ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения НИР.

В процессе радиационного контроля строительных материалов одним из важных вопросов является определение содержания естественных радионуклидов (ЕРН) в готовых изделиях при известных значениях ЕРН в сырьевых материалах. Учитывая, что глины имеют повышенное содержание ЕРН за счет высокой сорбционной способности, а керамические материалы относятся к наиболее распространенным, представляет интерес определение содержания ЕРН в готовых изделиях расчетным способом.

Керамзитовый гравий получают путем обжига гранул, изготовленных из вспучивающихся глин. В процессе обжига (до 1200°С) легкоплавкая глина переходит в пиропластическое состояние и вспучивается вследствие выделения внутри каждой гранулы газообразных продуктов (рис. 1а). Вспучиванию способствует выделение СО ₂ в реакции восстановления оксида железа (111) до оксида железа (11), протекающей при обжиге в восстановительной среде:

fе₂О₃+ СО = СО₂+ 2feo.

Способность глины к вспучиванию оценивается коэффициентом вспучивания

:

ka_в=v₂/v₁, , (1)

гдеv₁- объем абсолютно сухой сырцовой гранулы, см ³;

v₂- объем зерна керамзита, см ³.

Рис. 1. Изменение объема керамических материалов при обжиге:

а - после вспучивания керамзитового гравия;

б - после объемной усадки керамического кирпича

По степени вспучивания различают слабо-, средне- и хорошо вспучивающиеся глинистые породы с коэффициентом вспучивания соответственно менее 2,5; от 2,5 до 4,5 и свыше 4,5.

Для расчета удельной эффективной активности гранул керамзитового гравия при известном значении удельной активности глинистого сырья, примем объем гранулы до обжига равным v₁, а массу -m₁. После обжига и вспучивания ее объем составитv₂= Кв v₁, а массаm₂. Активность ЕРН гранулы до и после обжига не изменится и составитa₁. Учитывая, что удельная эффективная активность определяется как А _эфф = А/m, тогда, приa₁=a₂, получим

А _эфф = А₁/m₂(2)

Масса гранулы равнаm=vp₀и после обжига составитm₂=v₂p₀₂.

С учетом того, чтоv₂= Кв v₁, получим

m₂= Кв v ₁p₀₂(3)

тогда,

А _{эфф 2} = А ₁/(Кв v₁p₀₂) (4)

Выразим объем гранулы через среднюю плотностьv₁=m₁/p₀₁. Тогда

А _{эфф 2} = А ₁p₀₁/(m₁Квp₀₂) (5)

Так какa₁/m₁= А _{э фф 1} , то

А _{эфф 2} = А _{эфф 1}p₀₁/(Квp₀₂) (6)

Таким образом, удельная эффективная активность гранул керамзитового гравия после обжига будет зависеть от удельной эффективной активности гранул до обжига (глинистого сырья), коэффициента вспучивания и отношения средней плотности гранулы до и после обжига. Из формулы (6) видно, что содержание ЕРН в керамзитовом гравии будет больше, чем в исходном сырье, за счет снижения средней плотности гранул в процессе обжига.

Керамические кирпич и камни также изготавливают из легкоплавких, но не вспучивающихся глин.

Отформованные, но не обожженные изделия состоят из отдельных зерен, разделенных между собой порами. В зависимости от вида исходного сырья и способа производства количество пор составляет от 25 до 60% (по объему). В процессе обжига происходит спекание (уплотнение), а поры изменяют свою форму и размеры.

Спекание (рис. 1б) сопровождается уменьшением объема материала:

v = (v ₁ - v ₂)/v ₁ , (7)

гдеv₁и v ₂ - объем соответственно до и после спекания.

Обозначим объем кирпича до обжига v ₁, а после обжига v ₂ = v ₁/к,

где к =v₁/v₂. Тогда приa₁= А ₂А _эфф2=a₁/m₂,am₂= v₂p₀₂илиm₂= (v₁p₀₂)/к.

А _эфф2= (А₁p₀₁к)/(m₁p₀₂) (8)

С учетом того, чтоa₁/m₁=А _эфф,

А _эфф2=А _эфф1p₀₁к)/p₀₂ (9)

Для керамических изделий, получаемых спеканием, удельная эффективная активность будет зависеть от удельной эффективной активности глинистого сырья, коэффициента, характеризующего изменение объема после спекания и отношения средней плотности изделия до и после обжига.

Как видно из формулы (9) после обжига керамических изделий удельная эффективная активность ЕРН возрастает.

Отношение удельной эффективной активности ЕРН в материале после обжига кА _эффдо обжига предлагается характеризовать коэффициентом концентрирования ЕРН:

К _к=А _эфф2/А _эфф1, (10)

гдеА _эфф1иА _эфф2- удельные эффективные активности ЕРН до и после обжига.

Для керамического кирпича в исследуемых глинах коэффициенты концентрирования имеют небольшие средние значения, К _к = 1,23 (табл.1), в то время как для шлаков и зол (табл.2) он возрастает в 2 и более раз и составляет в среднем для шлака 3,5, а для золы -3,75.

Таблица 1

Коэффициенты концентрирования для керамического кирпича

Таблица 2

Коэффициенты концентрирования для зол и шлаков

Предлагаемые формулы для определения удельной эффективной активности керамзитового гравия, получаемого обжигом вспучивающихся глин, и керамического кирпича, получаемого спеканием, показывают, что в обоих случаях А _эфф готовых изделий зависит от А _эфф исходного сырья, коэффициентов, характеризующих изменение объема изделий, и отношения средней плотности до и после спекания.

Прогнозирование содержания естественных радионуклидов в строительных материалах позво­ляет на стадии проектирования получать материалы, соответствующие требованиям радиационной безопасности.