褐鐵礦混凝土力學性能及γ射線屏蔽性能試驗研究

王圳倫陳振富,2倪 康葉 濤吳文濤唐壽康

（1南華大學土木工程學院；2高性能混凝土湖南省重點實驗室）

0 引言

近年來，我國核電裝機規(guī)模不斷增加，據中國核能行業(yè)協會統(tǒng)計，截至2020年9月底，我國核電機組達到47臺，總裝機容量為5102.7萬千瓦，僅次于美國和法國，位列全球第三。然而，核反應產生大量的α、β、γ中子射線等，對人體及周邊生物構成重大威脅，因此研究防輻射材料具有重大意義。

目前常采用磁鐵礦、鈦鐵礦、重晶石、褐鐵礦、鋼丸等重骨料來配制防輻射混凝土[1-2]。Abdo和Akkurt等人[3-4]采用重晶石配制防輻射混凝土，發(fā)現重晶石混凝土對慢中子、快中子和伽馬射線有較好的屏蔽效果，并指出線性衰減系數不依賴于水灰比和抗壓強度，而是隨著混凝土密度的增加而增加。Lotfi-Omran[5]等研究不同水灰比對磁鐵礦混凝土力學性能及屏蔽性能的影響，發(fā)現磁鐵礦混凝土的力學性能、屏蔽性能和微觀結構隨著水灰比的降低都有所改善。以磁鐵礦、鈦鐵礦、重晶石等為骨料的防輻射混凝土國內外已經有大量文獻報道其具有良好的γ射線屏蔽效果，但因其內部結晶水含量很低，對中子射線屏蔽效果不佳。而褐鐵礦(2Fe2O3·3H2O)由于其內部結合水含量高達10%～18%，密度為3200～4000kg/m3，被認為是制備防輻射混凝土的良好骨料[6]。Berna等人[7]采用褐鐵礦、碎石作骨料配制不同骨料混凝土，通過試驗發(fā)現褐鐵礦作粗細骨料具有最佳的中子屏蔽性能，并采用五參數幾何級數（G-P）擬合法計算伽馬射線能量吸收（EABF）和暴露累積因子（EBF），結果表明褐鐵礦混凝土具有出色的伽馬射線屏蔽性能。

當前對褐鐵礦混凝土的物理力學性能及防輻射性能有關報道很少。因此本試驗采用褐鐵礦作為混凝土的粗、細集料，通過力學試驗和伽馬射線屏蔽試驗對褐鐵礦混凝土進行深入探究。

1 原材料和配合比

1.1 試驗原材料

原材料有水泥、褐鐵礦砂、褐鐵礦石、普通碎石及河砂，褐鐵礦原料選自貴陽某礦山，其化學成分如表1所示。

⑴水泥：采用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥。

⑵細骨料：0～5mm褐鐵礦砂，表觀密度3447kN/m3，24h吸水率9.4%，屬于中砂，級配良好，篩分曲線如圖1(a)所示；0～5mm河砂，屬于中砂，表觀密度2623kN/m3，篩分曲線如圖1(b)所示。

⑶粗骨料：5～20mm褐鐵礦石，表觀密度3549kN/m3，24h吸水率4.8%；5～20mm普通碎石，表觀密度2713kN/m3。褐鐵礦骨料如圖2所示。

表1 褐鐵礦主要化學成分(%)

圖1 細骨料篩分曲線

1.2 配合比設計及試件制備

配合比參照相關規(guī)范，考慮到褐鐵礦骨料吸水率超出一般范圍，避免褐鐵礦骨料在攪拌過程中吸收拌合水，在預攪拌混凝土時提前使其吸水，在拌合混凝土時不至于影響新拌混凝土的和易性。根據褐鐵礦骨料24h吸水率和不同預濕水下混凝土的工作性能確定了預濕水量，預濕水占褐鐵礦骨料質量的1%。經在實驗室反復試配，最終確定配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比(kg/m3)

試驗分別制作了尺寸為150mm×150mm×150mm、100mm×100mm×100mm的褐鐵礦混凝土試件及同等數量的普通混凝土試件，24h脫模后立即放入溫度20±2℃，濕度為95%以上的標準養(yǎng)護室養(yǎng)護，用于測試試塊力學性能及伽馬射線屏蔽性能。

2 試驗裝置與方法

2.1 力學性能試驗

混凝土抗壓強度測試采用TYE-2000B型壓力試驗機，在試驗過程中為滿足精度要求以12kN/s連續(xù)加載，加載到破壞，并記錄破壞荷載。依據規(guī)范[8]計算公式如下：

式中,

fcc——混凝土立方體抗壓強度（MPa）；

F——試件破壞荷載（N）；

A——試件承壓面積（mm2）。

圖2 褐鐵礦骨料

2.2 屏蔽性能試驗

使用BH3216型核技術應用物理實驗平臺進行屏蔽性能測試，其主要有γ放射源鉛室，NaI探測器，計數系統(tǒng)等三部分組成如圖3所示，γ放射源為137Cs。在進行伽馬射線屏蔽實驗之前，首先要對放射源、鉛室穿孔、NaI探測器進行調整使其在一條直線上，在測量材料的屏蔽性能之前，應先測試儀器的本底放射性，關閉鉛室放射源，測量本底計數C0。γ射線通過試樣的線性衰減系數[9]（μ）由式⑵計算。

圖3 γ射線屏蔽試驗示意圖

式中：I0=N0－C0，I=N－C0

x是樣品厚度，N和N0分別在有和沒有試樣的情況下檢測器中記錄的計數，I和I0分別在有和沒有試樣的情況下檢測器中記錄的計數的本底扣除數。此外屏蔽效果還可以用半值層(HVL)和十分值層(TVL)衡量，分別表示射線強度衰減到一半和衰減到十分之一的厚度，計算公式為：

將養(yǎng)護28d的6個100mm×100mm×100mm的立方體混凝土(褐鐵礦和普通混凝土)，切割成尺寸為100mm×100mm×30mm的板塊，如圖4所示。由于本實驗采用的核技術應用物理實驗平臺γ射線源為單點照射，為測試不同部位，減小誤差，將試塊表面按圖5標記9個點，作為測試點。每塊板測試前先測量本底數和γ射線初始光子通量數，之后按照9個測試點的分布位置進行重復性測量并取平均值[10]。

圖4 伽馬屏蔽試驗試塊

圖5 屏蔽試驗測試點分布

3 結果與分析

3.1 抗壓強度發(fā)展規(guī)律

取在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護7d、14d、28d的褐鐵礦混凝土和普通混凝土試塊分別作抗壓強度試驗，試驗結果如圖6。從圖6中可以看出褐鐵礦混凝土在7d、14d、28d的抗壓強度均大于普通混凝土，分別增加了33.9%、27.4%，18.4%。經分析認為相同水灰比下褐鐵礦混凝土強度高于普通混凝土的主要原因有兩點：

⑴褐鐵礦屬于多孔結構，表面粗糙，吸水性強，水化初期粗細骨料與砂漿交界面不會有過多水分，而隨著水化反應的不斷推進，孔隙外部水分消耗完成，褐鐵礦內部的水分在此時會由于孔內外壓差滲出繼續(xù)參與水化，水泥砂漿進入礦石內部孔隙，形成內嵌，提高了礦石的強度。

⑵如圖1褐鐵礦砂篩分曲線均在2級配區(qū)范圍內，而河砂的篩分曲線有一部分在2級配區(qū)外，這說明褐鐵礦砂級配更好，且發(fā)現河砂粒徑在1mm以下的較多，即比表面比較大，需要水泥漿體較多，在相同水灰比和相同砂率下，普通混凝土形成的水泥砂漿包裹性比較差，導致水泥砂漿與粗骨料界面粘結性差，進而導致普通混凝土強度低于褐鐵礦混凝土。

圖6 混凝土各齡期抗壓強度

為更好比較各個齡期的發(fā)展規(guī)律，分別以褐鐵礦混凝土和普通混凝土28d的抗壓強度為基準，繪制發(fā)展強度百分比柱狀圖，如圖7所示。褐鐵礦混凝土在7d齡期強度已經達到28d齡期強度的77.4%，而普通混凝只達到68.4%。另外通過圖7還可以看出褐鐵礦混凝土在7d齡期后其強度發(fā)展非常緩慢，這說明褐鐵礦混凝土的強度主要在養(yǎng)護前期發(fā)展。

圖7 混凝土各齡期發(fā)展強度百分比

褐鐵礦混凝土在養(yǎng)護早期發(fā)展強度快的主要原因是褐鐵礦中含有較多的鋁元素，在混凝土中鋁元素以硫酸鋁等化合物存在，在水溶液中游離的Al3+能在極短的時間內加速水泥的水化[11]。

3.2 伽馬射線屏蔽性能

γ射線衰減程度主要是由屏蔽材料本身對射線的吸收程度決定的。材料的屏蔽性能通常用線性衰減系數表示，其值越大屏蔽效果就越好。通過試驗測得光子通量數與褐鐵礦混凝土厚度之間的關系如圖8 所示，通過非線性擬合，可以看出隨著厚度的增加光子通量數呈指數衰減，與指數BeereLambert 定律[12]吻合較好。根據式⑵可得不同厚度下的線性衰減系數μ，如圖9 所示，可以看出同種材料不同厚度下線性衰減系數上下波動，這是因為在測量過程中存在厚度誤差和計數誤差，為減小誤差以Ln(I0/I)為縱坐標，厚度為橫坐標繪圖，然后進行線性擬合，如圖10 所示，曲線斜率即為μ。由圖10可知褐鐵礦混凝土和普通混凝土的線性衰減系數μ 分別為0.02053mm-1和0.01745mm-1。褐鐵礦混凝土的線性衰減系數明顯大于普通混凝土的，說明褐鐵礦混凝土對γ 射線具有良好的屏蔽性能。

圖8 光子通量與褐鐵礦混凝土板厚度之間的關系

圖9 γ 射線在不同厚度中的線性衰減系數

圖10 線性擬合得到的線性衰減系數

為更直觀反應普通混凝土和褐鐵礦混凝土的屏蔽效果，采用半值層和十分值層式⑶和式⑷計算普通混凝土和褐鐵礦混凝土的屏蔽厚度，計算結果如表3 所示。由表3 可知，普通混凝土使γ 射線能量衰減一半時所需混凝土厚度為39.7mm，而褐鐵礦混凝土只需33.8mm。普通混凝土使γ 射線能量衰減到十分之一時所需混凝土厚度為132mm，而褐鐵礦混凝土厚度只需112.2mm，減少厚度約15%。

表3 普通混凝土和褐鐵礦混凝土的HVL 和TVL

4 結論

⑴本試驗采用褐鐵礦砂和褐鐵礦石成功配制出了結晶水含量為6.8%、密度在2826㎏/m3的褐鐵礦混凝土。

⑵同水灰比下褐鐵礦混凝土抗壓強度高于普通混凝土，且發(fā)現褐鐵礦混凝土在7d 齡期強度已經達到了28d 齡期強度的77.4%，而普通混凝只達到68.4%，這一規(guī)律與普通混凝土大不相同，建議在施工過程中要注重褐鐵礦混凝土的前期養(yǎng)護。

⑶通過γ 射線屏蔽試驗，表明所配制的褐鐵礦混凝土比普通混凝土屏蔽效果更好，減少厚度約15%。