Institute of Fundamental Technological Research

Long-term exposure of concrete to nuclear reactor environments may enhance the ageing phenomena. An investigation concerning a possible deleterious alkali-silica reaction (ASR) in concrete containing high-density aggregates is presented in this paper. The scope of this investigation was limited to heavy aggregates that could be used for the construction of the first Polish nuclear power plant (NPP). Five different high-density aggregates were selected and tested: three barites, magnetite, and hematite. Mineralogical analysis was conducted using thin section microscopic observation in transmitted light. The accelerated mortar beam test and the long-time concrete prism test were applied to estimate the susceptibility of heavy aggregates to ASR. X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) analyses were conducted on aggregates and mortars. The quartz size in aggregate grains was evaluated using image analysis. Application of the accelerated mortar beam method confirmed the observations of thin sections and XRD analysis of high-density aggregates. The microcrystalline quartz in hematite aggregate and cristobalite in one of barite aggregate triggered an ASR. The composition of ASR gel was confirmed by microscopic analysis. The long-term concrete test permitted the selection of innocuous high-density aggregates from among the other aggregates available, which showed practically no reactivity.

alkali-silica reaction, heavyweight concrete, high-density aggregate, quartz size, radiation shielding, reactive minerals

nuclear reactor, concrete shield, radiation influence

W artykule opisano podstawowe wyniki uzyskane w trakcie realizacji projektu badawczego „Trwałość i skuteczność betonowych osłon przed promieniowaniem jonizującym w obiektach energetyki jądrowej” [1]. Przedstawiono też wytyczne techniczne i kryteria oceny betonu osłonowego. Uzyskane wyniki mogą stanowić podstawę dalszych prac przy projektowaniu obiektów elektrowni jądrowych, składowisk materiałów radioaktywnych i innych miejsc powstawania, stosowania lub przechowywania materiałów wytwarzających promieniowanie jonizujące. Artykuł obejmuje zagadnienia związane z wymaganą skutecznością betonowych konstrukcji osłonowych przez zapewnienie bezpieczeństwa personelu i otoczenia przed oddziaływaniem promieniowania jonizującego. Rozpatrzono również trwałość osłon betonowych, tzn. zachowanie właściwości mechanicznych i nieprzepuszczalności w okresie przewidzianej eksploatacji pod wpływem przewidywanych oddziaływań zewnętrznych i procesów starzenia, a także przy podwyższonej temperaturze i promieniowaniu jonizującym. Artykuł nie obejmuje zagadnień integralności osłon pod obciążeniami wyjątkowymi, spowodowanymi awarią reaktora, uderzeniem samolotu, działaniami terrorystycznymi itp.

The results of studies of concretes from the special cements, destined to the production of shields against the radiation. The study included Portland cement, Portland fly ash cement, and cements with different content of granulated blastfurnace slag. The application of special cements decreased the possibility of ASR occurrence. CEM I 42.5N LH/SR3/NA and CEM III/A 42.5N LH/HSR/NA usage in heavy concrete of gravity in the range of 3200-3600 kg/m3, the compressive strength was in the range of 45-62 MPa and 62-81 MPa after 28 and 90 days, respectively. The comparison of the effect of CEM III/A 42,5N LH/HSR/NA usage instead of CEM I 42,5N LH/SR3/NA for heavy concrete production the systematic decrease of the rate of water absorption, decrease of coeffi cient of chloride ions diffusion, but increased the carbonation rate, was shown.

special cements, concrete shields

Przedstawiono wyniki badań cementów, przeznaczonych do stosowania jako spoiwo w technologii wykonawstwa betonowych osłon przed promieniowaniem jonizującym w energetyce jądrowej. Zakres badań objął cementy spełniające wymagania stawiane cementom specjalnym o niskim cieple hydratacji, odpornym na siarczany oraz o niskiej zawartości alkaliów. Badano cementy powszechnego użytku; portlandzki CEM I bez dodatku mineralnego oraz wieloskładnikowe z dodatkami mineralnymi. Wykonano cementy specjalne z normowymi dodatkami mineralnymi oraz z dodatkami nie ujętymi w normie cementowej PN EN 197-1, stosując autorskie rozwiązania, dotyczące produkcji cementów z proszkowym dodatkiem minerałów ciężkich: barytu, magnetytu i getytu. Na podstawie przeprowadzonych badań cementów wykazano specjalne właściwości tych cementów w zakresie niskiego ciepła hydratacji i odporności na siarczany, w przypadku cementu portlandzkiego oraz cementów z dodatkami mineralnymi ujętymi w normie PN-EN 197-1. Stosowanie cementów normowych do betonu zwiększa odporność na reakcję kruszywa z wodorotlenkami sodu i potasu w betonie, nawet niwelując ekspansję betonu z dodatkiem kruszywa reaktywnego. Stosowanie CEM III/A 42,5N LH/HSR/NA w miejsce CEM I 42,5N LH/SR3/NA w betonie ciężkim o gęstości 3200-3600 kg/m3 spowodowało spadek współczynnika szybkości absorpcji wody, zmniejszenie współczynnika migracji jonów chlorkowych oraz zwiększenie szybkości karbonatyzacji. Zaobserwowano znaczny wpływ zróżnicowania rodzaju kruszywa w betonie ciężkim na wytrzymałość i wskaźniki nieprzepuszczalności betonu.