防辐射重混凝土的性能及应用

防辐射重混凝土的性能及应用
摘要
本文对于防辐射重混凝土做了综述介绍，对于防辐射重混凝土的制备给予了说明，包括原材料、配合比、生产工艺、产品性能、质量控制及使用中应注意的事项。

对于其性能的说明包括混凝土的刚度、热稳定性、热收缩性、耐久性、防辐射性等等一系列特性。

对于防辐射混凝土的应用，根据如今核技术的发展，防辐射工程面临巨大挑战，针对我国大型地下防辐射工程建设需要，采用不同密度集料，掺入含硼防辐射添加剂，通过高性能化手段制备防辐射重混凝土，同时也在本文中通过举例介绍（主要应用于医学方面）并说明了其施工工艺。

这些研究和应用对于我国防辐射重混凝土的设计施工与检测具有重要价值。

关键词：防辐射重混凝土，强度，配合比，质量控制，应用
1前言
防辐射重混凝土是为有效地防御射线。

由于核工业发展和放射性同位素在工业、农业、医疗及科研试验室方面地应用，都需要防辐射混凝土。

施工常碰到的射线有χ、α、β、γ和中子射线等几种，其中α、β射线比χ、γ中子射线弱，一般密实混凝土均有防御能力，对于χ、γ射线要求高密度材料具有较好防御能力。

对于中子射线要求含有氢原子的材料，尤其含有氢原子的水则具有较强的防御能力。

防辐射混凝土所使用的胶凝材料有硅酸盐水泥、矾土水泥和钡水泥等。

施工中多采用硅酸盐水泥，需水性和水化热都较小，矾土水泥可增加混凝土中结合水量，但水化热较大，施工时需采取冷却措施。

对防射线要求很高的水泥，采用钡水泥，用以增大混凝土的容重，但价格昂贵，一般很少用。

防辐射混凝土所用的骨料有褐铁矿(2Fe2O3·3H2O)、赤铁矿(Fe2O3)、磁铁矿(Fe3O4)、重晶石(BaSO4)、废铁块、铁砂或钢砂等。

石英砂常作为细骨料，碎石或卵石也是常用的粗骨料。

也采用特重骨料或含水多的重骨料。

[1]当前核技术的安全性问题主要包括两个方面：其一如何提高防辐射混凝土的射线屏蔽性能其二如何安全处理日益增多的核废料。

目前苏联于1954年建成世界上第一座核电厂以来至今全世界已有核电厂400多座，核废料的排放量在与日俱增。

我国在今后十年中每年也将产生核废物而由于目前所使用的核废料水泥固化材料的抗渗透性能差，核废液渗入地下水给人类的健康造成了巨大的危害,有关这类事件屡见不鲜但是由于此前这些研究并没有对材料的组成结构
与性能的关系进行深入研究,进而提高材料的防辐射能力因而取得的成果甚微。

[2]
所以对于上述问题，研究防辐射重混凝土的制备工艺和性能、应用具有重要意义。

2 防辐射重混凝土的制备
2.1 防辐射重混凝土集料选择
防辐射重混凝土材料可采用重晶石, 褐铁矿、赤铁矿、硫矿、蛇纹石等。

重晶石( BaSO4 ) 比重 4300kg / m³～4700kg / m³，性脆,国内防辐射混凝土多用重晶石作为防辐射用集料, 该材料主要产于陕西、湖北、山东等地, 由于该材料较脆, 从各地取得的原材料多棱角,多针片状,不利于泵送。

且该材料热膨胀系数和收缩值较大对超大体积、要求控制温升的混凝土有出现裂缝的潜在风险。

褐铁矿( 2Fe2O3 . 3H2O) 这是含有氢氧化铁的矿石,呈现黄色或棕色、多半是附在其他铁矿之中,密度 3200 kg / m³～4000 kg / m³。

赤铁矿( Fe2O3) 一种氧化铁矿石,呈暗红色, 密度一般为 5000 kg/ m³～5300 kg/ m³。

褐铁矿、赤铁矿等铁矿石也是防辐射混凝土的较好材料,安徽芜湖至南京一带的凹凸山有相当丰富的铁矿资源是马鞍山钢铁公司的原材料供应基地。

也拥有完整的矿石加工设备,所以该工程综合各方面考虑选用了该地区的铁矿石及铁矿砂作为配制混凝土的主要的集料。

考虑到不同工程对防辐射混凝土的设计要求不同,可以采用不同要求的集料来取代矿石、矿砂以得到不同要求的防辐射混凝土,并用于调节防辐射混凝土的和易性及可泵性。

该工程采购的铁矿砂经冲洗之后其中对混凝土和易性影响非常大的矿石粉被冲走,余下的矿砂较粗细度模数超过3.5mm 且 0.315mm 的筛子筛余量非常少,为解决混凝土和易性及可泵性问题,根据集料相互填充理论,优选了特殊粒级的细砂作为铁矿砂的补充用砂。

使细骨料总体级配更加合理。

[3]
2.2 其他原材料选择
水泥:防辐射重混凝土可选用重水泥作为胶凝材料,因为该工程要求不太高,所以选择水泥厂生产的42.5 级 P.O 水泥就可以,该水泥质量稳定、强度高、用量少、收缩小可减少水化热、防止开裂。

[4]
掺和料:由于该混凝土有泵送及大体积控制水化热要求,所以还同时选择S95矿粉及二级粉煤灰作为矿物掺和材料,选择合理的搭配不但可以减少用水量,还可降低大体积内部温度,以防温度梯度引起收缩缝。

外加剂:为提高混凝土密度、减少用水量及泵送要求,选用了的高效缓凝减水泵送剂,这样可以延长混凝土凝结时间,调节混凝土水化热。

[5]
2.3防辐射重混凝土的拌合
按表1配合比，采用强制式搅拌机进行拌合，以装料率(1／3)，按二次投
料方式，即：细集料—水泥掺和料—水+外加剂—搅拌30s—粗集料—搅拌不同时间(30s、60s和90s)，进行拌合试验，确定最佳的搅拌工艺，结果如表2所示。

3[6]
No 水水泥硅粉矿粉硼玻璃河砂钢渣碎石钢段聚羧酸
1 155 350 25 125 150 600 —728 728 5.0
2 155 375 25 100 190 760 ——2215 5.0
3 205 350 25 125 132 532 1180 —— 5.0
[6]
No 搅拌时
间/s 坍落度
/mm
抗压强度/MPa 达到强
度等级
28d表观
密/kg/m3 3d 28d 60d
1 30 60 43.8 69.4 72.1 C60 3208 60 65 47.8 73.5 75.6 C60 3210 90 50 44.1 71.0 73.
2 C60 3214
2 60 60 53.4 84.6 87.2 C70 4327
3 60 75 38.5 58.3 60.5 C50 2758
(1)投料方式
不同的投料方式对混凝土和易性及强度有一定影响。

试验表明,采用二次投料的砂浆裹粗集料搅拌工艺,在一定程度上避免了水分向粗集料与水泥砂浆界面的集中,和易性较好，同时混凝土硬化后的界面过渡层结构更致密，粘结性加强，从而使混凝土强度提高。

(2)搅拌时间
搅拌时间的确定,与搅拌机的性能、装料容量、投料方式和外加剂都有紧密的联系。

搅拌时间应保证混凝土各组分材料拌和均匀，混凝土拌和物达到规定的坍落度、容重、含气量，且硬化后能达到规定强度。

本试验表明，采用二次投料工艺，搅拌120s时，减水剂中少量引气成分产生的气泡破裂，增加了混凝土的粘聚性，坍落度损失也增大,不利于施工。

本试验钢段碎石防辐射混凝土总搅拌时间控制在90s左右,其拌合物性能可满足要求。

[7]
2.4质量控制
为确保重混凝土对射线防护的有效性，关键是保证混凝土成型密实、均匀，表观密度、和构件厚度符合设计要求；防护墙上预留孔洞、套管采用折线穿墙；结构施工缝的特殊处理。

2.4.1防辐射重晶石混凝土施工严格执行GB50164—92《混凝土质量控制标准》、GB／T1 4902—2003《预拌混凝土》及该标准中引用的有关标准，混凝土质量评验按GBJ81—85及GBJl07—87之有关要求评定。

[8]
2.4.2钢筋、模板、防水等分项工程施工严格执行现行国家、行业标准及标准中引用的其他有关标准，并按各分项工程的验收标准达到验收合格。

2.4.3按质量、环境与职业健康安全三位一体管理体系的要求进行全过程有效控制。

执行标准：lS09001：2000 IDTGB／TI9001—2000和IS014001:1996 IDTGB ／T24001—1996及GB／T28001—2001。

并建立搅拌站生产作业和现场生产作业质量控制体系和制度。

[9]
2.4.4大体积防辐射重混凝土的抗裂措施
①采用低水化热水泥和掺合料，夏季施工可采用井水或冰水拌和混凝土，对骨料进行覆盖降温，从而有效降低混凝土的入模温度。

②经过对核心温度计算和内外温差分析，采用有效的保温养护措施，延缓混凝土表面的降温速度；必要时预埋蛇型管，采用循环水降低混凝土核心温度(以后采用重晶石砂浆压力注浆填实)。

③优化配合比设计，控制骨料质量和含泥量及水灰比，砼表面做好二次抹平压实工序。

采取对底板基层压光或增加滑动层等降低结构边缘约束措施。

④就结构本身而言，针对其相应薄弱部位及应力集中部位要采取有效的加强措施；外露结构表面应增加细而密的温度筋网片;水平施工缝适当增加插筋。

⑤采取有效的温度测量与控制措施。

混凝土浇捣后，采用在混凝土体内不同部位及深度预埋测温孔的办法,用温度计进行测量。

发现偏差立即采取有效处理措施纠偏,直至达到预定控制范围。

养护完成后,测温孔采用重晶石砼封堵密实。

[10]
3防辐射重混凝土的性能要求
(1)强度
防辐射重混凝土，一般强度等级为C60，表观密度大于2600kg/ m³的混凝土。

常由重晶石和铁矿石配制而成，混凝土对γ射线的吸收规律式：
I=I0 exp(-ρɑx) [11]
式中：I o、I叫射线通过混凝土前后强度；
ɑ一材料对γ射线的质量吸收系数，取决于射线的能量；
ρ一混凝土材料表观密度；
x一混凝土材料所需厚度。

由公式可知，对相同γ射线，混凝土的厚度x一定时，混凝土的表观密度ρ越大，通过混凝土后射线的强度越小，即混凝土对射线的吸收能力越强。

因此，防射线要求防辐射混凝土的表观密度要高。

（2）屏蔽快中子射线要求混凝土中轻元素含量要高。

（3）屏蔽慢中子射线要求混凝土中硼元素含量要高。

（4）防辐射混凝土密实性好，孔隙率低。

（5）防辐射混凝土热性能稳定，热导率高、热膨胀和收缩小。

[11]
4 防辐射混凝土的应用
核技术的迅猛发展和广泛应用,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极大的威胁。

安全性问题引起了人们的高度重视,从防护材料的角度详细介绍了防辐射混凝土及其核废料固化材料的研究现状，现今防护材料，特别是目前使用最为广泛的射线防护材料水泥混凝土存在的问题，并在此基础上提出了防辐射混凝土及其核固化材料的研究重点和发展方向,以及实现环境保护和核工业的协调发展。

[12]现如今防辐射重混凝土应用已经非常普遍，尤其对于一些关于核工业的大型建筑的设计时都会考虑应用到防辐射混凝土，再就是随着高科技的发展，在医疗方面，应用关于一些放射性仪器特别多，因此所需一些特殊的建筑，都会大量应用防辐射重混凝土。

下面这个例子就是很好的说明。

宁波明州医院核医学试验楼，建筑面积约806 m2，高2层，其中一楼层高4 m，一楼混凝土墙板、顶板厚为600 mm，混凝土设计强度等级为C30，采用防辐射混凝土要求混凝土密度不小于3300 kg/m³，。

由于现场作业空间狭小，必须采用泵送预拌混凝土。

[13]在实验基础上，我们根据工程的具体情况，做了相应的调整，并进行了施工工艺的控制。

(1)模板支护：由于重晶石防辐射混凝土的密度大于3300 kg/m³，且采用预拌
泵送方式浇注，入模坍落度120 mm以上，因此，一定要保证模板支撑的刚度和稳定性，模板采用厚度大于20mm胶合板。

(2)混凝土的浇捣：为了防止混凝土离析和骨料沉降，保证混凝土的匀质性和外
观质量，每次浇注高度小于500 mm；振捣时间宜控制在15s内，且振捣要均匀。

(3)混凝土应用技术指标分析：本工程共做6组试压块，平均抗压强度达到38.5
MPa，最小值35.1 MPa，均达到设计要求。

密度共测试6次，平均密度3350 kg ／m³，最小密度3330kg／m³,均达到设计要求。

为测试混凝土搅拌过程中重晶石
的破碎情况，应对混凝土取样，用5mm筛对骨料分进行水洗筛分试验。

[14]
5结论
依据上述防辐射重混凝土的配合比设计方法，可以制备出高性能、防辐射的混凝土，但由于这种混凝土的各组分密度相差较大，必须严格控制坍落度，避免拌合物易离析，搅拌采用二次投料的砂浆裹粗集料搅拌工艺。

对于防辐射混凝土在医学上的应用，主要对于γ射线和中子射线具有良好的屏蔽效果，正由于有上述多种优点，相信在未来，防辐射重混凝土会有更广泛的应用。

6致谢
感谢指导老师李老师从中的细心指导。

参考文献
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[2]李国刚.防辐射高性能混凝土材料研究[C]：[硕士论文]，武汉:武汉大学，2010.
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