Атом на службе строительства
Уже много лет наряду с рентгеновским просвечиванием в строитель-стве применяется метод гамма-дефектоскопии. Он используется для выявления раковин, пустот, трещин или участков неравномерной плотности бетона, для выявления правильности расположения арматуры и ее диаметра в железобетонных изделиях, а также для измерения толщины защитного слоя. Атомными методами можно также определить среднюю плотность и влажность готового бетона.
Общим для этих методов является использование жесткого проникающего излучения, взаимодействие этого излучения с веществом и способ регистрации частиц проникающих излучений. В качестве про-никающих излучений применяют гамма-лучи и быстрые нейтроны. Источником гамма-лучей служат естественные и искусственные источники излучений. Естественные источники излучения — радий, родон, уран, протактиний и др. — очень трудно добываемые и дорогие вещества. Поэтому они применяются главным образом в научных исследованиях, которые ведутся в лабораториях. А для массовых промышленных целей используют искусственные радиоактивные изотопы.
Изотопы — это химические элементы с одинаковым порядковым номером, следовательно, и одинаковыми химическими свойствами, но различными атомными массами. Важнейшее свойство многих изотопов — их радиоактивность, т.е. способность самопроизвольно распадаться с испусканием частиц (излучений). Главная характеристика изотопа — период полураспада, т.е. время, за которое распадается половина имеющегося радиоактивного вещества. Так, например, период полураспада висмута-210 равен 5 суткам. За это время от 100 граммов висмута останется 50 граммов. Еще через 5 суток оставшееся количество висмута снова уменьшается наполовину и будет уже равно 25 граммам и т.д. Период полураспада одних изотопов равен микросекундам, часам и дням, а других – годам и даже миллиардам лет. Поэтому в зависимости от периода полураспада изотопы делятся на долгоживущие и короткоживущие. В приборостроении применяют изотопы. В настоящее время известно более 800 радиоактивных изотопов. Среди них избтоп кобальта, цезий 137, таллий 204, стронций 90 и т.п. Искусственные радиоактивные изотопы оценивают по активности, которую сравнивают с радием. Единица .активности – грамм-эквивалент радия. Активность в 1 г экврадия означает активность, соответствующую активности 1 г радия. Чем выше активность изотопа, тем меньшее его количество необходимо для получения такого же ионизирующего действия, как у 1 г радия. В приборостроении используют очень малые количества изотопов из-за опасности радиации для персонала.
Второй характеристикой радиоактивных изотопов является энергия излучения. Она характеризует проникающую способность этого излучения. В атомной физике она выражается единицей, называемой электрон-вольт, т.е. энергией, приобретаемой частицей, несущей элементарный заряд, при разности потенциалов, равной 1 вольту. В промышленных целях обычно Используют изотопы с энергией излучения 0,1—3,5 Мэв. Такая энергия безопасна для обслуживающего персонала.
Гамма-лучи способны проходить через большую толшу материала, но при прохождении через какой-либо материал гамма-лучи ослабляют-ся и тем больше, чем выше плотность материала и чем больше будет толща материала. На степень ослабления интенсивности гамма-лучей совершенно не влияют температура, степень измельчения и физическое состояние материала. Лучшим поглотителем гамма-лучей является свинец; поэтому его часто используют в качестве защитного экрана от действия гамма-лучей. На свойствах гаМма-лучей поглощаться и рассеи-ваться в материале, в частности в бетоне, основаны приборы для опре-деления средней плотности и толщины изделия.
Вторым видом проникающего излучения, применяемого в строительстве, являются нейтроны, которые не несут электрического заряда, но обладают высокой проникающей способностью. Их взаи-модействие с веществом имеет характерные особенности: когда ней-троны высокой энергии попадают в вещество и сталкиваются с ядрами атомов, то они передают им часть своей энергии и замедляются. Наибо-лее эффективно нейтроны замедляются водородом. На этом принципе построены влагомеры — приборы для определения влажности материалов.
Источником нейтронов служит смесь радиоактивных элементов радия с полонием или бериллием. Обычно в технике измерений используют источник с интенсивностью около 105 нейтрон/с.
Как определить среднюю плотность бетона в готовом изделии или конструкции? Прежде всего уточним, зачем нужно определять среднюю плотность готового бетона. Знание средней плотности необходимо при вычислении прочности бетона по динамическому модулю упругости.
Ну, а без знания средней плотности, достигаемой при формировании бетонных изделий или при укладке бетона в монолит, нельзя получить заданную прочность всего сооружения. Чтобы измерить среднюю плотность, нам понадобится источник излучения гамМа-лучей и регистрирующее устройство интенсивности гамма-лучей со счетчиком частиц; шкала счетчика отградуирована в единицах плотности. В качестве источника гамма-лучей применяют радиокобальт (С 60) или цезий 137 (С ,137).
Схема расположения всех приборов, входящая в состав радиоактив-ного объемомера или плотномера, такова: источник гамма-излучения и регистрирующее устройство со счетчиком ставят с противоположных сторон контролируемой конструкции. При прохождении гамма-лучей через материал они взаимодействуют с атомами материала, которые находятся на пути распространения и частично поглощаются ими. Взаимодействие между излучением и атомами материала будет тем сильнее, чем плотнее материал. Это значит, чем плотнее материал, тем меньше гамма-фотонов пройдет через него. Поглощение проникающего излучения в теле материала будет зависеть от средней плотности материала.
Количество гамма-фотонов, зарегистрированное счетчиком, и будет характеризовать среднюю плотность бетона.
А как быть, если измерения средней плотности надо вести в монолите? В этом случае как источник гамма-лучей, так и регистрирующее устройство со счетчиком монтируют в зонде: сверху находится регистрирующее устройство, а внизу — источник излучения. Счетчик вы-несен наружу. Чтобы не происходило прямого излучения в регистрирую-щее устройство, между источником излучений и регистрирующим устройством располагают свинцовый экран определенной толщины. В испытуемом изделии пробуривают шпур и в него устанавливают зонд с приборами и экраном. Средняя плотность монолита определится также количеством гамма-фотонов, зарегистрированных счетчиком.
Как определить среднюю плотность бетонной смеси? Все рассуждения, касающиеся бетона, будут справедливы для бетонной смеси. Можно также использовать и зонды. Зонд устроен так. Очень небольшой источник цезия-137 активностью 2—5 мг-экв радия помещен в острие Т-образного зонда диаметром 20 мм, который погружают в бетонную смесь. Степень поглощения гамма-лучей фиксируют счетчиком, отградуированным в единицах средней плотности. Значения средней плотности отсчитывают непосредственно по шкале прибора.
Радиоактивный контроль за качеством укладки бетона уже много лет применяется в гидротехническом строительстве, например при сооружении Бухтарминской и Братской ГЭС.
Как определить среднюю плотность бетонной плиты или дорожного полотна, когда доступ к ним возможен только с одной стороны?
Существующие методы вырубки проб ослабляют конструкцию и, кроме того, это связано с отбором множества проб на большой площади, например в условиях дороги. Это очень трудоемкая задача, не всегда обеспечивающая достоверный контроль однородности покрытий.
И здесь нам помогают радиоизотопные методы. Интенсивность погло-щения и рассеяния гамма-лучей при одностороннем доступе к конструкции фиксируют следующим образом. Пучок гамма-лучей от источника излучения под определенным углом направляют на бетонную плиту, дорожное покрытие, массив. Отраженные лучи улавливают регистрирующим устройством со счетчиком, также расположенным под определенным углом. Как источник излучений, так и регистрирующее устройство со счетчиком помещены в свинцовые контейнеры. Между ними находится толстый свинцовый поглотитель. Среднюю плотность бетона определяют по индикатору счетчика. Если сделать несколько измерений, то общая точность оценки средней плотности будет достаточно высокой. Прибор обеспечивает точность до 0,3 г/см .
Как определить влажность готового бетона, не беря при этом проб? Нейтронным методом! Этот метод отличается от описанных радиоизотопных методов тем, что в качестве источника излучения предусматривает поток быстрых нейтронов. Принцип нейтронного влагомера заключается в том, что когда быстрые нейтроны, излучаемые сплавом полоний-бериллий, проходят через влажный материал, они сталкиваются с водородом, содержащимся в молекулах воды, и замедляются, так что их скорость становится близкой к скорости движения молекул при воздействии тепла. Такие нейтроны уже называют медленными или тепловыми нейтронами. Вот эти медленные нейтроны и регистрируются счетчиком. Влажность будет тем большей, чем больше образуется тепловых нейтронов. Конструктивно нейтронный влагомер выполнен в виде зонда. В конце зонда установлен источник нейтронов (сплав полоний-бериллий). Затем в зонд помещают свинцовый экран, в котором находится счетчик медленных нейтронов. Он регистрирует количество нейтронов по шкале прибора, проградунрованной в % влажности. Точность измерения равна 2%.
Бетон - Атом на службе строительства
Остались вопросы по теме - "Атом на службе строительства", задайте их на