防辐射混凝土高性能化研究进展

3 防辐射混凝土高性能化研究进展
针对传统防辐射混凝土存在的问题，当前防辐射混凝土的 高性能化研究主要体现在以下方面。
3.1 制备技术
3.1.1 胶凝材料选择 采用新型胶凝材料。如采用低水化热的矿渣硅酸盐水泥，
其具有较平缓的水化放热速率，可在一定程度上防止温度裂缝 的出现[19-20]；采用矾土水泥、石膏矾土水泥以及高镁水泥，可增 加混凝土结晶水含量，对防中子射线有利，但其高水化热需引 起重视[9]；掺硼和铁的磷酸盐水泥可有效地屏蔽中子和 γ 射线 辐射，同时磷酸盐水泥本身具有良好的热稳定性、耐高温、抗腐 蚀等性能，对辐照温升下混凝土的防护性能和耐久性有积极意 义[21-22]；对防护性能要求很高的混凝土，可以采用防辐射水泥， 如密度较大的钡水泥或锶水泥（防 X 射线、γ 射线）、含硼水泥 （防中子射线）等[9，22]。单掺或复掺活性掺合料如粉煤灰、矿粉等 替代部分胶凝材料，可增加混凝土拌合物的黏聚性，改善拌合 物流动性和保水性，防止重骨料离析；同时，能优化混凝土微观 结构，降低水泥用量和水化热，延缓温峰值出现时间，增强混凝 土耐热能力，防止产生裂缝，在一定程度上提高混凝土的耐久 性 。 [20，23-26] 3.1.2 集料的选择
2012 年 第 1 期（ 总 第 267 期 ） Number 1 in 2012（Total No.267）
doi：10.3969/j.issn.1002-3550.2012.01.003
混
凝
土
Concrete
理论研究 THEORETICAL RESEARCH
防辐射混凝土高性能化Байду номын сангаас究进展
邹秋林，李 军，卢忠远 （西南科技大学 四川省非金属复合与功能材料重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地，四川 绵阳 621010）
Mianyang 621010，China）
Ab s tra ct: The recent developments of traditional radiation shielding concrete were introduced.The high performance research situation from the preparation，construction and structure under irradiation of radiation shielding concrete were discussed.Meanwhile，the trends and prospects were presented. Ke y w o rd s : radiation protection；radiation shielding concrete；high performance
与放射化学装置的防护结构、核废料固封以及核事故处置上拥 有很高的应用价值[5]。
从辐射防护种类及要求出发，综述了防辐射混凝土的特点 和研究现状，并对防辐射混凝土的高性能化研究进行了详细介 绍，提出了该领域未来研究和发展的主要方向。
1 辐射种类及防护
核装置和核设施产生的辐射多种多样，主要为核反应堆和 其他辐射源中因裂变、衰变而产生的裂变碎片和衰变产物以及 释放出带能量的 α、β、X、γ、中子射线以及质子流等[6]。这些射线 能对环境造成污染，对操作人员造成伤害，致使仪器材料发热 活化而导致测量仪器性能降级等，因此对核设施采取辐射屏蔽 措施是十分必要的。
（3）拌和水：防辐射混凝土拌和用水应为 pH 值大于 4 的洁 净水，其质量要求应符合 JGJ 63—2006《混凝土用水标准》中的 要求。
（4）掺合料：为进一步加强防辐射混凝土的射线防护能力， 还可以掺加一些对射线有特殊作用的掺合料，如硼和锂化合物 的粉粒料[9]。
传统防辐射混凝土的制备主要采用硅酸盐水泥作胶凝材料， 赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、重晶石等高密度材料作粗细集料，并引入 充分数量的结晶水和含硼、锂等轻元素的化合物及其掺合料[4，10-11]。
然而，核能在给人类带来巨大经济效益和社会效益的同时 也给环境和人类健康造成了极大威胁，其安全性一直是困扰其 进一步发展的关键因素[3]。目前，各种放射性射线对人体的伤害 和对环境的破坏逐渐被人们所认识。经常接触射线会出现皮肤 烧伤、毛发脱落、白血球减少等症状，甚至诱发癌症、白血病、大 胸恶性肿瘤、生育缺陷等人类绝症以及诱发植物的基因变异， 危害农作物的生长，而且其潜伏期长，短时间内无法得知[4]。因
2.2 防辐射混凝土的要求
防辐射混凝土通常应满足如下要求： （1）具有足够的表观密度。 （2）含有适量的屏蔽 γ 射线、中子等所必需的物质。 （3）具有结构体所必需的强度和耐久性。 （4）成型、加工容易，可制成形状特殊的屏蔽体。 （5）价格相对低廉。 此外，还要求混凝土质地均匀、使用时体积变化小、吸收射 线后温升小、导热系数高以及辐照损伤小等[9]。与普通混凝土相 比，防辐射混凝土应该能够在辐照条件下体现出更好的性能。
此，人们对辐射防护进行了大量的研究，并研发了一系列防护 材料。其中，水泥混凝土是目前使用最为广泛、经济的射线防护 材料，其在核能发电的预应力混凝土压力容器（PCRV）、加速器
要求含重元素，而且必须含充分数量的轻元素（如硼、氢等）。故 作为核装置、核设施的防护结构，应当是适当轻元素和重元素 组合而成的材料制成[7]。防辐射混凝土无疑是满足这些条件下
2.4 防辐射混凝土性能研究
传统的防辐射混凝土采用高密度材料作集料，可很好的防 护 X 射线和 γ 射线；同时，其含有较多结晶水和轻元素的化合 物，能有效捕捉中子且不形成二次 γ 射线[12]，故其射线屏蔽效果 较好。但由于集料密度大，集料与胶凝材料的密度差异使得混凝 土施工时易离析，施工性能差，对施工条件要求也高；又由于混 凝土水灰比小，水泥用量较大，水化放热速率高，收缩率大以及 因为辐射导致温升产生的应力，造成混凝土开裂问题尤其严重， 从而大大降低了混凝土的防辐射能力和耐久性[13]；而硼掺合料代 替水虽可减小因结晶水的脱去及二次 γ 射线所造成的破坏，但 会延缓水泥水化，对工程施工和结构性能的发展带来一定负面 影响[14]；此外，对防辐射混凝土的耐久性研究表明，随着冻融循环 次数的增加、温度的升高以及高温荷载持续作用时间的增加都
2.3 防辐射混凝土原料选择
防辐射混凝土的原料与普通混凝土大致相同，但又有区别， 其基本原料如下：
（1）水泥：原则上应选用水化热低、相对密度较大、结晶水 含量较多的水泥，但一般采用 32.5 MPa 以上的硅酸盐水泥或 普通硅酸盐水泥，因为此种水泥产量大、易获得。
（2）集料：防辐射混凝土的集料应是一些高密度的材料，一般 选用质量密度大、含铁量高、级配良好的赤铁矿、磁铁矿、褐铁矿、 重晶石等制成矿石或矿砂来做其粗细集料。
摘 要： 针对传统防辐射混凝土的研究现状与问题进行综合分析，从防辐射混凝土的制备技术、施工技术及其辐照条件下其内部结构
性能等方面介绍了当前防辐射混凝土的高性能化研究进展与成果，提出了该领域亟待解决的问题，并在此基础上预测其未来发展前景。
关键词： 辐射防护；防辐射混凝土；高性能
中图分类号： TU528.35
收稿日期：2011-07-11
基金项目：国家自然科学基金（09zg2108）；四川省非金属复合与功能材料重点实验室开放基金（10zxfk03）
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最为经济的选择。
将使得防辐射混凝土的屏蔽性能和物理力学性能下降[15-18]。
2 防辐射混凝土
2.1 防辐射混凝土的定义
防辐射混凝土又称防射线混凝土、原子能防护混凝土、屏蔽 混凝土，通常采用普通水泥和密度大的重骨料配制而成，是一 种表观密度大、含有大量结晶水并能有效屏蔽原子核辐射的混 凝土，是原子核反应堆、粒子加速器及其他含放射源装置常用 的防护材料。由于其密度大，所以对 X 射线和 γ 射线的防护性能 良好；同时，其含较多结晶水和轻元素，故对中子射线的防护性 能也很好[8]。
掺入适量的高效缓凝减水剂，可延长混凝土的初终凝时间， 减少混凝土单位用水量，改善混凝土和易性，增加混凝土致密 性，降低水化热，使水化热放热速率减慢，延迟混凝土温峰的出 现，有利于温度的控制[19-20，23-26]；掺入微膨胀剂，可抵消混凝土因 体积收缩产生的拉应力，防止结构裂缝出现[26]；掺加结晶水调节 剂，可调整混凝土结晶水含量，确保混凝土含有充分数量的结 晶水[28]；掺入纤维素增稠剂可以明显改善重晶石防辐射混凝土 的和易性，防止离析和泌水，但混凝土的防辐射能力和强度有 所降低，其最佳掺量为 0.05%[29]。 3.1.4 掺合料
核设施的防护问题主要是防护 X 射线、γ 射线和中子射线。 对 X、γ 射线，物质密度愈大，防护性能愈好，几乎所有的材料对 X、γ 射线都具有一定的防护能力，但采用密度小而轻质的材料 时，则要求防护结构的厚度很大，进而增加了建筑面积和容积。 采用铅、锌、钢铁等相对密度大的材料，防护 X、γ 射线效果很 好，防护结构可以很薄，但材料价格昂贵，不符合经济性原则。 对中子射线，其由不带电荷的微粒组成，具有高度的穿透能力， 分快速、中速和慢速中子，因它们的防护机理不同，故对中子射 线的防护只考虑材料的密度还达不到目的。中子射线屏蔽不仅
掺活性掺合料如粉煤灰、矿粉、硅灰等可起到用其替代胶 凝材料类似的效果；或在防辐射混凝土中掺入钢纤维、铅纤维、 杜拉纤维、聚丙烯纤维等。研究表明，掺入钢纤维能有效提高防 辐射混凝土的力学性能，掺入铅纤维不但能提高混凝土的力学 性能，而且能明显增加混凝土的防辐射性能[30]，掺入杜拉纤维或 聚丙烯纤维则能提高防辐射混凝土的抗裂性能，防止混凝土出 现早期裂纹[20，31]。 3.1.5 优化配合比设计
0 引言
随着工业文明的进步，地球上可被人类利用的煤炭、石油 等自然资源日渐枯竭，能源问题已成为全世界、全人类共同关 心的问题。核能作为一种新型、清洁和高效的能源自诞生以来便 受到世界各国的关注。近几十年来，核技术不仅用于国防建设， 而且大量渗透到工农业、医疗、科研等各个领域[1]。在全球推进 低碳经济的背景下，核电作为一种技术成熟、清洁无排放的新 型能源，越来越受到世界各国的重视，是当前和平利用核能的 一种最主要途径。目前，我国核电事业正处于迅猛发展阶段，据悉， 我国已在 16 个省市初选核电厂址 51 个，机组 244 台，装机规 模 2.7 亿 kW，按目前核电建设进度，2015 年可达到 4 000 万kW， 2020 年核电装机要达到 7 000 万 kW。而截至 2010 年 6 月底， 我国在建核电机组 23 台、总装机 2 540 万 kW，占世界的 40%， 已经成为全球核电在建规模最大的国家[2]。