gegen insbesondere Gammastrahlung sind bekannt. Sie unterscheiden sich gegenüber normalem Beton durch Einführung von schweren Elementen, also Elementen mit hohem Atomgewicht, oder durch Verwendung von Schrott als Zuschlagstoff.

ho Die Einführung schwerer Elemente kann einmal durch chemische Veränderung des Bindemittels, z. I). durch Substitution des Calciums im Portlandzement durch Barium erfolgen (Darstellung von Baryt/cmcnt). Zum anderen können diese schweren Elemente in

1,5 bestimmten Verbindungen in die Bindemittel eingebunden werden;die Bindemittel enthalten also feinsigemahlene Zusätze von Strahlungsabsorbierenden Substanzen. Bekannt ist hier das Einbinden von Baryt, wozu aber

nicht der übliche Portlandzement, sondern Tonerdeschmelzzement auf Bauxitbasis sich als erforderlich erwiesen hau

Weiter ist bekannt die Einbindung von Eisenphosphorlegierungen in Zement.

Um sich die strahlungsabsorbierende Wirkung von Blei in Beton zunutze machen zu können, sind besondere Anstrengungen gemacht worden. Die üblichen hydraulischen Bindemittel wie Portlandzemente sind zum Einbinden von metallischem Blei und Bleierzen iu ungeeignet, da Blei und Bleierze die chemische Struktur der Portlandzemente ungünstig verändern. Nur Magnesiabindemittel vertragen sich mit den zementschädlichen Bleierzen. Da die bisher bekannten Magnesiazemente aber keine hydraulischen Bindemittel sind und auch wegen ihrer mangelnden Wasserfestigkeit nicht verwendet werden konnten, wurde speziell zum Einbinden von metallischem Blei oder Bleierzen ein hydraulischer Magnesiazement entwickelt (DE-AS 11 57 991).

Die Einführung von Erzen oder Schrott als Zuschlagstoff in den Betonversatz ist zwar von den Ausgangsmaterialien her nicht unwirtschaftlich, hier entstehen aber wieder durch technologische Schwierigkeiten bei der Verarbeitung verhältnismäßig hohe Kosten. So ist y, wegen der spezifischen Schwere des Mischgutes eine erhebliche Reduzierung der Mischorfüllung erforderlich. Beim Mischvorgang werden spröde Zuschlagstoffmaterialien (Erze, Spate) zerstört, was zu einem Überschuß von Feinmaterial und damit zur Verwi- jo schung der geplanten Sieblinie führen kann. Bei gemeinsamer Verwendung von Schrott und Erzen wirken die Schrottbestandte^;le star! zerstörend auf die Erze, was zu weiteren Zerkleinerungen führt. Die großen Schwankungen in der Rohdid 'e der einzelnen π Bestandteile des Schwerstbetons stören die Mischwirkung durch starke Entmischungstendenzen. Die mechanische Abnutzung der Mischer ist besonders bei Verwendung von Schrottzuschlägen groß. Weiter scheiden von den für Normalbeton gebräuchlichen -to Transporttechnologien einige wegen des starken Absetzen.s der spezifisch schweren Betonbestandteile aus. Hierzu gehören das Pumpen und das pneumatische Fördern. Aber auch bei einem Loren- oder Kübeltransport kann das Absetzen der Schwerstzuschlagstoffe — « hier vor allem Schrott — zu starken Entmischungserscheinungen führen. Die technologische Qualität eines solchen Betons ist dann nicht mit Sicherheit zu garantieren, so daß an der Einbaustelle oft zeit- und kostenintensive Maßnahmen eingeleitet werden müs- -,0 sen, um die Gleichmäßigkeit der beiden entscheidenden Betoneigenschaften, Rohdichte und Wassergehalt, zu garantieren.

Es sind also in jedem Fall besondere Aufwendungen erforderlich, um einen Beton mit erhöhter Strahlen- -,-, schutzwirkung gegenüber Gammastrahlung herzustellen. Entweder müssen besondere gesundheitsschützende Maßnahmen bei der Verarbeitung von Bleiverbindungen getroffen werden oder es müssen kosten- und auch matcrialaufwendige Bindemittel extra für den »,o Anwendungszweck Strahlungsschutz hergestellt oder verwendet werden, oder es sind kostenaufwendige Maßnahmen bei der Verarbeitung des Betons zu treffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Beton oder Mörtel für den Strahlungsschutzbau zu <,<j schaffen, der eine erhöhte Slrahlungsschutzwirkung insbesondere gegen Gamma- und Neutronenstrahlung hat, aber weder der für diesen Verwendungszweck speziell hergestellten Bindemittel noch kostenaufwendiger Vorkehrungen bei der Verarbeitung bedarf.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Zuschlagstoff auch eine hohe Gammastrahlungsabsorption aufweist und mit seiner Zusammensetzung in Gew.-% in folgendem Bereich liegt:

SiO.	0-67
B₂O₃	0-5!
Na₂O + KiO	0-18
CaO	0-10
BaO	0-7,5
MnO	0-13
ZnO	C-11,5
PbO	0-82
AI₂O₃	0-15,5
Sb₂O₃	0-0,5

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der Zuschlagstoff eine Zusammensetzung in Gew.-% in folgendem Bereich:

SiO₂	2,5-22,0
B₂O₃	16-18,5
Na₂O + K₂O	0-1.5
BaO	0-7,5
ZnO	0-11,5
PbO	36.5-81,5
AI₂O₃	0-3,0

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Zuschlagstoff ein Boratglas mit folgender Zusammensetzung in Gew.-%:

B2O3	16.0
ZnO	4,0
PbO	80,0

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsforni der Erfindung enthält ein Beton oder Mörtel zur Verwendung als Baustoff im Strahlenschutzbau aus Portlandzement einen Zuschlagstoff gemäß Anspruch I in einem Verhältnis von 1 :4 bis I : 10.

Der Erfindung liegt also die Erkenntnis zugrunde, daß für die Herstellung eines Strahlungsschutzbetons ein in der Bautechnik allgemein übliches Bindemittel, wie z. B. normaler Portlandzement, verwendet werden kann und daß keine besonderen, mit hohen Kosten verbundenen technologischen Vorkehrungen bei der Verarbeitung des Betons getroffen zu werden brauchen, wenn die die Strahlungsabsorption bewirkenden Substanzen in Form ihrer Silikate und/oder Borate granuliert anstelle der übliciien Zuschlagstoffe wie Sand, Kies, Steinbruch. Schrott und dergleichen oder gemeinsam mit diesen verwendet werden und daß die Strahlungsschutzwirkung auch von Blei in einem normalen, in der Bauwirtschaft üblichen Beton- oder Mörtelversatz auf der Basis von Portlandzement ausgenutzt werden kann, wenn das Blei in Form eines Silikat- oder Boratglases als körniger Zuschlagstoff in den Versatz eingeführt wird. Es ist hier anzumerken, daß die Strahltingsabsorption für Gammastrahlung in erster Linie abhängig ist vom Bleigehalt des fertigen Betons bzw. dem Bleigleichwert anderer verwendeter schwerer Elemente (z. B. Barium).

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind vielfältiger Art. Sie bestehen insbesondere darin, daß für die Herstellung des erfindungsgemäßen Betons oder Mörtels keine kostspieligen oder vom Rohstoff her

aufwendigen Bindemittel verwendet zu werden brauchen. Es kann mit ollen Baustoffen gearbeitet werden, die die Bauwirtschaft üblicherweise zur Beton- oder Mönelaufbereitung anwendet.

Die Strahlungsabsorbierenden Substanzen liegen in einer Form vor, die in der Verarbeitung völlig unproblematisch ist und keine besonderen Vorkehrungen, z. B. in bezug auf den Schutz der Gesundheit der mit der Aufbereitung der Versätze beschäftigten Personen, oder einen besonderen Aufwand bei der Verarbeitung erfordert. Ein beträchtlicher Vorteil ist, daß praktisch Abfallmaterial als strahlungsabsorbierender Zuschlagstof" eingesetzt werden kann, denn es kann Glasbruch, der I ei Jer Fertigung von Bildwiedergaberöhren anfällt, deren Gläser ja bekanntlich eine Strahlungsschutzwirkung haben müssen, granuliert und in entsprechenden Fraktionen einem üblichen Betonodtr Mörtelversatz als körniger Zuschlagstoff zugesetzt werden.

Es sind also nicht nur keine besonders kostspieligen oder materialaufwendigen Versatzbestandteile zur Herstellung des erfindungsgemäßen St-ahlungsschutzbetons erforderlich, sondern es können sogar Abfallprodukte nutzbringend verwendet werden, wobei sich der große Vorteil ergibt, daß auch Bleiverbindungen auf sehr unkomplizierte Weise in einen normalen Betonoder Mörtelversatz auf der Basis von Portlandzement eingeführt werden können.

Ein weiterer Vorteil ist, daß durch die erhöhte Einführung von Elementen mit niedrigem Atomgewicht in den Betonversatz, z. B. in Form von Boraten, ein verstärkter Schutz gegenüber Neutronenstrahlung erreichl werden kann. Bei Gläsern, die Bleiborate bilden, ist darüber hinaus eine kombinierte Absorptionswirkung gegenüber sowohl Gamma- als auch Neutronenstrahlung gegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden näher beschrieben.

Die Erfindung macht sich u. a. die strahlungsabsorbierende Wirkung der bei der Herstellung von Bildwiedergaberöhren für das Frontglas oder den Konus verwendeten Speziaigläser zunutze. Diese Gläser, die als Glasbruch bei der Bildröhrenfertigung anfallen, werden zu Fraktionen aufgemahlen, die dem gewünschten späteren Verwendungszweck entsprechen, also feinere Fraktionen (entsprechend Sand) für den Aufbau von Mörtelversätzen, gröbere Fraktionen, wie sie von Kies und Steinbruch für die Betonherstellung bekannt sind, für den Aufbau von Betonversätzen.

Gleichermaßen können aber auch andere Gläser als die für den Schirm oder Konus von Bildwiedergaberöhren üblichen verwendet werden. Es ist hierbei zu denken an Gläser mit extrem hohem Bleigehalt, an Gläser mit besonders hohem Boranteil in der Glasmatrix, ggf. ergänzt durch Lithium und Beryllium zur erhöhten Absorption von Neutronenstrahlung und an Gläser, die Bleiborate bilden und die damit sowohl gegenüber Gamma- als auch Neutronenstrahlung eine erhöhte Absorptionswirkiing zeigen.

Die granulierten Gläser können der alleinige Zuschlagstoff zum Bindemittel Portlandzement iein.es können im Bedarfsfall aber auch noch weitere geeignete Zuschlagstoffe neben dem Glasgranulat in den Versal/

■> eingeführt werden. Die Menge des zugeführten Glasgranulates richtet sich in jedem Fall nach der /u erwartenden Strahlungsenergie und wird sich von I al! /u Fall ändern; der übrige Versalzaufbau entspricht den bekannten Vorschriften.

ίο Zur Feststellung der mechanischen Eigenschuften von Betonen im Rahmen der Erfindung wurden Probekörper von 100 mm Kantenlänge gegossen, mit einem Vibrationsmischer cingerüitelt und ausgehärtet. Die Versätze wurden unter Verwendung verschiedener

Ii granulierter Gläser und Portlandzement (PZ) 530 F DIN 1164 und der dazu erforderlichen Menge Wasser hergestellt. Die Festigkeitspriifiing wurde jeweils nach einer Woche durchgeführt. Die in der Tabelle aufgeführten Festigkeitswerte sind als Relativv.cne

2(i bezogen auf Prüflinge mit nonrr-'em Bausand, die unter vergleichbaren Bedingungen iicr^iTwStel!t wurden ?u verstehen.

Versuchs- '	Verhältnis	Korngröße des	Festig
-,- Nummer i	Zement zu	Zuschlags	keit
	Zuschlag	(mm)	N
1	: 4	<2mm	29.500
2		<2mm
3		< 0,5 mm	20.000
ⁱ⁰ 4		<0,5 mm	12.500
5		< 0,5 mm	7.350
6		< 0,5 mm
7		< 2 mm
.. 8		<2mm
^J) 9		55% < 2 mm.
		45% 5-20 mm
10		handelüblicher	13.000
		Bausand
6
4
6
8
10
8
10
4

4

Gläser, die für die Herstellung eines Betons oder

Mörtels als Baustoff im Strahlungsschutzbau verwendet werden können, liegen im Bereich der nachfolgend aufgeführten Zusammensetzungen (Angaben in

4t Gew.-%):

	(I)	(2)	(3)	(4)	(5)	(6)	U)
SiO₂	67,3	47,6	22,0	3,0		2,7	9,0
50 B₂O₃	—	—	18,4	17,9	16,0	16,0	50.6
Na₂O	8,3	1,6	1,5	—	—	_	15.4
K₂O	9,4	J 0,5	—	—	—	—	—
CaO	1.7	1,9	—	_	—	—	9,8
L.aO	1,3	—	7,3	—	_	—	—
55 MnO	1,1	0,2	—	—	—	-	—
ZnO	—	—	IU	8,0	«»,0	—	—
PbO	10,9	35,15	36,7	68,1	80,0	81.3	—
AI₂O₃	_	2,7	2,8	3,0	—	—	15,2
Sb₂O₃	—	0,35

Claims

Patentansprüche:

1. Zuschlagstoff für die Herstellung von Beton oder Mörtel mit hoher Neutronenstrahlungsabsorption in Form von granuliertem Glas, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuschlagstoff auch eine hohe Gammastrahlungsabsorption aufweist und mit seiner Zusammensetzung in Gew.-% in folgendem Bereich liegt: