Управление старением бетонных конструкций АЭС

Андрей ПУСТОВГАР
Научный руководитель НИИ строительных материалов и технологий, НИУ МГСУ; с. н. с. ИМАШ РАН, к. т. н.
Е-mail: PustovgarAP@mgsu.ru

Владимир ПОТАПОВ
Заместитель директора ВНИИАЭС-НТП, директор отделения управления ресурсом АЭС, АО «ВНИИАЭС»
Е-mail: vvpotapov@vniiaes.ru

Алексей АДАМЦЕВИЧ
Старший научный сотрудник НИИ строительных материалов и технологий, НИУ МГСУ, к. т. н.
Е-mail: AdamtsevichAO@mgsu.ru

Владимир ИЛЬИН
Заместитель руководителя департамента – ​начальник отдела, АО «ВНИИАЭС»
Е-mail: vailin@vniiaes.ru

Любовь АДАМЦЕВИЧ
Доцент кафедры ИСТАС, НИУ МГСУ, к. т. н.
Е-mail: AdamtsevichLA@mgsu.ru

Введение

В настоящее время в мире насчитывается свыше 190 атомных станций, на которых расположено 438 энергоблоков. Спроектировано по российским проектам с водо-водяными энергетическими реакторами (ВВЭР). и находится на этапе эксплуатации свыше 50 АЭС.
Основным строительным материалом строительных конструкций ядерного острова АЭС является бетон, в этой связи актуальной становится задача определения особенностей старения и деградации бетона в разных режимах эксплуатации.
При этом несмотря на то, что свой­ства бетона при эксплуатации объектов промышленно-­гражданского назначения являются значительно изученными, необходимо учитывать, что бетоны ряда конструкций ядерного острова эксплуатируются в условиях специфических воздействий, которые присутствуют только на объектах использования атомной энергии, например нейтронное излучение и повышенные температуры. В этой связи актуальным становится вопрос исследования аспектов, касающихся оценки и обоснования остаточного ресурса бетона ж/б конструкций, с учетом данных специфических воздействий.
Важным является и необходимость в сборе статистической информации о влиянии добавок и рецептур на старение бетона, собранной в период эксплуатации блоков, для обоснования возможности продления срока их эксплуатации, в соответствии с СТО 1.1.1.02.009.1548 «Обоснование срока службы строительных конструкций зданий и сооружений атомных станций». Кроме того, необходимо учитывать требования МАГАТЭ «Управление старением бетонных конструкций на атомных станциях».
Объектом исследования являются образцы бетона, используемые при возведении ж/б конструкций ядерного острова АЭС с ВВЭР‑1000, а основная цель работы заключается в исследовании свой­ств бетонов для формирования прогноза ресурса, оценки изменения прочностных, физических и структурных характеристик бетона ж\б конструкций, при воздействии различных сочетаний эксплуатационных факторов.
Полученные данные позволят сформировать научно-­техническое обоснование разработки моделей прогнозирования старения бетона на проектный и запроектный сроки эксплуатации железобетонных конструкций ядерного острова АЭС с ВВЭР 1000.
Материалы и методы исследования
Для проведения исследования для каждого состава бетона были изготовлены образцы, отвечающие требованиям ГОСТ 10180–2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам».
Исследование проводилось с использованием материально-­технической базы Научно-­исследовательского института строительных материалов и технологий НИУ МГСУ.
Вопросам продления сроков эксплуатации строительных конструкций ядерного острова АЭС посвящено значительное количество публикаций и научно-­исследовательских работ [1–4]. При этом проведённые авторами [5–14] исследования позволили сформировать вывод о том, что механизм радиационного изменения бетонов практически не связан с образованием в результате возникновения радиационных дефектов в кристаллической структуре минералов материала. При этом важнейшим процессом, протекающим под действием радиации, является процесс локального разогрева вещества в термических пиках, в которых температура кратковременно повышается на несколько сот градусов в результате протекания смещения атомов и поэтому происходят локальные термические изменения. В таком случае, механизм воздействия радиации на бетон имеет одну природу с механизмом влияния на материал его нагревания без облучения.
В этой связи в рамках представленного исследования научно-­техническая гипотеза заключается в предположении о возможности ускорения процесса старения бетона за счет применения специального режима циклических температурных воздействий.
Опираясь на научно-­исследовательские работы [15–25], для моделирования старения образцов бетона, проводится изотермический прогрев образцов в течении 30 суток и установлены температурно-­влажностные режимы, соответствующие нормальным условиям эксплуатации бетонных конструкций АЭС. Температуры изотермического прогрева для старения образцов бетона приведены в таблице 1.

Время равномерного подъема температуры до указанных в таблице значений рассчитывается исходя из максимальной скорости нагрева – ​5 °C/мин.
При этом для каждого указанного возраста изготовлена своя серия образцов, а контрольными брались образцы, состаренные до возраста 28 суток. В рамках статьи представлены средние значения контролируемых параметров.

Результаты

Для проведения модельного старения, имитирующего различные сроки эксплуатации, температуру и радиационное воздействие исследованы образцы бетона класса B30, применяемого при возведении железобетонных конструкций ядерного острова АЭС с реактором типа ВВЭР. Результаты физико-­механических испытаний бетона на прочность при сжатии образцов-­кубов B30 после выдерживания при t 160ºС в течение 30, 60, 100 модельных лет представлены в таблице 2. В таблице 3 представлены результаты испытаний образцов на сжатие. Средние значения результатов экспериментов для определения прочности при сжатии по п. 7 ГОСТ 10180–2012 с учетом оценки соответствия по ГОСТ 18105–2018 представлены в таблице 3. На рис. 1 представлены образцы до испытаний, на рис. 2 – ​образец в испытательной машине до и после испытания.

Исследование микроструктуры образцов бетона

Исследование микроструктуры образцов бетона осуществлялось с использованием растрового электронного микроскопа. В качестве образцов использовались сколы бетона. Образцы исследовались до начала термического нагружения, после чего погружались в камеры, моделирующую различные температурные режимы (100 °C, 130 °C, 160 °C и 250 °C) и вновь исследовались через 30, 60 и 100 циклов модельного старения.
Результаты по каждому виду исследуемых образцов бетона представлены в виде графических снимков. Снимки подписаны в формате X-Y-Z A, B, где:
X – ​класс бетона;
Y – ​температура модельного старения;
Z – ​число циклов модельного старения;
A – ​номер образца в серии;
B – ​увеличение, при котором производилась съемка.
Отсутствие значений Y и Z означает, что на снимке представлен контрольный образец до начала модельного старения. Результаты исследования для образцов из бетона класса В30 представлены на рис. 4.

Исследование образцов методом качественного рентгенофазового анализа

Для уточнения изменения структуры цементного камня при воздействии повышенных температур были проведены исследования методом качественного рентгенофазового анализа (РФА). Для чистоты эксперимента все испытания на различных сроках модельного старения проводились на одних и тех же образцах, отобранных из стандартного образца бетона кубической формы с длиной ребра 100 мм отдельно под каждый температурный режим модельного старения и выдерживаемых в климатических камерах вместе с образцами бетона в стеклянных бюксах. Проведение исследований методом РФА на одних и тех же образцах в разные сроки модельного старения важно для обеспечения идентичности состава образцов сравнения и исключения влияния факторов вероятностного характера при постановке эксперимента.

Результаты фазового анализа показали, что в образцах, выдержанных при модельных 30 циклах с температурой 100 °C отмечается количественное и качественное изменение фазового состава. Количественные изменения характеризуется снижением содержания портландита за счет взаимодействия с СО2 воздуха и увеличением содержания карбоната кальция, а также полным переходом эттрингита в МГСАК и снижением аморфной фазы вследствие частичного их обезвоживания. Следует отметить продолжение гидратации клинкерных минералов C3S и C2S, при сохранении содержания C4AF.
Для образцов выдержанных при модельных 60 циклах с температурой 100 °C продолжается количественное изменение фазового состава, без качественных изменений, в части снижения содержания портландита, за счет взаимодействия с СО2 воздуха и увеличения карбоната кальция, а также участия портландита в образовании МГСАК. Отмечено дальнейшее снижение содержания аморфной фазы вследствие частичного их обезвоживания и существенное замедление гидратации клинкерных минералов C3S и C2S на фоне гидратации C4AF, что способствует росту содержания МГСАК.
С увеличением до 100 модельных циклов с температурой 1000 °C продолжается количественное снижение в образцах содержания фаз портландита и аморфной фазы при увеличении фаз карбоната кальция и МГСАК. Отмечена практически полная остановка процессов гидратации клинкерных минералов C3S, C2S на фоне продолжающейся гидратации C4AF.
Результаты исследования изменения фазового состава хорошо согласуются с микроструктурным анализом, с увеличением количества модельных циклов наблюдается рост степени разуплотнения микроструктуры образцов бетона.
Рост дефектов микроструктуры, обусловленный изменением количественного и качественного фазового состава образцов в результате воздействия температурных модельных циклов существенно снижает физико-­механические характеристики, модуль упругости, а также водонепроницаемость и сопротивление воздухопроницаемости исследованных образцов.

Выводы

Полученные результаты физико-­механических и деформационных характеристик свидетельствуют о том, что с ростом температуры и продолжительности модельных циклов при воздействии на бетон увеличивается интенсивность деградации физико-­механических, деформационных свой­ств и характеристик проницаемости бетона.
Результаты исследования микроструктуры и минералогического состава бетона показали увеличение дефектов микроструктуры образцов с ростом продолжительности циклических температурных воздействий. Изменение количественного и качественного фазового состава отмечено при 30 модельных циклах с температурой 100 °C, для 60 и 10 модельных циклов с температурой 100 °C качественные изменения фазового состава отсутствуют, при этом количественные изменения обусловлены сокращением количества портландита и аморфной части и ростом содержания ГСАК и карбоната кальция. Данные факты указывают на рост микродефектов и ускорение процессов карбонизации, что способствует снижению проектных характеристик бетона, ускорению коррозии арматуры железобетонных конструкций и негативно отражается на долговечности бетона.
Результаты проведенных исследований показали, что температурные воздействия, в том числе, возникающие при воздействии радиационного излучения, необходимо учитывать при разработке программ управления старением блоков АЭС, подверженных воздействию повышенных температур и/или радиации.