工程檔案：重晶石防輻射混凝土制備及性能研究

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本文選自《商品混凝土》雜志2024年第2期

重晶石防輻射混凝土制備及性能研究

程國財，張萌

［摘 要］本文通過摻入不同性能指標(biāo)的骨料，改善重晶石骨料的顆粒級配不良、壓碎值偏大等特性，設(shè)計并配制了滿足表觀密度等級 3 級、4 級要求，強度等級為 C40～C50 的重晶石防輻射混凝土。并且通過優(yōu)化骨料級配，提高了混凝土抗壓強度及耐久性能。

［關(guān)鍵詞］重晶石；防輻射混凝土；顆粒級配；表觀密度

0 前言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，大量核電項目如核電站、原子能工業(yè)、醫(yī)院等的快速發(fā)展，輻射逐漸對人類的生活造成了威脅^[1]。為防止射線對人體的傷害，在建造有輻射的建筑時，必須設(shè)置防護體。傳統(tǒng)的防輻射材料有鋼板、鉛板、水和混凝土等^[2]。防輻射混凝土是一種能夠有效防護對人體有害射線輻射的新型混凝土，在不同的領(lǐng)域也稱之為防射線混凝土、屏蔽混凝土、原子能防護混凝土、核反應(yīng)堆混凝土等，是目前使用最為廣泛、經(jīng)濟的防輻射材料。本研究通過對重晶石防輻射混凝土的制備及性能測試，系統(tǒng)地介紹了重晶石防輻射混凝土原材料的選擇及配比優(yōu)化，對重晶石防輻射混凝土的原材料選擇與混凝土配制起到引導(dǎo)性作用。

1 重晶石防輻射混凝土概念

重晶石防輻射混凝土是一種新型高性能防輻射混凝土，它是以具有結(jié)合水含量的硫酸鋇礦石作為主要骨料來源，通過配合比設(shè)計制備出的特殊混凝土。根據(jù)規(guī)范要求，重晶石防輻射混凝土表觀密度不小于2800kg/m3。它既有足夠高的密度，還含有一定量的結(jié)合水含量。能有效屏蔽X射線、射線和中子輻射，同時又要求具有普通混凝土拌合物高流動性、黏聚性，不出現(xiàn)泌水和離析現(xiàn)象等和易性好的特點。

根據(jù)標(biāo)準規(guī)范和相關(guān)文獻，重晶石混凝土強度一般可到C40，由于重晶石物理特性，其壓碎值與堅固性都比普通骨料差，重晶石混凝土高于C40強度等級較難達到。通過摻入普通骨料，優(yōu)化骨料級配、調(diào)整配合比設(shè)計，在滿足GB/T 50557—2010《重晶石防輻射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》要求上，盡可能提高混凝土強度，在滿足混凝土強度與性能基礎(chǔ)上，盡可能滿足經(jīng)濟性。

2 重晶石防輻射混凝土原材料選擇

2.1 膠凝材料的選用及性能

結(jié)合重晶石防輻射混凝土性能要求及生產(chǎn)成本的控制，選用以下膠凝材料：

（1）水泥：水熱化適中的PO42.5唐縣金隅冀東水泥，表觀密度為3050kg/m3，3d抗壓強度30.5MPa，28天抗壓強度51.6MPa。

（2）粉煤灰：保定大唐電廠F類Ⅱ級粉煤灰，細度24.0%，燒失量3.5%。

（3）礦粉：選用平山敬業(yè)S95級礦粉，比表面積420m/kg，7d活性指數(shù)85%，28d活性指數(shù)101%。

2.2 骨料的選用及性能

重晶石的主要成分為含有結(jié)晶水的硫酸鋇，是防輻射的核心材料。本次試驗選用兩個不同廠家的重晶石骨料進行比對，其主要性能如表1和表2。

重晶石碎石一般采用人工破碎的方法，形狀不規(guī)則，粒徑大小不一。因破碎工藝以及重晶石自身節(jié)理限制，成型骨料顆粒級配往往不是很理想，因此在其自身級配基礎(chǔ)上需要和其他骨料以不同的比例混合來達到最優(yōu)級配要求。同時重晶石價格較普通原材料要高，以致純重晶石配制混凝土成本高，所以配制時嘗試摻入普通骨料，以達到降本目的，又能使混凝土達到性能要求。選用普通骨料性能如表3和表4。

2.3 其他原材料選用

（1）外加劑：外加劑選用保定慕湖恒源復(fù)合型MZY-A5聚羧酸減水劑，減水率27%。

（2）水：混凝土拌合用水為城市自來水。

3 骨料級配優(yōu)化方案

通過試驗得知，重晶石砂本身級配不良，晶體狀節(jié)理明顯，且壓碎值指標(biāo)較高，需要對其物理指標(biāo)干預(yù)調(diào)整，放棄將之全部用作細骨料進行混凝土配合比設(shè)計的思路。經(jīng)過比對試驗，確定出兩種普通細骨料與重晶石砂的最優(yōu)摻配比例，使其顆粒級配能夠達到Ⅱ區(qū)中砂，0.315mm以下顆粒含量高于15%，達到理想狀態(tài)。適宜用作泵送混凝土生產(chǎn)；通過試驗確定出青碎石與兩種重晶石的合理搭配，使其表觀密度、壓碎值指標(biāo)及顆粒級配達到相對平衡。摻配比例及性能指標(biāo)如表5和表6。

4 重晶石防輻射混凝土設(shè)計思路及試驗方法

重晶石防輻射混凝土的設(shè)計方法遵循JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》及GB/T 50557—2010《重晶石防輻射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》。重晶石防輻射混凝土多用于厚度較大或混凝土用量集中的構(gòu)建澆筑，所以本次研究混凝土性能的配合比也按要求適量添加礦物摻合料，用來降低混凝土早期水化反應(yīng)帶來的溫度增長速度?？紤]一般重晶石混凝土構(gòu)件內(nèi)部管線錯綜復(fù)雜，甚至有時候?qū)炷劣凶悦軐嵭阅芤?，本次設(shè)計坍落度較大，達到200～220mm。由于骨料摻配優(yōu)化過程的存在，骨料的表觀密度也隨之變化，所以配合比設(shè)計時要采用絕對體積法。最后通過混凝土拌合物容重實測進行校核。

重晶石防輻射混凝土的工作性能試驗依據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準》、GB/T 50557—2010《重晶石防輻射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》進行。

重晶石防輻射混凝土的配合比及相應(yīng)拌合物性能見表7和表8。試驗結(jié)果表明，使用常規(guī)密度的骨料優(yōu)化重晶石防輻射混凝土骨料的顆粒級配，能夠改善混凝土的和易性，但是會在一定范圍內(nèi)降低混凝土表觀密度。35%～40%常規(guī)料取代量，已經(jīng)是密度等級4級的極限。使用鐵礦砂取代重晶石砂，可以增加重晶石混凝土的和易性，在改善混凝土包裹性上有明顯作用，且混凝土密實度好，表觀密度略有增加。

重晶石防輻射混凝土表觀密度與材料本身有密切關(guān)系，隨著單方混凝土用膠凝材料的增加，在一定范圍內(nèi)，重晶石混凝土表觀密度出現(xiàn)滯漲甚至輕微倒縮。此與單位體積混凝土中重晶石骨料含量成正比例關(guān)系。但混凝土的和易性、坍落度、擴展度等性能指標(biāo)隨單方膠材用量呈正向發(fā)展趨勢。

重晶石防輻射混凝土的力學(xué)性能試驗依據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準》進行，試驗結(jié)果見表9和表10。

由表9、10可知，單獨優(yōu)化細骨料或者粗細骨料同時優(yōu)化，混凝土可以正常達到C40配制強度。但是達到C50配制強度就需要粗細骨料同時進行顆粒級配及壓碎值的優(yōu)化，否則C50混凝土抗壓強度在C45～C50之間出現(xiàn)增長遲滯，強度實測值較設(shè)計值偏低10%。鐵礦砂的加入改善了混凝土的和易性，對其強度增長也有明顯貢獻。通過試驗得出用上述兩廠家重晶石骨料，通過加入常規(guī)密度骨料優(yōu)化細骨料級配，可以配制出C45強度等級的4級表觀密度重晶石防輻射混凝土。通過加入鐵礦砂優(yōu)化細骨料級配，在粗骨料級配良好時候，可以配制出C50強度等級的3級表觀密度重晶石防輻射混凝土。

5 重晶石防輻射混凝土耐久性能檢測

對上述試驗組分別進行了抗碳化性能試驗和抗水滲透性能試驗。通過驗證，試驗組采用逐級加壓法進行試驗，全部試件達到0.8MPa壓力均未出現(xiàn)滲水?？固蓟阅軝z測SP01～SP16組碳化性能符合T-Ⅳ技術(shù)要求。粗細骨料同時優(yōu)化的試驗組碳化值小于僅優(yōu)化細骨料的試驗組。鐵礦砂試驗組碳化值小于其他試驗組。結(jié)果表明，通過級配的調(diào)整，可在一定程度上增加混凝土密實度，降低外界有害因素的侵蝕。

6 結(jié)論

基于重晶石骨料自身的特性，本研究通過試驗在重晶石骨料原有級配不良的情況下，添加普通骨料調(diào)整級配，減小孔隙率，保證拌合物和易性及表觀密度。

本研究通過摻入普通骨料，優(yōu)化骨料級配、調(diào)整配合比設(shè)計，打破了重晶石混凝土強度一般只到C40的限制，在滿足《重晶石防輻射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》GB/T 50557—2010要求上，通過摻入鐵礦砂的方式，設(shè)計并配制了強度等級達到C50的混凝土，并且可以滿足密度等級3級要求。并提高了混凝土抗壓強度及耐久性能。并且使用這種方式能夠降低混凝土生產(chǎn)成本，減輕重晶石礦產(chǎn)開采帶來的環(huán)境負荷，實現(xiàn)環(huán)境、經(jīng)濟和社會效益相統(tǒng)一。

參考文獻

[1] 孫蓓，焦楚杰．防輻射混凝土的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]．混凝土，2017,143．

[2] 葉棟，魏濤．防輻射混凝土的材料性能研究[J]．試驗與研究，2015,28．

供稿人：程國財，張萌

編輯員：李海亮

審核人：孫繼成，寧夏

【標(biāo)準規(guī)范】

《建筑固廢再生砂粉應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》行標(biāo)

《建筑物綠色拆除與建筑垃圾綜合利用技術(shù)規(guī)程》CECS

《預(yù)拌混凝土使用說明書》團標(biāo)

《砂漿和混凝土用石屑》團標(biāo)

《預(yù)拌混凝土產(chǎn)品質(zhì)量追溯規(guī)范》團標(biāo)

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