高H元素含量防輻射混凝土制備與性能研究

徐高友 張輝赤 張建平 吳明菊 曾莉媛 田明

（四川中核艾瑞特工程檢測有限公司，四川 綿陽 621000）

0 前言

防輻射混凝土又稱為重混凝土、屏蔽混凝土，由于其自重較大，內(nèi)含部分重核元素，可以有效屏蔽核輻射，相比于鉛板等金屬材料具有顯著的經(jīng)濟優(yōu)異性，因而被廣泛用于核反應堆、粒子加速器及其他放射源的屏蔽介質(zhì)。原子核輻射一般包括α 射線、β 射線、γ 射線、X射線和中子等，其中γ 射線和中子的穿透能力最強，因而也是輻射防護領域的主要防護對象[1-3]。

γ 射線是由強光子流組成的電磁輻射，靜止質(zhì)量為零，不帶電荷，與物質(zhì)作用時不像帶電粒子那樣多次逐漸消耗其能量，而是一次作用就可能把大部分甚至全部能量傳遞給次級帶電粒子和次級光子，再經(jīng)電離、激發(fā)把能量傳給介質(zhì)。其穿透力極強，一般常用原子序數(shù)大、密度大的重核材料對其進行屏蔽，如Pb等[1-2，4]。

中子不帶電荷，穿透力極強，按能量大小可分為快中子、中速中子、慢中子。快中子主要通過在物質(zhì)中與原子核碰撞而損失能量，并產(chǎn)生核反應或使某些原子核裂變?yōu)橛蟹派湫缘脑雍恕６兴僦凶雍吐凶又挥信c輕核元素作用才可被吸收，如含較多氫元素的石蠟、水等[2]。因此，用于屏蔽γ射線和中子流的防輻射混凝土不僅要具有較大的表觀密度，也要含有足夠數(shù)量的結(jié)晶水，才能起到較好的輻射屏蔽效果[3，5-6]。

核化工工程相比核電工程因防輻射混凝土使用功能不同，在防輻射混凝土設計上有很大區(qū)別，核電工程對防輻射混凝土一般僅提出混凝土強度等級和密度要求，而核化工工程的防輻射混凝土既有混凝土強度等級和密度要求，又有核素組分技術(shù)指標。例如，某核化工工程中防輻射混凝土技術(shù)要求是服役壽期內(nèi)防輻射混凝土總質(zhì)量密度不小于3.5g/cm3、H元素的等效質(zhì)量密度不小于0.03g/cm3，則混凝土中結(jié)晶水需達到270kg/m3，而以往可參考的資料有20世紀70年代初某室內(nèi)小型堆體工程用防輻射混凝土結(jié)晶水含量為180kg/m3（大量結(jié)晶水是通過石膏礬土膨脹水泥使用引入的，石膏礬土膨脹水泥因其具有凝結(jié)快、水化熱高的特點，給施工帶來極大困難），2000年綿陽某核工程防輻射混凝土結(jié)晶水含量僅為90kg/m3。

本文研究制備了56d抗壓強度＞C40，密度＞3500kg/m3，坍落度（170～190）mm，H元素含量＞30kg/m3的防輻射混凝土，同時研究確定了溫度、水灰比、用水量對防輻射混凝土性能的影響，供后續(xù)研究參考。

1 高H元素含量防輻射混凝土制備

1.1 原材料的選用

為保證防輻射混凝土中擁有足夠的H元素，需要防輻射混凝土中具有足夠含量的結(jié)晶水，因此進行原材料選擇時需同時考慮密度和結(jié)晶水含量兩個指標。

1）水泥：采用P.O52.5普通硅酸鹽水泥，結(jié)晶水＞13%，主要物理性能指標如表1所示。

表1 水泥主要物理性能指標

2）摻合料：采用CEA-MF90混凝土用氧化鎂膨脹劑，M型。

3）水：采用飲用水。

4）外加劑：采用緩凝型HP-Re聚羧酸高性能減水劑，減水率30%以上。

5）細骨料：采用褐鐵礦砂、鋼丸。褐鐵礦砂表觀密度3660kg/m3、結(jié)晶水含量14.23%、Fe2O3含量75.03%，其余性能符合JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準》要求。鋼丸粒徑（0～5）mm、表觀密度7500kg/m3。

6）粗骨料：采用（5～25）mm褐鐵礦石、鋼鍛。褐鐵礦石表觀密度3670kg/m3、結(jié)晶水含量14.18%、Fe2O3含量70.23%，其余性能符合JGJ 52-2006 要求。鋼鍛粒徑滿足5-25連續(xù)級配，表觀密度7850kg/m3。

1.2 高H元素含量防輻射混凝土制備工藝

由于本配合比中使用了大量的鋼丸，攪拌時一次投料容易造成攪拌機葉片卡住，因此攪拌時采用多次投料，其制備工藝如圖1所示[7]。

圖1 防輻射混凝土制備工藝流程圖

1.3 防輻射混凝土配合比設計

1.3.1 配合比設計思路

高H元素含量防輻射泵送混凝土需滿足以下要求：1）表觀密度≥3500kg/m3；2）設計28d抗壓強度≥C40；3）H元素質(zhì)量密度≥30kg/m3；4）拌合物和易性和坍落度滿足泵送施工要求，坍落度設計值（160±30）mm。

制備高H元素含量防輻射泵送混凝土，需在滿足設計強度要求的同時滿足混凝土密度、H元素質(zhì)量密度、坍落度及和易性要求。因此，首先測試水泥、褐鐵礦石、褐鐵礦砂、MgO中的H元素含量，設計密度3570kg/m3，在進行配合比理論計算時，在滿足H元素質(zhì)量密度的基礎上確定材料用量，在試算基礎上進行試拌，測試防輻射混凝土的坍落度、表觀密度、和易性，當實測拌合物表觀密度與計算值之差絕對值超過2%時，應進行材料用量修正，經(jīng)反復試拌及性能測試，從防輻射混凝土的技術(shù)性能、可施工性、經(jīng)濟性等方面進行系列的推演、優(yōu)化試驗，最終確定符合設計要求的最佳配合比[8]。

1.3.2 最佳配合比

依據(jù)NB/T 20378-2016《核電廠屏蔽混凝土配合比設計規(guī)程》進行配合比設計，在試拌、性能表征的基礎上確定最佳配合比，如表2所示。

表2 高H元素含量防輻射混凝土配合比原材料用量一覽表

PB1、PB2、PB3的和易性均滿足施工要求，但PB3的坍落度不滿足設計要求，PB2的膠凝材料用量低于PB1，因此優(yōu)選PB2作為最佳配合比。

2 防輻射混凝土性能檢測

2.1 防輻射混凝土密度均勻性

按GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法》進行防輻射混凝土拌合物制備，防輻射混凝土拌合物密度均勻性檢測方法依據(jù)NB/T 20378-2016，結(jié)果見表3。

表3 防輻射混凝土拌合物密度均勻性檢測結(jié)果

從表3可以看出，隨著水膠比的增大，防輻射混凝土拌合物密度呈下降趨勢，同時，防輻射混凝土密度均勻性下降趨勢較明顯。這是由于防輻射混凝土中使用的都是密度較高的骨料，水灰比超過一定范圍會造成骨料下沉，影響防輻射混凝土均勻性。

2.2 高溫穩(wěn)定性

要求在80℃下處置24h后抗壓強度、H元素質(zhì)量密度能繼續(xù)滿足設計要求。

由于配合比中含有部分金屬骨料，存在無法研磨至檢測要求的可能，因此在進行H元素含量試件制備時采用GB/T 34008-2017《防輻射混凝土》附錄D中方法進行元素分析試件制備，試件尺寸（70.7×70.7×70.7）mm。此次驗證試驗中防輻射混凝土檢測齡期為56d，高溫處理試件（以下簡稱GY試件）與基準試件（以下簡稱JZ試件）同時制作，在相同條件下進行養(yǎng)護，在GY試件進行80℃處置24h時，GY試件置于與JZ試件同一檢測室內(nèi)。

2.2.1 抗壓強度

檢測結(jié)果如表4所示。

表4 防輻射混凝土抗壓強度檢測結(jié)果

2.2.2 H元素質(zhì)量密度

高溫處置完成后同時使用無水乙醇終止水化，在50℃烘干，磨樣。根據(jù)元素分析試件中實測H元素含量計算防輻射混凝土中H元素質(zhì)量密度，結(jié)果如表5所示。

表5 防輻射混凝土中H元素質(zhì)量密度檢測結(jié)果

從表5可以看出，隨著膠凝材料用量的減少，防輻射混凝土中H元素含量下降趨勢明顯，這是由于含有較多結(jié)晶水的水泥用量減少，因此進行高H元素含量防輻射混凝土制備時，在滿足耐久性、最高膠凝材料用量、拌合物性能的前提下，宜選擇較高的膠凝材料用量。經(jīng)80℃高溫處置24h后，防輻射混凝土中H元素含量降低，這是由于防輻射混凝土長時間處于高溫環(huán)境下造成結(jié)晶水損失，因此服役環(huán)境處于高溫狀態(tài)下的防輻射混凝土應選擇高溫穩(wěn)定性能優(yōu)異的骨料，才能降低溫度對防輻射混凝土屏蔽性能的影響。

2.3 用水量對密度影響

防輻射混凝土在攪拌站生產(chǎn)過程中，由于骨料含水量波動，常出現(xiàn)防輻射混凝土密度達不到設計要求的情況。在PB2最優(yōu)配比基礎上，調(diào)節(jié)不同用水量，研究用水量對防輻射混凝土密度的影響。見表6。

表6 不同用水量配合比情況

從圖2可以看出，隨著防輻射混凝土中用水量的增大，拌合物密度下降較快，這是由于相對于相同質(zhì)量的水和重骨料而言，水占的體積遠高于重骨料體積，單位體積質(zhì)量下降。因此，防輻射混凝土生產(chǎn)過程中應嚴格按照上機配比控制用水量，確保滿足設計要求。

圖2 用水量和防輻射混凝土拌合物密度關系曲線

3 結(jié)論

1）隨著水膠比的增大，會造成骨料下沉，影響防輻射混凝土均勻性。

2）進行高H元素含量防輻射混凝土制備時，在滿足耐久性、最高膠凝材料用量、拌合物性能的前提下，宜選擇較高的膠凝材料用量。同時，服役環(huán)境處于高溫狀態(tài)下的防輻射混凝土應選擇高溫穩(wěn)定性能優(yōu)異的骨料，以降低溫度對防輻射混凝土屏蔽性能的影響。

3）隨著防輻射混凝土中用水量的增大，拌合物密度下降較快，因此，防輻射混凝土生產(chǎn)過程中應嚴格按照上機配比控制用水量，確保滿足設計要求。