防辐射混凝土论文

防辐射重混凝土的性能特点与应用

摘要：核技术的迅速发展和广泛应用，促进了电力和其它行业的繁荣，但是对环境和人类健康造成了巨大的威胁，其安全性问题引起了人们的高度重视。本文从防辐射混凝土的性能特点出发，探讨提高防辐射混凝土防辐射性能的方法以及应用。

关键词：防辐射混凝土中子吸收剂耐久性

原子核反应产生的大量α、β、γ、x射线及中子流能够诱发多种人类疾病和植物的基因变异，危害农作物的生长，而且其潜伏期长，短时间内无法得知。因此，为防止射线对人类和环境造成危害，在建造有辐射源的建筑时，必须设置防护体。

1 防辐射混凝土的机理及定义

由于α、β射线穿透力弱，容易被吸收，一般厚度的防护材料就能挡住。防核辐射材料主要屏蔽的是γ、x射线和中子流。γ射线是一种高频、高能量电磁波，当它通过高密度材料时，由于康普顿散射效应将损失大部分能量。中子流不带电，具有很强的穿透力，分为慢中子和快中子，与物质作用时发生快中子的散射与减速、慢中子的吸收。

目前用于防辐射的防护材料主要有钢板、铅板、水和混凝土等。其中铅和钢具有较高的密度，其防γ、x射线性能良好，但铅来源少、成本高，属于贵重金属，且其徐变性较大，当荷载较大时不宜应用；钢铁用作防辐射材料时施工性能差；水对中子射线有良好的屏蔽效果，但其难以定型，在构造和管理上均比较复杂。而混凝土具有较好的防护性能，原材料来源广泛，价格低廉，施工性能良好，可依结构要求制成相应的形状和尺寸。因此，在防辐射防护材料中，混凝土的综合技术经济效果最佳。

屏蔽γ、x射线主要通过增加混凝土的密度和厚度来实现。对中子的吸收在任何元素原子核上都能发生，但是不同元素吸收截面却有很大的差别。研究表明，一些元素及其化合物对中子的俘获截面大，且中子被俘获后不发出γ射线，或只发生穿透能力低、易于防护的软γ射线和一些带电粒子。此类元素及其化合物被称为“中子吸收剂”，例如硼、锂、镉等。从经济和资源的角度看，相对锂和镉，以硼及其化合物加入混凝土以阻止中子流更易实现。另外，通过增加混凝土中氢元素的含量，即提高混凝土中结合水的含量，亦可有效减弱中子流。当材料具备

一定的密度和厚度并含有“中子吸收剂”时，就能有效屏蔽核辐射。因此，通过提高混凝土的密度，增加混凝土含硼量及结合水含量，可有效提高混凝土对γ、x射线和中子流的防护能力；同时通过混凝土高性能化途径，提高水泥石密实性，降低防辐射混凝土孔隙率，进而提高防辐射混凝土耐久性，保证其防辐射能力的有效性和长期稳定性。

防辐射重混凝土是一种能有效屏蔽对人体有害射线辐射的新型混凝土，其表观密度要求较高，也称为重混凝土。主要由普通水泥或密度很大、水化结合水含量高的水泥与特殊的集料制成。

2 提高防辐射性能的方法

2.1 原材料选择

由于防辐射混凝土的屏蔽性能主要是通过增加表观密度及密实性、提高结晶水含量及硼、镉、锂等元素含量获得。因此，防辐射混凝土原材料选用主要原则有：

(l)在满足配制强度的前提下，尽量选用放热量小、水化化学结合水含量高的水泥；(2)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、含镉量、含锂量等防辐射混凝土特殊技术指标的要求；(3)所选材料配制的防辐射混凝土在相应使用环境下必须具备良好的稳定性，比如在辐射和高温作用下因材料的收缩或膨胀而开裂性要小；(4)材料的性能稳定、不易挥发和分解、无毒，且容易获得、价格低廉。

2.2提高混凝土表观密度

提高混凝土的表观密度主要是通过利用各种高密度材料做为集料配制混凝土。高密度集料有天然材料，也有人造材料。天然材料主要有重晶石、磁铁矿、褐铁矿、赤铁矿等重质矿石，人造材料主要包括钢珠、钢锻、铸铁等铁质集料、钢渣、铜渣等重质工业渣。此外，以高密度水泥，如钡水泥、锶水泥等特种水泥为胶凝材料配制混凝土，也能提高混凝土的密度，但经济性不高。

2.3 提高混凝土硼元素含量

硼元素能有效吸收中子及二次射线，提高混凝土中硼元素的含量能显著提高混凝土对中子流的屏蔽效果。研究表明，提高混凝土中硼元素的含量，能大幅提高混凝土屏蔽中子的能力。提高混凝土中硼元素含量的主要途径有：(1)向混凝土中掺入硼的化学盐或氧化物，如硼砂、硼酸、硼酐等。该方法简单直接，但是可溶性硼会严重阻碍水泥的水化，即便是少量溶解性硼也能使水泥硬化体几乎丧失强度。因此，该方法不但引入的硼元素有限，且严重影响混凝土的力学性能；

(2)烧制含硼水泥；(3)利用天然含硼矿物，如硼镁矿石、硼铁矿石、蛇纹石等为集料配制混凝土，该方法引入的硼元素数量可观，与矿物中的硼含量有关，是制备防中子流混凝土的有效方法。也有研究表明，硼矿中的少量硼会溶于水，从而影响水泥的水化。硼矿中硼的溶解性与产地、矿物类型及矿石大小等有关，通过烧结可以使可溶性硼有效的固定，但成本较高。(4)在混凝土中加入人造含硼材料，如硼玻璃、B4C等。

2.4 提高混凝土结合水含量

水泥水化后的各种水化产物中带有一定的化学结合水。硅酸盐水泥水化后的结合水含量可以满足混凝土一般的防辐射要求。提高混凝土结合水含量的主要途径有：(1)用结合水含量更高的水泥，如石膏矾土水泥、矾土水泥、镁质水泥，代替硅酸盐水泥配制混凝土；(2)掺入结晶水调节剂，可以有效提高混凝土的结合水含量；(3)以富含结晶水的矿物为集料配制混凝土。

2.5 提高混凝土的性能

由于特殊的用途，防辐射混凝土所处的使用环境比一般混凝土恶劣。因此要求防辐射混凝土具有较高的性能。以耐久性为例，可以通过技术途径和施工途径提高耐久性。技术途径有降低水灰比，一般在0.38以下；掺高性能减水剂和超细矿物细掺料以及选择优质集料等。施工途径有：○1避免使用高级别水泥，水泥太细，水化快且收缩量大，易开裂，一般不超过42.5级。○2防辐射混凝土用粗细集料、水泥、掺合料、水和外加剂，均应按重量配料，其中粗细集料的允许偏差为±2%，水泥、水、掺合料、外加剂的允许偏差为±1%。○3在混凝土配合比设计时，在保证混凝土良好的和易性的同时应尽量降低混凝土单位用水量。采用“三低”（低砂率、低坍落度、低水胶比）和“三加”（加高效缓凝剂、加微膨化剂、加铁屑）的防辐射重混凝土的施工要求。○4为避免因集料重而引起集料沉淀离析，应严格控制坍落度，减少泌水的发生。○5在混凝土运输时应以最少转载次数在最短时间内从搅拌地点运至浇筑地点，以避免材料组分离析，并且搅拌运输车到达工地时应高速搅拌后卸料，以保证混凝土的匀质性。○6振捣时间不宜过长，振到表面出浆为宜，密度越大振捣时间越短。○7控制混凝土内外温差，混凝土搅拌时适当将碎石冷却，并不断加入冰块，确保混凝土出机温度控制在25℃以内；混凝土内部按设计要求布置好水流导管，进行循环水降温，从而减小混凝土内外温差。严格控制混凝土内外温差小于20℃。○8混凝土表面振捣抹平后及时覆盖草帘、麻袋，并进行浇水养护，保持混凝土表面处于湿润状态。实践证明，混凝土养护时湿度越高，养护时间越长，混凝土收缩就越小，因此能够有效地控制混凝土裂缝的产生。