防辐射混凝土的材料性能研究

防辐射混凝土的材料性能研究　Ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　叶栋魏涛（中国石油集团工程设计有限责任公司青海分公司，甘肃敦煌７３６２０２）　摘要在众多防辐射材料中，混凝土以力学性能和耐久性能好、来源广、便于施工等优良特点在工程领域得到广泛应用。　本文主要对配置混凝土所需的水泥、粗细集料、水、外加剂、活性矿物掺合料进行性能研究，选用优良配料，研究配合比，　进行试验配合比试验，通过调整配合比，研究防辐射混凝土的材料性能，最终得到配合比优良、强度优良的防辐射混凝土材料。　关键词：防辐射混凝土；配合比：材料性能　Ａｂｓｔａｃｔ：Ｉｎ　ｎｕｍｅｒｏｕｓ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｍａｔｅｒｉａｌ，ｗｉｔｈ　ｇｏｏｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｃｏｎｃｒｅｔｅｗｉｄｅ　，ｓｏｕｒｃｅ，ｅａｓｙ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｉｓ　ｗｉｄｅｌｙ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｆｉｅｌｄＩｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｒｅｑｕｉｒｅｄ　ｆｏｒ　．ｃｅｍｅｎｔ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ，ｔｈｅ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｗａｔｅｒ，ａｄｍｉｘｔｕｒｅ，ａｇｇｒｅｇａｔｅ　ａｃｔｉｖｅ　ｍｉｎｅｒａｌ　ａｄｍｉｘｔｕｒｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈｃｈｏｏｓｅ　ｇｏｏｄ　ｉｎｇｒｅｄｉｅｎｔｓ，ｍｉｘ　，ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｉｒｍｅｎｔ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｂｙ　ａｄｊｕｓｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｉｘ　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｆｉｎａｌｌｙ　ｇｏｔ　ｔｈｅ　ｇｏｏｄ　ｇｏｏｄ　ｍｉｘｔｕｒｅ　ｒａｔｉｏ，ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｍｉｘｔｕｒｅ　ｒａｔｉｏ；ｍａｔｅｒｉａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　中图分类号：ＴＵ５０２；ＴＵ５９６文献标识码：Ｂ文章编号：１００３　８９６５（２０１５）０４——００２８——０３　１引言　防辐射混凝土是为有效地防御射线而设计。伴随核　工业等的发展和放射性同位素在医疗、科研试验等方面的　广泛应用，ｘ射线、０ｃ射线、ｐ射线、ｙ射线、中子射　线等射线随之进入大众人群，危及民生。对于射线的防　护，其中ａ射线、Ｂ射线穿透力弱，容易被吸收，一般　厚度的防护材料就能阻隔，因此，防辐射材料主要屏蔽的　是ｘ射线、ｙ射线、中子射线。迄今为止，人类用于防　１）材料的性能稳定、容易获得、价格低廉等。　２）在满足混凝土强度的前提下，尽可能选用放热量　小、水化结合水含量高的水泥材料，尽量减少水泥用量：　３）集料的密度除须满足混凝土表观密度的要求外，　同时还应考虑结晶水含量、含硼量等防辐射混凝土特殊技　术指标的要求：　４）具有结构体所必须的强度和耐久性。　２．１水泥　水泥的选用，原则上应选用水化热低、结晶水含量　较多、相对密度较大的水泥。从减少水泥水化热，避免混　凝土开裂的角度考虑，防辐射混凝土所使用的水泥宜选用　水化热较低的水泥，不选用高强度等级水泥（由于太细的　水泥水化速率较快，水化收缩量相对较大，易开裂，故而，　水泥的强度等级一般不超过４２＿５级，不低于３２．５级）。　水泥水化后的各种水化产物中带有一定的化学结合水，但　是不同种类型的水泥水化后的结合水含量会有不同程度的　差别，混凝土结合水含量越高，则其屏蔽中子射线的能力　越强。据试验数据可知　：　表２不同种水泥水化后的结合水含量　水结合水含量（水泥质量的百分数）／％　泥品种　一护各种射线的防护材料有铅板、钢板、铅玻璃、聚合物、　水和混凝土等，其中，混凝土是目前使用最为广泛的射线　防护材料。各种防辐射材料的防辐射效果及性能比较见表　１。　工程结构设计中常设计采用防辐射混凝土、防辐射　砂浆，以阻隔各类射线。一般情况下，密实混凝土均具有　防御射线的能力，对于ｘ射线、ｙ射线，高密度材料具　有较好防御能力；对于中子射线的防御，要求含有氢原子　的材料，尤其是含有氘原子的重水才会具有较强的防御能　力…　２材料性能要求及选择　防辐射混凝土的屏蔽性能主要是通过增加表观密度、　密实性、提高结晶水含量及钡、硼等元素的含量获得，故而，　个月　十二个月　硅酸盐水泥　石膏矾土水泥　矾土水泥　镁质水泥　１５　２８　２５　３５　２０　３２　３０　４０　防辐射混凝土原材料选用原则主要有以下三个方面　：　表１防辐射材料比较　材料　铅板　钢板　水　防辐射效果　对低能和高能的ｘ射线和ｙ射线均有很好的屏蔽效果，对中子　射线屏蔽效果差　对Ｘ射线和Ｙ射线的屏蔽效果较好，对中子射线屏蔽效果差　对中子射线屏蔽效果好　性能　徐变较大，经济性　成本高　不易施工　力学性能好、不易施工，耐腐性差　成本较高　所需厚度较大，液体水的防护层难以施工和成型　成本低　聚合物　对Ｘ射线和Ｙ射线的屏蔽效果较好，对中子射线屏蔽效果较好　易于施工，不耐高温，耐久性和耐老化性差　玻璃／陶瓷　对Ｘ射线和Ｙ射线的屏蔽效果较好，对中子射线屏蔽效果较好　混凝土　２８　对ｘ射线和ｙ射线和中子射线均均有较好的屏蔽效果　力学性能好，耐高温性好　力学性能和耐久性能好、来源广、便于施工　成本较高　成本高　成本低　实验与研究　由表２可知，特种水泥的结合水量百分比明显高于　ｆ　品；掺入结晶水调节剂，可有效调整混凝土结晶水含量，　确保混凝土中含有充足的结晶水；掺入纤维素增稠剂可以　硅酸盐水泥，结合水含量百分比最高的镁质水泥甚至达到　硅酸盐水泥的两倍，即其屏蔽中子射线的能力远超普通水　泥。　显著改善防辐射混凝土的和易性，防止分层离析和泌水，　但伴随纤维素增稠剂的加入，混凝土的防辐射能力和强度　均有所降低，研究表明其最佳掺量为Ｏ．０５％。　２．２集料　集料是混凝土组份中主要的组成部分，它约占混凝　２　５活性矿物掺合料　土总体积的５５％以上。普通混凝土的集料具有其重要的　意义：技术上，集料能够改善混凝土的性能，采用高强集　料所构成的刚性骨架能够提高混凝土的强度及变形模量，　此外，还可以减少混凝土在荷载作用下的收缩和徐变；经　济上，集料的价格远低于水泥材料，它使混凝土成为一种　价格低廉的建筑材料。　防辐射混凝土主要由密度很大的水泥或水化结合水　常规的防辐射混凝土选用高密度材料作集料，能够　很好的防护Ｘ射线和ｙ射线，同时，因其含有较多结晶　水，其能有效捕捉中子且不形成ｙ射线，故其防御射线　的能力较强。但由于集料密度大，而集料与胶凝材料的密　度差异使得混凝土施工时容易分层离析和泌水，施工性能　差；此外，混凝土水灰比较小，水泥用量较大，水化放热　速率较高，收缩率大，因辐射导致的高温，所产生的温度　应力，进而造成混凝土开裂，大大降低了混凝土的防辐射　含量较高的水泥与特殊集料组合配置而成，其中，特殊集　料发挥防御射线的功能。特殊集料的化合水含量、表观密　度等是防辐射混凝土的重要技术指标，其大小能够直接影　能力和耐久性　。设计及施工中，采用加入活性矿物掺合　料，改善上述问题。　响混凝土屏蔽ｙ射线和中子射线的能力。配制防辐射混　活性矿物掺合料是指含有大量无定形态ＳｉＯ，和　Ａ　Ｊ，Ｏ　的一类物质，包括火山灰浮石、沸石、硅藻土等天　然矿物质和矿渣、粉煤灰、硅灰等工业副产品。活性矿物　掺合料，己逐渐成为配制高性能混凝土不可缺少的组份，　凝土时所选用的特殊集料　，常采用各种铁矿石，如重晶　石（主要成分ＢａＳＯ　）、磁铁矿（主要成分Ｆｅ３Ｏ　）、赤　铁矿（主要成分Ｆｅ２Ｏ３）、褐铁矿（主要成分Ｆｅ２Ｏ３、结　晶水）、硼镁矿（主要成分Ｂ２０３、ＭｇＯ、Ｆｅ２０３）、蛇纹　它的掺入能够改善混凝土材料的一系列性能，具体如下：　１）改善水泥颗粒的填充性，提高水泥石致密度及抗　石（主要成分ＭｇＯ、ＳｉＯ，）等。各种矿石材料的性能及　技术要求见表３。　２．３水　防辐射混凝土配置所使用的水应为ＰＨ值大于４．０的　渗性。水泥的平均粒径通常为２Ｏ一３Ｏ　ｕ　ｍ，其粒子间的　填充性不好，掺入粒径小于１　０　ｕ　ｍ的活性矿物掺合料能　优化胶凝材料颗粒级配，有效改善其填充性；　２）大幅度提高混凝土的强度。活性矿物掺合料中的　无定形态ＳｉＯ，和水泥的水化产物Ｃａ（ＯＨ），及高碱性水化　洁净水，其质量要求应符合《混凝土用水标准》（ＪＧＪ　６３—　２００６）中的要求。　２．４外加剂　硅酸钙发生二次反应，生成更稳定、强度更高的低碱性水　化硅酸钙，从而有效减少水泥浆体中游离ＣａＯ，不断增加　外加剂一无需取代水泥，外掺量小于５　Ｏ％的化合物。　功能：改善新拌混凝土和硬化混凝土的材料性能。高性能　混凝土用外加剂有缓凝剂、膨胀剂、减水剂、结晶水调节　剂、纤维素增稠剂、引气剂等。掺入适量的高效缓凝减水　剂，能够延长混凝土的初终凝时间，同时减少混凝土单位　胶凝物质的数量，改善水泥石与集料界面结构，大幅提高　混凝土的强度。　３）降低混凝土水化热，削减混凝土放热峰，有效减　少混凝土温度裂缝的产生；　用水量，还可以改善混凝土和易性，并能够增加混凝土致　密性，降低水化热，使水化热放热速率明显减慢，延迟混　凝土温度峰值的出现，有利于温度的控制　；掺入微膨胀　４）提高混凝土拌合物流动性ｉ　５）改善混凝土的耐久性。　剂，能够抵消一部分混凝土材料因体积收缩而产生的拉应　３防辐射混凝土的配置　３．１配合比设计流程　力，减少结构裂缝的出现：掺入高效减水剂，其减水率在　２０．Ｏ％以上，选取时，宜选择纯正产品，不宜选用复配产　表３屏蔽Ｙ射线防辐射混凝土常用集料性能及技术要求　集料种类　堆积密度ｋｇ／ｍ。　相对密度ｋｇ／ｍ。　技术要求　ＢａＳＯ　含量不低于８０％；含石膏或黄铁矿的硫化物及硫酸化合　物不超过７％；具有严重多孔结构的重晶石，压碎值较大，不能　用以制备高强度防辐射混凝土，屏蔽Ｙ射线效果较好　表观密度应大，坚硬石块含量应多，细集料中Ｆｅ　０。含量不低于　６０％，粗集料中Ｆｅ　０　含量不低于７Ｏ％：只允许含有少量杂质　表观密度应大，坚硬石块含量应多，细集料中Ｆｅ　Ｏ。含量不低于　６０％，粗集料中Ｆｅ，Ｏ，含量不低于７０％：只允许含有少量杂质　Ｆｅ２０３含量不应低于７０％，仅含少量杂质，尤其是粘土：含结　晶水　屏蔽中子效果较好　粗集料　细集料　重晶石　磁铁矿　赤铁矿　褐铁矿　３０００－３１　Ｏ０　２６ＯＯ一２７０Ｏ　２６ＯＯ一２７０Ｏ　１６００－２６ＯＯ一２７ＯＯ　２３ＯＯ一２５０Ｏ　２４Ｏ０—２５Ｏ０　１４ＯＯ一１　５００　４３００－４７００　４３００－５１　００　４２Ｏ０—５３ＯＯ　３２ＯＯ一４ＯＯＯ　１７００　硼镁矿石　蛇纹石　｜　｜　｜　｜　约３０００　２５Ｏ０—２７Ｏ０　Ｂ２０３：含量尽量多且不溶于水：小于Ｏ　１５ｍｍ的细分料在小于　８％：含结晶水和Ｂ元素，屏蔽中子效果较好　高温下仍能保持结晶水，屏蔽中子射线效果最好　２９　Ｉ　望墨　壅　表４重晶石防辐射混凝土的配合比　试配组别　水泥Ｉｋｇ　１　３２２　２　３３８　３　３６０　４　３２２　５　３３８　６　３６０　重晶砂／ｋｇ　重晶石／ｋｇ　１　１２７　１　５５５　１　１０６８　１４７４　１０５０　１４５０　１３８７　１９１４　１３１８　１８１　１　１３００　１　７９４　水／ｋｇ　外加剂／ｋｇ　和易性　强度／ＭＰａ　密度／ｋｇ／ｍ。　１５０　７　８　不好　３５．５　２９９０　１　５７　８　５　好　４０　６　３０００　１６５　９　Ｏ　好　３９　６　３００５　１　５Ｏ　７　８　不好　３８　９　３９８８　１５７　８　５　好　４５　２　３９９８　１６５　９　Ｏ　好　４３　１　３９９７　重晶石产地　配合比　青海　１：３．５：４　８：Ｏ　５　青海　１：３　２：４　４：０　５　青海　１：２　９　４　Ｏ：０　５　内蒙　１：４　３：５　９：０　５　内蒙　１：３　９：５　４：０　５　内蒙　１：３　６：５　０：０　５　针对防辐射混凝土高密度、轻元素含量等特殊性能　的特点，混凝土搅拌时间不宜过长，３５ｓ～４５ｓ为宜。否　则，将大大增加细集料的含量，影响混凝土的工作性能；　混凝土在成型试件时振动台的振动时间以１２ｓ左右为宜，　要求，使得其配合比设计在技术参数的选择上存在一些差　异，两者配合比设计步骤大致相同，配合比设计步骤：　不可过度振捣，以免混凝土的粗细骨料分层离析和泌水。　１）计算配置强度：　，＝厶　＋ｌ　６４５ｆｆ　一混凝土　按照３　１中配置流程进行试拌混凝土，设计了６组试验进　行试配，具体见表４。根据试验１—６的试验结果表明，水　泥用量在保证混凝土的和易性好的情况下，不用太高，从　试验结果可以看出，水泥用量３４０ｋｇ左右就能够满足需要　式中：　一混凝土配置强度，ＭＰａ；　立方体抗压强度标准值，ＭＰａ；　（丁一混凝土强度标；隹差，ＭＰａ：　，　２）确定水灰比：　式中　口　、　ＭＰａ：　砂率是混凝土配合比设计中一个极其重要参数，如果砂率　一水泥的强度等级，　合理，则重晶石混凝土的黏聚力和保水性较好，混凝土比　较密实，表观密度也高；重晶石的密度对混凝土的强度影　响较大，在选用重晶石的时候需注意，需严格控制水量，　水量过少，和易性不好，水量过多时，混凝土强度会有所　下降。综上，６组试验配置比综合比较，２、５号试验组为　优良试验组，所配置得到的混凝土亦为强度优良防辐射混　凝土。　一回归系数；　３）选择单位用水量　掺减水剂时，若减水率为　，则掺外加剂单位用水量　１１１　，按下式计算：　ｔｎ　＝Ⅲ　Ｈ一，，　式中　ｍ　一掺外加剂混凝土单位用水量，ｋｇ；／ｎ　未掺外加剂混凝土单位用水量：　一外加剂的减税率，　％。　４结语　４）计算单位水泥用量（　）　５）计算砂率（Ｓ　）　ｓ　；吉　一拔开系数，取　本文首先主要对防辐射混凝土材料进行研究，分别　对配置混凝土所需的水泥、粗细集料、水、外加剂、活性　矿物掺合料进行性能研究：其次，对防辐射混凝土的配合　比设计进行了研究：最后，进行试验配合比试验，通过调　式中：Ｇ一粗集料孔隙率，％，　１．１—１　３，　、　一粗、细集料堆积密度，堙／ｍ　。　６）计算单位粗细集料用量　＋　＋　＋　＋０．０１　：１　ｐ　ｐ。　｝）　ｐ　一　整配合比，研究防辐射混凝土的材料性能，最终得到配合　比优良、强度优良的防辐射混凝土材料。　参考文献　…刘霞等防辐射混凝土的试验研究Ｕ１．商品混凝土　２００６，（１），２５—２７　式中．　ｍ　一单位水泥、粗集料、　．细集料、水用量，姆：　、　一【２】李国刚．防辐射高性能混凝土材料研究ｌＪ】．武／Ｋ．￣－Ｘ　工大学学报．２０１０，（５），１６－１８　水泥、粗集料、细集料表观密度　及水的密度，ｋｇ／Ⅲ　；　７）试拌调整配合比。　３　２配置试验　３李续业，姜金名，葛兆生特殊性能新型混凝土　技术（第一版）【Ｍ】＿北京：化学工业出版社，２００７，１７５—　１７７．　重晶石集料的辐射防御能力毋庸置疑，如何获得满　足设计需要强度的混凝土，成为我们关注的重点。防辐射　混凝土的密度越大，其屏蔽效果越好，故试验配合比设计　４１陈必丰．大体积防辐射混凝土的配制和施工应用　ｌＩＩ＿公路交通技术．２００５（１）：４４—４５．　【５］邹秋林等．防辐射混凝土高性能化研究进展　混　凝土．２０１２．２６７（１１：６—１０　时应重点考虑混凝土的表观密度和密实程度。本次试验粗　细集料选用重晶石为原料，由于重晶石的强度较低、性脆　３０