Teški baritni betoni

U Hrvatskoj se koriste sljedeće vrste izvora zračenja:
– zatvoreni izvori,
– otvoreni izvori,
– rentgenske naprave, i
– pospješivači.
Zatvoreni izvor zračenja je onaj izvor zračenja kojemu je građa takva, da u predviđenim uvjetima uporabe i habanja te uz predvidljive nezgode onemogućava bilo kakvo raspršivanje radioaktivnih tvari u okolinu.

K023-str34-00-200.gifOtvoreni izvor zračenja je onaj izvor zračenja, kod kojega niti oblik, a ni građa ne odgovaraju zahtjevima sigurnosti pred zračenjima koji važe za zatvorene izvore zračenja, tako da je kod njih moguće raspršivanje radioaktivnih tvari u okolinu. Rentgenska naprava je izvor zračenja koje nastaje u rentgenskoj cijevi interakcijom i zaustavljanjem ubrzanih elektrona na metalnim metama. Pospješivač čestica je umjetni izvor zračenja koji radi pospješivanja čestica emitira ionizirajuće zračenje, i to energijom većom od 1 megaelektronvolta (MeV).

korak308.inddOvi izvori zračenja koriste se:

  • u industriji,
  • prilikom istraživanja, i
  • u medicini.

Rentgenske cijevi koriste se za:

  • industrijsku radiografiju,
  • kontrolu prtljage i pošiljaka, te
  • analitičku radiografiju.

Ionizirajuće zračenje podrazumijeva prijenos energije u obliku molekularnih, atomskih i subatomskih čestica ili elektromagnetskih valova valne dužine 100 nanometara ili manje, odnosno frekvencije 3 × 1015 herca ili više, koje može neposredno ili posredno uzrokovati tvorbu iona.

Zaštitna sposobnost štita označava zapravo debljinu tvari kojom je zaštićen neki izvor zračenja, a može se izraziti ekvivalentnom debljinom olova (Pb) u milimetrima. U ovom članku pozabavit ćemo se projektiranjem i izvedbom zaštite od ionizirajućeg zračenja i X-zraka, što je vezano uz zatvorene izvore, rentgenske naprave i pospješivače

Prilikom projektiranja i gradnje pojedinih struktura i građa namijenjenih zaštiti od ionizirajućeg zračenja i radioaktivnog isijavanja (nuklearna medicina, atomska skloništa, industrija jezgri…), imamo propisanu uporabu unaprijed predviđenih zaštitnih sustava (s raspoređivanjem u smislu jenjavajućeg učinka).

No, u stvarnosti ova povezanost između materijala na koje se pozivamo – u granicama učinkovite zaštite – nije baš tako neposredno ovisna odnosno jednostavna. Što se tiče djelovanja pojedine vrste izvora i njegovog potencijala, potrebno je s vremena na vrijeme zaštitu iznova i dobro proučiti. Kod izrade štitova s konglomeratima (teškim betonima) možemo sa sigurnošću prosuditi da zaštitna učinkovitost raste s vrijednošću njihove prostorne mase. Bilo kako bilo, teški betoni i premazi nam – uz dopuštenje smanjenja debljine štita i uz jednake učinke zaslona – u usporedbi s običnim betonom i premazom nude još i posebno zanimljiva rješenja, koja mogu biti i veća od 40 posto.

Već navedena svojstva određuju i posebne konglomerate koje nazivamo teškim betonima ili teškim baritnim betonima; oni zahtijevaju podrobno i iskustveno projektiranje svježih mješavina te dodatnu pomoć, to jest uporabu gotovih pripremljenih agregata i posebnih agensa.

Vrsta teških betona, baritnih ili drugih, određena je prije svega masom zapremnine (težinom na kubični metar), koja je obično propisana u području od 2700 do 3700 kilograma na kubični metar, dok se za obične betone kreće između 2300 i 2450 kilograma na kubični metar.         

STUPNJEVI IZLOŽENOSTI I ODABIR ZAŠTITE

Uporaba izvora ionizirajućeg zračenja dopušta postojanje određenih rizika odnosno opasnosti koje se općenito odnose prije svega na osoblje koje upravlja tim izvorima, na drugo osoblje ili dio populacije (određene skupine) koje može biti izloženo opasnosti povremeno, kao i na sveukupnu populaciju.

Potreba za utvrđivanjem stupnja opasnosti odnosno rizika zahtijeva razgraničavanje na posebne zone, koje su poznate kao kontrolirane zone; to su one zone u kojima se ovi izvori koriste i u kojima radi njima pripadajuće osoblje, izloženo zbog poslova koje u njima obavlja. Nazivamo ih službeno izloženim osobama.

Zone koje opslužuju ispostavljene odnosno kontrolirane zone i koje imaju mnogo niže stupnjeve izloženosti zovemo nadziranim zonama. Pristup kontroliranim i nadziranim zonama dopušten je samo određenim skupinama.

Nužnost ovakvog razgraničenja zona po različitim stupnjevima izloženosti oko izvora zračenja općenito zahtijeva ugradnju zaslona odnosno zaštita izrađenih od različitih materijala i različitih debljina, koje su ovisne o vrsti izvora i načinu uporabe. Izvori, koje obično koristimo kako u industriji tako i na području medicine, a i tijekom biomedicinskih istraživanja, proizvode snopove elektromagnetskih valova (X- zrake, gama zrake), dok se na području fizikalnih istraživanja koriste i druge vrste zračenja.

Poštujući zahtjeve vezane uz zaštitu od izvora X- zraka, odnosno rentgenskih ili gama zraka, među materijalima koji se ubrajaju u zaštitne koriste se sljedeći:

  • olovo u pločama zatvorenima u panele ili neposredno namještenima na nosive elemente podnih i stropnih ploča i zidova;
  • baritni betoni u obliku prethodno već izrađenih (prefabriciranih) elemenata, ili izliveni na samom mjestu izgradnje.

Olovni paneli imaju prednost uporabe kao zaštita odnosno kao zasloni protiv izvora sa X- i Y- zrakama, i to do razine energije od 300 kVp, jer olovo iskazuje i koeficijent smanjenja snage, koji je kod ovih razina energije vrlo visok. Zato se kod aparatura odnosno izvora sa manjom moći zračenja koriste olovne ploče, pričvršćene na određeni nosivi element, ili baritni premazi na betonskim ili drugim stijenama te baritni završni podovi u obliku estriha ili AB-ploča od betona zgusnutog na uobičajeni način.

Očito je da se kod izvora X- i Y- zraka na razini energije od 600 do 1000 kVp i više prednost uporabe olova smanjuje, jer ovdje s ekonomskog stanovišta uporaba zaštite od baritnih betona postaje mnogo podesnija i realnija mogućnost.

U okviru osiguranja od zračenja moramo uzeti u obzir Pravilnik o uvjetima i mjerama zaštite od ionizirajućeg zračenja za obavljanje djelatnosti s rendgentskim uređajima, akceleratorima i drugim uređajima koji proizvode ionizirajuće zračenje (NN RH br 125/2006) (u Sloveniji –  Zakon o sigurnosti od ionizirajućih zračenja i sigurnosti jezgri (NN RS br. 102/2004, ZVISJV-UPB-2), kao i druge pripadajuće zakone i pravilnike.

korak308.inddBARIT

Barit (BaSO4 – barijev sulfat) je mineral sa visokom masom zapremnine i svojstvima kemijskog elementa barija (Ba), koji pripada zemljoalkalijskim metalima. Barij se nalazi u čvrstom agregatnom stanju, a ima izgled metala sličnog kalciju, samo znatno reaktivnijeg, jer ima visok atomski broj (Z = 56) te pripada skupini odnosno periodi II.S/6.5. Glavne značajke barita su navedene u tabeli br. 1.

BARITNI BETON I PREMAZ – EKVIVALENT ZAŠTITE

Pripremimo li svježu mješavinu betona ili žbuke s cementom i vodom te kao agregat umiješamo frakcije barita – a njih koristimo u jednakom omjeru kao i kod normalnog betona, samo što frakciju običnog kamenog agregata (vapnenastog, kremenog, dolomitnog i drugog običnog ili miješanog agregata) trebamo zamijeniti baritnim – dobit ćemo sastav mnogo veće gustoće (3.400 kilograma na kubični metar) nego kod normalnog betona (2.400 kilograma na kubični metar), i usto sa znatno poboljšanim svojstvima smanjenja odnosno ublažavanja utjecaja zračenja. Razlika u osnovnim materijalima za sastav običnog i teškog betona predstavljena je u tabeli br. 2.

korak308.indd

Razumljivo je da se za određene planirane učinke stvrdnutog betona ili popravljanje reoloških svojstava svježeg betona mogu koristiti različite kombinacije agregata, i to tako, da se baritnim agregatima još dodaju obični ili metalni.

Pripreme i ugradnje teških betona ne smijemo površno ili olako uzimati, jer bi pogreške ili nedostaci mogli dovesti do povećanja rizika u smislu postizanja zahtijevanih učinkovitih svojstava štitova. Tijekom miješanja baritni agregati imaju tendenciju drobljenja i mijenjanja u oblik praha. Osim toga, razlika u težini teških agregata uzrokuje segregaciju i sedimentaciju, koje moramo spriječiti. Osim spomenutoga, trenje tijekom miješanja uzrokuje povećanje i pospješivanje egzotermičke reakcije.

Već je na temelju objašnjenja postizanja što veće mase zapremnine betona moguće utvrditi da voda predstavlja najlakšu komponentu cementnog konglomerata. Stoga se treba pobrinuti za to, da se količina vode koja se umiješava što više smanji, s time da ipak održimo željenu konzistenciju (obradivost) betona te tako ostvarimo što lakšu i potpuniju zapunjenost konstrukcijskih elemenata.

Zbog gore navedenih razloga, kod pripreme teških baritnih betona prikladna je uporaba posebnih dodataka, pri čemu treba poštovati i odgovarajuće smjernice. To možemo učiniti poboljšanjem reologije i kohezivne obradivosti betona te istovremenim pobuđivanjem količine vode na kristalizaciju i ostvarenjem dodatnog izvora vodika na tom putu, radi skupljanja neutrona.

Prilikom pripremanja posebnih mješavina svježega teškog betona, neki su proizvođači kemijskih i mineralnih dodataka za betone razvili posebne kemijske dodatke. Za dodatno povećavanje mase zapremnine, čvrstoće  i žilavosti teških betona preporuča se i ugradnja čeličnih vlakana (čeličnih mikroarmatura).

Kada se baritni beton uspoređuje s onim običnim, treba reći da uporaba baritnog betona, već i s obzirom na X- zrake na razini energije od 50 do 100 kVp, omogućava znatno smanjenje debljine zaštitnih zidova, a razlika postaje sve značajnija kod viših razina energije, gdje se zahtijevaju još zgusnutiji i deblji (za zračenje ometajući) zaštitni zidovi.

korak308.inddZa razine energije koje se koriste za medicinsko liječenje ili za γ- gama zrake (gamagrafija), baritni beton postaje svojom cijenom dosta pristupačan, čak i kada se uspoređuje s olovom. Tabela br. 3 prikazuje neke faktore umnoška za običan i baritni beton u usporedbi s olovom za izračun debljine potrebne zaštite, s izračunom odnosno projekcijom jednakovrijednih zaštita od nekih razina energije X- zraka.

U tabeli br. 4 navedeni su neki praktični primjeri izračuna zaštite (zaslona) vezani uz dijagnostiku i medicinsko liječenje.

Ako se frakcije baritnog agregata proizvedu prema strogo kontroliranoj krivulji zrnatosti za sastav betona, mogu se bez poteškoća postići potpuno homogene mješavine svježih baritnih betona s visokim masama zapremnine, koji su prikladni za ugradnju u oplatu, a time i za oblikovanje zaštitnih zapreka.

Inertna baritna zrna za baritne betone u pravilu se proizvode u skladu sa HRN EN 12620:2003 (SIST EN 12620) pod sustavom 2 +. Ona se s obzirom na masu zapremnine (gustoću) kreću oko 3.300 kilograma po kubičnom metru. Koriste se za izradu bunkera s visokim energijama zračenja, u bolničkim zgradama, za sveučilišne laboratorije te u prostorima za pohranu radioaktivnih tvari odnosno sastojaka.

Gotove suhe mješavine žbuke za premaze izrađuju se u skladu sa standardom za premaze HRN EN 13139:2003 (SIST EN 13139) pod sustavom 2 + u zamjenu za 1 do 2 milimetara olova. Koriste se za obloge zidova i – prema potrebi – stropova odjela za radiologiju, odjela s napravama za računalnu aksijalnu tomografiju i prostore stomatoloških studija.

Kao zaštitne unutarnje i vanjske obloge za objekte koji već postoje odnosno za okolinu, neki proizvođači izrađuju gotove cementne blokove od baritnog betona sa potpunim uklapanjem i slaganjem po načelu lastavičjega repa, i to različitih debljina – od 4,5 do 10 centimetara; uz jednostavnu aplikaciju moguće je postići oblikovanje zaštite na kojoj se ne mogu pronaći bilo kakve nepovezanosti (diskontinuitet).

Baritnim betonskim blokovima debljine od 10 do 15 centimetara postižemo mase zapremnine od približno 3.400 kilograma na kubični metar i težinu od približno 17 kilograma. Koristimo ih za izradu zidova i obloga stropova na mansardnim ili obnovljenim odjelima sanitarne fizike (linearni pospješivači, ciklotroni, sinhrotroni).

Za posebne se namjene izrađuju i betonski blokovi, i to od  kombinacije baritnog agregata i granuliranog olova, tako da dosežu masu zapremnine od približno 4.000 kilograma na kubični metar. Moguće su i druge kombinacije s raznim granuliranim topioničkim zgurama (tj. sa šljakom).

korak308.inddSuhe i gotove pripremljene žbuke za izradu zaštitnih premaza od ionizirajućih zračenja obično se pripremaju kao grube – zrnatosti od 0 do 8 milimetara, za postizanje projektirane debljine i izravnavanje kod neravnih površina, te kao one fine zrnatosti od 0 do 2 milimetra za fino izravnavanje, što podrazumijeva finu površinu, već posve pripremljenu za ličilačke radove. Zbog teškog agregata, a često i zbog mogućnosti postizanja dobre međuzrnate zapunjenosti agregata, radi dobre obradivosti i smanjenja otpada, suhoj mješavini žbuke dodaju se i odgovarajući posebni dodaci. Suhe gotove mješavine žbuke prikladne su za uporabu u prostorima bolnica koji su izloženi ionizirajućem zračenju, kao i po zdravstvenim domovima, istraživačkim laboratorijima, i tako dalje.

U tabeli br. 5 prikazane su za odabrane debljine premaza odgovarajuće debljine olovnih ploča za različite jačine zračenja, a u tabeli br. 6 fizikalno – mehaničke osobine stvrdnutih žbuka sa zaštitnim premazima jednoga od proizvođača.

ZAKLJUČAK

Za pravilno projektiranje i izvedbu teških betona obavezno su nam potrebni podrobni podaci, koji obuhvaćaju stvarno propisanu masu zapremnine, ciljnu tvrdoću, dimenzije zgrade, količinu i raspored armature i drugo. Na temelju što je moguće točnije i potpunije oblikovanih zahtjeva mogu se izraditi posebni dokumenti, koji su predstavljeni završnom recepturom za pripravu svježeg betona te tehničko – tehnološkim naputcima za pripremu, prijevoz, ugradnju i njegu betona (projekt betona). Ako se radi o objektima kod kojih postoji velika opasnost od zračenja, možemo preporučiti da se projektantu i / ili izvođaču radova predaju još i podrobni podaci o stupnjevima zračenja, koji u različitim smjerovima mogu biti različiti, kako bi ih proučio s obzirom na projektne zahtjeve. On također treba biti upozoren i na sve proboje, a naročito na otvore za prozračivanje objekata ove vrste.

Kako kod nas nema otvorenog kamenoloma i / ili separacije za proizvodnju barita (poznata su samo nalazišta barita koja se ne iskorištavaju), primorani smo na njegov uvoz. No, potrebno je upozoriti da su kod nekih dobavljača primijećene poteškoće sa čistoćom agregata odnosno postizanjem predviđenih masa zapremnine, a ponekad i nečistoće te neodgovarajuća zrnatost agregata, tako da se u nekim slučajevima isporučenim materijalom teško mogu postići željene mase zapremnine od 3000 kilograma na kubični metar; usto, možemo imati i poteškoća sa segregacijom, naknadnom sedimentacijom i postizanjem dobre zalivenosti zrnaca agregata. U te svrhe, a naročito kada se radi o zahtjevima za postizanjem visokih masa zapremnine (od 3200 do 3500 kilograma na kubični metar), pametno je prvo izuzeti uzorke odabranog agregata te obaviti prethodna istraživanja. Zbog velike drobljivosti agregata, većinom se projektiraju betoni sa maksimalnim zrnom agregata 25 odnosno 22 milimetara.

 

Zdeslav Jamšek, dipl. ing. građ.

PODIJELI