Nghiên cứu lựa chọn thành phần bê tông cốt liệu barit cản xạ cho hạng mục che chắn nguồn Co-60

Hiện nay trên thế giới, ứng dụng năng lượng nguyên tử trong các ngành kinh tế đang dần chiếm tỷ trọng cao. Nhu cầu ứng dụng và sử dụng các nguồn bức xạ đang ngày càng phổ biến. Các công trình xây dựng như phòng xạ trị, phòng chụp ảnh công nghiệp hay các công trình xây dựng như công trình nhà máy điện hạt nhân, lò phản ứng, các hạng mục trong công trình xây dựng đó đều được phân loại và phân cấp theo mức độ bảo đảm về mặt an toàn bức xạ hạt nhân. Tùy theo mức độ yêu cầu đảm bảo an toàn bức xạ, các hạng mục đó sẽ có những yêu cầu về vật liệu xây dựng sử dụng.


Cấu trúc bề mặt bê tông barit

Việc sản xuất quy mô lớn các chất phóng xạ và vật liệu phóng xạ, xây dựng và sử dụng lò phản ứng hạt nhân, máy gia tốc hạt, chụp X quang công nghiệp, liệu pháp tia gamma, đòi hỏi phải có vật liệu che chắn để bảo vệ nhân viên vận hành chống lại các mối nguy sinh học của bức xạ như vậy. Bê tông được biết đến là một loại vật liệu truyền thống và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như xậy dựng, giao thông, công nghiệp, thủy lợi. Bê tông được mệnh danh là “Vật liệu của thế kỷ XX” thể hiện rõ vai trò của nó trong sự phát triển kinh tế của thế giới. Sự ra đời của ngành năng lượng hạt nhân cho thấy nhu cầu đáng kể về công nghệ bê tông hướng tới mục đích che chắn chống phóng xạ. Bê tông là một vật liệu che chắn tuyệt vời sở hữu các đặc tính cần thiết cho cả sự suy giảm tia neutron và tia gamma, có tính chất cơ học thỏa đáng và có chi phí chế tạo thi công bảo trì tương đối thấp. Ngoài ra sự dễ dàng của việc chế tạo thi công làm cho bê tông trở thành một vật liệu đặc biệt phù hợp để che chắn bức xạ. Công nghệ thiết kế chế tạo bê tông có sự thay đổi mạnh nhằm tăng hiệu quả chống cản xạ của vật liệu này. Một trong các hướng đó là thay thế các cốt liệu truyền thống bằng các nguồn cốt liệu tự nhiên khác hoặc cốt liệu nhân tạo nhằm tăng đặc tính cản xạ của bê tông đối với các nguồn bức xạ gamma và notron.

Tại Việt Nam, nhu cầu về sử dụng các máy xạ trị Cobalt 60 và máy gia tốc dùng trong xạ trị y tế đang tăng lên, các bệnh viện cấp tỉnh và trung ương đều đã và đang được trang bị các hệ thiết bị này. Tuy nhiên, vấn đề nghiên cứu bê tông chống phóng xạ, bê tông siêu nặng ở Việt Nam chưa đưa ra được chỉ tiêu cản xạ cụ thể trong đặc tính kỹ thuật của vật liệu bê tông, mới chỉ dẫn dắt đến mối liên hệ tỷ lệ thuận giữa khối lượng thể tích và khả năng suy giảm bức xạ của vật liệu này. Vấn đề về ứng dụng sử dụng của vật liệu trong các công trình có những ưu nhược điểm gì cũng chưa được đề cập chi tiết cụ thể.

Nhằm lựa chọn được thành phần cấp phối bê tông đặc biệt có khả năng cản xạ tốt hơn bê tông thông thường nhằm giảm khối lượng thi công, tiết kiệm chi phí xây dựng, tăng hiệu quả khai thác sử dụng mặt bằng diện tích công trình xây dựng, KS. Dương Ngọc Đức và nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Đánh giá không phá hủy đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu lựa chọn thành phần bê tông cốt liệu barit cản xạ cho hạng mục che chắn nguồn Co-60”.

Sau một thời gian triển khai thực hiện, đề tài đưa ra các kết luận như sau:

- Đã nghiên cứu tổng quan tình hình nghiên cứu về bê tông cản xạ;

- Đã tìm hiểu nguyên lý và tính toán lý thuyết xác định cấp phối bê tông thông thường và bê tông cản xạ;

- Nghiên cứu thiết kế chế tạo mẫu cấp phối bê tông cản xạ dùng trong các hạng mục che chắn nguồn phóng xạ Cobalt 60

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát đánh giá tính chất yêu cầu kỹ thuật của cốt liệu barite phù hợp với quy định, xác định được thành phần cấp phối bê tông cản xạ với yêu cầu kỹ thuật đáp ứng các chỉ tiêu cơ lý của bê tông thông thường và xác định khả năng cản xạ đối với tia gamma nguồn Cobalt 60. Các sản phẩm chính của để tài bao gồm các chuyên đề nghiên cứu; bảng cấp phối với bê tông thông thường làm đối chứng và bê tông cản xạ cốt liệu barite theo yêu cầu có cường độ nén không nhỏ hơn mác bê tông M300, độ sụt 8-10cm, khối lượng thể tích 3328/m3; giá trị cản xạ HVL =42,2 mm. Nhóm đề tài cũng nhận được những ý kiến phản hồi tích cực trong hội nghị cán bộ trẻ của Viện Vật liệu xây dựng cũng như sự quan tâm đến kết quả nghiên cứu của Viện Khoa học Công nghệ và Xây dựng trong việc ứng dựng chế tạo vật liệu bê tông cản xạ trong các công trình xây dựng ở Việt Nam.

So với các nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam, đề tài đã có những kết quả nghiên cứu về vật liệu bê tông có tính ứng dụng rõ rệt hơn: khẳng định cốt liệu barite tại địa phương có thể dùng thay thế cốt liệu chính cho vật liệu bê tông; chỉ dẫn kỹ thuật về vấn đề liên quan đến công tác thi công bê tông barite, về cách lựa chọn độ sụt và lượng phụ gia cần thiết đáp ứng tính linh động trong công tác trộn đổ bê tông nhằm tăng cường độ, độ đồng nhất vật liệu; đề xuất thay đổi thành phần hạt của cốt liệu trong việc thay đổi khối lượng thể tích nhằm mục đích tối ưu giá trị cản xạ.

Các kết quả nghiên cứu của đề tài về giá trị cản xạ của bê tông cốt liệu barite đã bổ sung phần thiếu hụt cho các nghiên cứu trong nước về vật liệu bê tông dùng để chống phóng xạ là công bố rõ giá trị cản xạ của vật liệu (HVL, TVL) tương ứng với cấp phối kèm theo, điều này là rất cần thiết đối với các công trình có hạng mục yêu cầu đặc tính cản xạ, là cơ sở để việc thiết kế xây dựng và đánh giá nghiệm thu an toàn bức xạ. Giá trị cản xạ và khối lượng thể tích trong nghiên cứu của đề tài và các nghiên cứu trên thế giới có mối liên hệ tỷ lệ thuận với nhau, tuy nhiên không trùng khớp kết quả do lựa chọn vật liệu barite của mỗi đề đài là khác nhau về hàm lượng barite trong cốt liệu.

Với kết quả nghiên cứu của đề tài về vật liệu bê tông barite, các công trình xây dựng có thể giảm khối lượng thi công đến 23,9% m3 bê tông, giảm độ dày kết cấu xây dựng và che chắn bức xạ đến 23,9%, điều đó đồng nghĩa với việc tiết kiệm chi phí xây dựng và tăng diện tích sử dụng của công trình. Đề tài nghiên cứu còn nhiều vấn đề chưa đi sâu được do kinh phí và thời gian không cho phép: chưa tối ưu được lượng xi măng làm chất kết dính trong cấp phối; chưa thực hiện việc thí nghiệm và đánh giá ảnh hưởng của mác đá gốc đến cường độ nén của bê tông; vấn đề về sử dụng cốt liệu barite theo yêu cầu của tiêu chuẩn hiện hành đối với bê tông cản xạ (TCVN 9205:2012 với cát nghiền từ đá barite, TCVN 12208:2018 cốt liệu cho bê tông cản xạ) mới chỉ là nghiên cứu bước đầu. So sánh với các kết quả nghiên cứu trên thế giới, nhóm đề tài có kết luận tương đồng, nhưng chưa đi sâu nghiên cứu về ảnh hưởng của sự thay đổi hàm lượng barite trong các mẫu cấp phối dẫn đến sự thay đổi về khối lượng thể tích cũng như giá trị cản xạ (mối quan hệ giữa khối lượng thể tích và giá trị cản xạ của bê tông barite), để tối ưu hàm lượng barite trong cốt liệu.

Dựa trên những kết quả nghiên cứu cũng như những vấn đề còn hạn chế của đề tài, nhóm nghiên cứu đề xuất có thể mở rộng nghiên cứu, kết hợp với các nhóm nghiên cứu về vật liệu bê tông, vật liệu mới, vật liệu tái tạo, theo một số hướng như sau:

- Nghiên cứu tối ưu hóa thành phần cốt liệu cho bê tông cản xạ sử dụng các cốt liệu tự nhiên hoặc nhân tạo trong các công trình xây dựng có yêu cầu tính cản xạ (các cốt liệu tự nhiên và nhân tạo theo TCVN 12208:2018)

- Nghiên cứu về bê tông cản xạ ứng dụng các công trình đặc thù sử dụng nguồn bức xạ năng lượng cao (phòng chụp ảnh phóng xạ, phòng máy gia tốc, lò phản ứng hạt nhân, ...)

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 19517/2021) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

P.T.T (NASATI)