防辐射混凝土

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1、南华大学城市建设学院本科毕业论文第1章 绪 论1.1 研究背景 防辐射混凝土又称为防射线混凝土、原子能防护混凝土、屏蔽混凝土、核反应堆混凝土或重混凝土。作为原子能反应堆、粒子加速器及含放射源装置的防护材料, 它能有效的屏蔽原子核辐射, 即射线,一般指、等射线和中子辐射。核技术自诞生以来便得到迅速的发展,目前已在如核电、军事、教育、科研、医疗等众多领域得到了广泛的应用, 然而其安全性一直是困扰其进一步发展的关键。众所周知,原子核反应产生的大量如、射线和中子射线能够诱发癌症、白血病和多发性骨髓癌、大胸恶性肿瘤、甲状腺技能紊乱、不育症、流产和生育缺陷等多种人类绝症以及诱发植物的基因变异, 危害农作物

2、的生长, 而且其潜伏期长,短时间内无法得知。因此,为防止射线对人体的伤害,在建造有辐射源的建筑时,必须设置防护体。水泥混凝土是目前使用最为广泛的射线防护材料, 主要用于制作核反应堆的内外壳以及核废料的固化处理。虽然在核工业问世的50年里,尚未出现一例核事故是因为屏蔽工程所引起的, 但是核事故一旦发生,将会造成灾难性的破坏。1986年4月，前苏联的切尔诺贝利核泄漏事故酿成了使大半个欧洲受害, 2500平方公里的土地不能居住,10万人不得不大迁移的悲剧,死伤也不计其数。2011年，日本大地震导致的核泄漏事故，再次上演了这一悲剧，再次敲响了警钟。中国在1992 年发表科学技术白皮书中国科学技术政策指

3、南指出: 不仅要研究开发先进压水堆和固有安全压水堆技术以及先进的核燃料循环技术, 其中包括压水堆反应屏蔽及核废料后处理和贮存技术; 在建材工业一节中更是明确指出: 开发研究适用于核工业核电站发展的新型防护材料。近十年来美国、俄罗斯等多国政府也早已认识到这一问题的重要性, 并加大了研究核反应堆射线防护技术、核废料后处理技术以及新型防辐射材料的开发力度。因此, 对于建材行业来说, 开发研究新型、经济、安全合理的防辐射混凝土及其核肥料固化材料, 具有重大战略意义和深远的社会意义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

4、废料。自前苏联于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。据估计全世界核电放射性废物排放量已累计超过4108 m 3，我国在今后十年中每年也将产生核废物7105 m 3，而由于目前所使用的核废料水泥固化材料的抗渗出性能差,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。 另外，从当前的国际形势来看，总体和平，却是一种力量平衡下的“和平”，世界格局是总体和平与局部战争的相互平衡。人类自阶级社会产生以来，各类战争就没有间断过。“核技术将被越来越多的国家所掌握”的事实意味着，核战争爆发的可能性尽管很小，但还是存在的。此外，常

5、规战争随时可能爆发。从国内局势来看，我国及周边地区仍存在重多不稳定因素。故我国新建人防工程必须面对这种挑战2！ 本研究是根据当今人防工程及核电站防辐射工程面临的挑战，针对我国目前和将来在大型人防工程和核电站建设中所遇到的关键性技术问题而进行的研究与探讨，对目前及将来的人防工程和核电站建设具有重要的理论意义和实用意义！1.2 国内外防辐射研究现状防辐射混凝土一般要防止的是 、射线和中子流。由于、射线穿透能力低, 易被吸收, 甚至很小的厚度的防护材料也能完全挡住它们, 因此表面防护材料本身就可以防护, 从防护的角度来看, 可以忽略。在设计中最重要的是考虑对射线和中子射线的屏蔽。因此, 防辐射混凝土

6、结构主要问题是、射线和中子射线的防护。而射线穿透能力强, 通常通过高密度建筑材料时, 其能量能被减弱, 达到一定密度和厚度时, 可完全被吸收。中子射线是由不带电核的微粒组成, 具有高度的穿透能力, 其中可分为快速中速和慢速中子, 因为它们的防护机理不一样, 所以对于中子射线的防护只考虑材料的密度大还达不到目的。防止中子射线屏蔽不仅含重元素, 而且必须含充分数量的轻元素。目前国内外防辐射混凝土技术主要分为两个方面: （1）采用磁铁矿石、褐铁矿石或重晶石作粗细集料, 同时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和料。该方法是目前使用最为广泛的一种, 其特点是密度高的粗细集料可以屏蔽射线

7、, 含轻元素的化合物有效捕捉中子且不形成二次射线, 射线屏蔽作用较好。但是由于采用密度大的材料做集料, 易离析, 混凝土施工性能差, 水泥水化热大, 混凝土易开裂, 耐久性差, 核废料的固化安全效果差。（2）应用高性能混凝土技术, 掺加矿物掺合料, 降低混凝土水灰比, 减少混凝土收缩率, 提高混凝土的密实性和混凝土抗开裂能力。如法国的西瓦克斯核电站反应堆内外壳混凝土就是采用的这种技术。但是由于该方法没有采用密度大的防辐射集料, 因而必须通过增加混凝土厚度才能达到屏蔽射线的目的, 而且混凝土防止中子射线的能力较差。 核电站作为20世纪的一种新型能源,具有广阔的发展前景。随着核电技术的发展和在电力

8、能源的比例加大,在提倡环保和高度重视人类健康的今天,防护材料显得尤为重要。从经济发展和战略意义上讲防辐射混凝土理应成为人们研究的重点和热点。但是,随着科学技术进步和混凝土技术的发展,使用环境的恶化以及防护建筑结构的复杂化,防辐射混凝土还有许多问题尚未有人进行过研究或者系统的研究, 而这些问题直接关系到核技术的进一步发展和核能的广泛应用,诸如下面的几个方面应该引起人们的重视值得人们去研究: (1)由于核反应堆普遍采用多层结构如铅板、钢块等对射线进行屏蔽, 混凝土并没有受到高能量射线的直接照射, 而且大家通常认为在混凝土受到射线照射时射线的辐射对混凝土的性能几乎没有什么影响。但是吸收放射的能量可转

9、化为热量,导致混凝土温度升高, 甚至达100以上,影响混凝土的结构和性能,如不采取有效的措施,将使混凝土结构遭到破坏。例如,用“石棺”处置核泄漏后的切尔诺贝利核电站,但是由于大量的射线直接作用在混凝土上,使得混凝土内部破坏深度在逐年加大,目前“石棺”的寿命已受到了严峻的考验。由此可见,在射线作用下混凝土结构仍然存在巨大的隐患, 而这一问题目前并没有得到深入的研究。众所周知,水泥水化产生的主要矿物以及孔结构都有一个稳定存在的适宜条件。当混凝土在受到射线照射后,这些矿物和水泥石的结构是否会发生改变或者是否会引起混凝土耐久性不良等一系列问题都是亟需明了,如射线辐射以及大水泥掺量导致混凝土内部温度升高

10、100以上,此时混凝土的矿物组成可能会发生晶型转变,混凝土中的结晶水可能脱去,则混凝土结构稳定性和防辐射能力又将如何?射线是否能使混凝土的水化产物发生改变,目前还没有人做过研究。而且随着混凝土的成分的复杂化,射线是否对混凝土的性能产生影响,还没有人进行系统研究。(2)现在普遍采用硼掺和料代替水,虽然可以减小因为结晶水的脱去所造成的破坏,减少因为二次射线所造成的破坏,但是它可以延缓水泥的水化。因此,轻元素物质的掺加技术及其掺量也应引起足够的重视。(3)配制防辐射混凝土集料密度大,水灰比小,水泥用量较大,水化放热速率高, 收缩率大,施工时容易离析,而且由于高性能混凝土水灰比低,自收缩大,以及因为温

11、升产生的应力,造成混凝土开裂问题尤其严重。而射线却可以沿着裂缝射出,使混凝土根本起不到防护作用,此问题应进行系统研究。 (4)放射线混凝土由于集料的特殊原因, 容易产生离析。目前进行筛分，人工级配可以很大程度上得以克服,引入结晶水的量也受到限制,而干硬性混合料对于泵送也是不利的。(5)高能量射线作用与多因素协同作用下混凝土的耐久性问题尚无人研究。(6)至今尚没有防辐射混凝土耐久性的评价指标1。1.3 研究的主要内容、目的及意义本论文采用查阅资料与理论分析相结合的方法，重点研究如下三个方面： (1)防辐射混凝土的配制，并对其物理力学性能进行分析研究。 （2）研究防辐射高性能混凝土耐久性能，主要包

12、括抗冻性、抗氯离子渗透性、碳化性。 （3)研究防辐射高性能混凝土施工工艺的关键技术、裂缝控制及养护条件控制。 本研究旨在依据复合材料的设计理论，通过查阅资料与理论分析相结合的方法，结合人防工程和核电站防辐射的特点，采用不同密度集料，通过混凝土高性能化手段制备高性能防辐射混凝土，并对其的组成、力学性能、密度、施工工艺、耐久性能进行研究，对我国大型地下人防工程和电站建设具有重要的理论意义和实用价值。第2章 防辐射混凝土配制2.1 防辐射混凝土配制理论2.1.1 防辐射混凝土的特点随着原子能工业和放射线元素提炼工业的飞跃发展以及放射线同位素在国民经济各部门的广泛应用，出现了保护工作人员不受放射性射线

13、伤害的重要问题。因而，放射性射线的防护问题也就成了原子能建筑中的主要课题之一，并构成与其他工业建筑不同的固有特点。原子反应堆所产生的放射性射线是多种多样的，其中有、射线、中子射线及质子流等。它们的穿透能力是不同的。、粒子和质子具有电荷，当它们和防护物质的原子电场相互作用时，其能量降低，甚至厚度很小的防护材料也能完全挡住它们。 射线是一种高能量高频率的电磁波，具有极大的穿透能力。当它穿过防护物质，可以被逐渐吸收，但只有防护材料超过某一厚度时，才能完全被吸收。 中子是原子核中不具有电荷的粒子，中子射线即是这些不具电荷的中子构成的中子流。按能量的大小和运动的速度，中子射线又分为慢速中子、中速中子、快

14、速中子，原子核只能俘获吸收慢中子，快中子只有通过与原子核碰撞才能减速，但某些物质的原子核和中子碰撞时会产生第二次射线。中速中子通过轻元素原子核可以减速到被俘获要求的能量。 因此，原子反应堆和加速器的防护问题主要归结为防护射线和中子流的问题。 对于射线，物质的密度愈大，防护性能愈好。几乎所有的材料对射线都具有一定的防护能力，但是采用密度小的轻质材料时，则要求防护结构的厚度很大，这样增加了建筑面积和容积。采用铅、锌、钢铁等比重大的材料防护射线效果很高，防护结构可以做的较薄，但这些材料价格昂贵。 对于中子流，不但需要重元素而且需要充分多的轻元素，氢是最轻的元素，在这方面水具有优良的防护效果，因为氢在

15、水中含得最多。 因此，作为反应堆，加速器或放射化学装置的防护结构应当是由轻元素和重元素有适当组成的材料做成。含轻、重元素的材料可以是分层布置，也可以均匀的混合物。混凝土正是这样的混合物，因为它的容重大，而且含有很多的水。此外，用混凝土作防护材料有以下优点3： （1）价格低廉 （2）可以做成任何形状，设计施工均易。 （3）有足够的强度和耐久性。普通混凝土是低廉而满意的防射线材料，但是其容重不大，结合水不甚多。因此，采用普通混凝土结构时的厚度需要增加。有效的防射线材料即防辐射混凝土，这种混凝土是采用普通水泥或比重很大、水化后含结合水很多的水泥与特重的集料或含结合水很多的重集料制成。它的容重很大，含

16、结合水很多，防护效果好。因此，采用这种混凝土作防护结构可以降低结构的厚度，但其造价比普通混凝土高。对防辐射混凝土不但要求容重高含结合水多，而且要求混凝土具有良好的均质性。混凝土结构在施工和使用期中的收缩应最小，不允许存在空洞、裂纹等缺陷。除此之外，还要求混凝土具有一定的结构强度和耐火性。防辐射混凝土的屏蔽性能主要是通过增加表观密度及密实性、提高结晶水含量及硼、镉、锂等元素含量获得。因此，防辐射混凝土原材料选用主要原则有4：（1）在满足配制强度的前提下，尽量选用放热量小、结合水含量高的水泥。（2）集料的密度除须满足混凝土表观密度的要求外，同时还应考虑结晶水含量、含硼量、含镉量、含锂量等防辐射混凝

17、土特殊技术指标的要求。（3）所选材料配制的防辐射混凝土在相应使用环境下必须具备良好的稳定性，比如在辐射和高温作用下因材料的收缩或膨胀而开裂性要小。（4）材料的性能稳定、不易挥发和分解、无毒，且容易获得、价格低廉。2.1.2 防辐射混凝土的原材料1胶结材料 防辐射混凝土在吸收中子流是不仅需要重元素而且需要足够多的轻元素，而氢是最轻的轻元素，且主要含于水中，故防辐射混凝土胶结材料应尽可能选结合水含量多的胶结材料，同时还应适当综合考虑其他因素。 目前配制防辐射混凝土所用胶凝材料有普通硅酸盐水泥、高铝水泥、钡水泥、含硼水泥、锶水泥等。高铝水泥具有早期强度高、高强、耐高温、耐化学腐蚀等特点, 钡水泥相对

18、密度较普通水泥高,可与重质集料配制成均匀、密实屏蔽射线混凝土,但其热稳定性差,只适合于制作不受热辐射的防护墙。硼水泥早期强度增加率大,硼元素吸收热中子与大量减少俘获辐射和屏蔽层发热, 结合水中氢元素有慢化快中子作用, 适用于快中子和热中子防护屏蔽工程,锶水泥屏蔽性能较钡水泥差。水泥品种对防辐射混凝土屏蔽射线和中子射线的效果有一定影响,研究表明掺加白水泥、石灰岩、石英岩、硬硼酸钙、高铝水泥等低辐射原材料配制混凝土对中子射线有良好屏蔽效果。但目前配制防辐射混凝土还是使用普通硅酸盐水泥和高铝水泥。一般情况下硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥水化结水含量能满足中等屏蔽中子射线的要求，当需更高等级的屏蔽中子射线

19、，可选用结合水含量更高的水泥5。2.骨料 防护问题主要归结为防护射线和中子流的问题。射线是一种高能量高频率的电磁波，具有极大的穿透能力，当它穿过防护物质，可以被逐渐吸收，但只有防护材料超过某一厚度时，才能完全被吸收，中子射线的防护也需要一定的重元素。故防辐射混凝土骨料的选择应尽量选择密度大且含一定量重元素的骨料。骨料是混凝土主要的组成部分，它占混凝土总体积的34以上。对于普通混凝土而言，集料的存在具有重要意义：技术上，集料可以改善混凝土的性能，高强集料构成的刚性骨架可提高混凝土的强度、变形模量，减少在荷载作用下混凝土的徐变；水泥石硬化时的收缩可达1-2mmm，不均匀的收缩变形导致水泥石内部产生

20、应力，严重时水泥石产生裂缝，集料能承受收缩应力，减少混凝土的收缩，使混凝土具有比纯水泥浆体更好的体积稳定性、耐久性；经济上，骨料的价格远低于水泥，它使混凝土成为一种低廉的建筑材料。 目前，防辐射混凝土常通过引入重金属元素来提高混凝土对有害射线的屏蔽效果是国内外研究热点问题,研究表明,混凝土材料掺入Mg、Ti、H、C、Fe和 Co 能提高混凝土防辐射能力, 混凝土防辐射能力与单方混凝土中重金属含量密切相关,使用蛇纹石、磁(赤)铁矿石、褐铁矿石、氧化铁粉、钢丸、钢锻、重晶石、石膏粉、硼镁铁矿石、铬矿粉、方铅矿等含有重金属元素的骨料来提高混凝土屏蔽射线和中子射线能力是有效的方法6。 3.外加剂 外加

21、剂主要指无需取代水泥外掺量小于5(质量)的化合物，用于改善新拌混凝土和硬化混凝土的性能。 制备防辐射混凝土除了要使用重金属骨料以外,还需要掺加一定量外加挤。高性能混凝土常用外加剂有减水剂、引气剂、缓凝剂等。其中，高效减水剂是高性能混凝土必要的组成，它能赋予低水胶比混凝土很好的工作性能。目前高效减水剂主要有三聚氰胺磺酸盐甲醛缩合物、萘磺酸盐甲醛缩合物和聚羧酸盐系。不同类别的高效减水剂具有不同的特征，对于给定的胶凝材料，萘系减水剂没有明显的拐点，其减水率随掺量的增加而增大，但增幅逐渐减小，且其坍落度经时损失较大，通常需要复配缓凝剂使用；聚羧酸系和氨基磺酸盐减水剂的掺量与减水率存在明显的拐点，即饱和

22、点，当掺量低于饱和点时减水率随掺量的增加明显增大，达到饱和点后，减水率增加甚微，混凝土拌合物还会出现泌水现象。高强度高性能混凝土应选用高效减水剂，其减水率应在25以上，且宜为纯正产品，不宜选用复配产品。除此之外，铅纤维、钢纤维和铅与钢混杂纤维对屏蔽混凝土力学性能(抗压强度、劈裂抗拉强度、弯曲韧性)和射线屏蔽性能有较大影响7。4.矿物掺合料高性能混凝土掺加矿物掺合料能显著提高混凝土的工作性能与耐久性能。防辐射混凝土中常常需加入一定比例矿物掺合料, 矿物掺合料种类与掺量对防辐射混凝土工作性能与屏蔽性能有很大影响。活性矿物掺合料主要包括火山灰、沸石、硅藻土、浮石等天然矿物质和粉煤灰、矿渣等工业副产品

23、，其主要能改善混凝土如下性能：(1)大幅度提高混凝土的强度(2)改善水泥颗粒的填充性，提高水泥石致密度及抗渗性(3)提高混凝土拌合物流动性(4)降低混凝土水化热，削减混凝土放热峰，在一定程度上减少混凝土温度裂缝的产生8。2.1.3防辐射混凝土的配合比选择伍崇明9等人用正交设计试验方法、回归分析方法,研究防辐射混凝土中用水量、砂率、水灰比对屏蔽混凝土性能影响及与普通混凝土性能差异。防辐射混凝土抗压强度随水灰比增大而减小,呈现线性关系,水灰比比骨料种类对防辐射混凝土抗压强度的影响更显著;养护龄期对屏蔽混凝土密度值影响不明显,屏蔽混凝土与普通混凝土的力学性能变化规律相同。提出了屏蔽混凝土配合比设计容

24、重法和体积法相结合的计算方法,给出屏蔽混凝土配合比设计方法步骤。Mahdy 等人通过研究水胶比、掺合料掺量、骨料种类、砂率对重骨料混凝土和高强混凝土机械性能影响,得出掺加硅粉改善了混凝土界面结构、由于增加混凝土内聚力减少了混凝土泌水、混凝土过渡区厚度增加导致混凝土机械性能提高,硅粉最佳掺量为10%,增加砂率，重骨料混凝土和高强混凝土机械性能有一定程度提高,骨料种类对重骨料混凝土和高强混凝土的机械性能几乎没有影响。1.防辐射混凝土的性能要求 9（1）混凝土对r射线的吸收规律式： I=I0e- (2.1) 式中：I0、I-叫射线通过混凝土前后强度； -材料对Y射线的质量吸收系数，取决于射线能量；

25、p-混凝土材料表观密度； X-混凝土材料所需厚度。 由公式可知，对相同射线，混凝土的厚度x一定时，混凝土的表观密度越大，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。2.配合比设计步骤10防辐射混凝土高密度、轻元素含量等特殊性能要求，使得其配合比设计与普通混凝土配合比设计在技术参数的选择上存在一些差异，尤其是砂率的选择，但两者配合比设计步骤大致

26、相同： （1） 计算配制强度(fcu,o) fcu,o =fcu,k+1.645 (2.2) 式中：fcu,o混凝土配制强度，MPa； fcu,k混凝土立方体抗压强度标准值，MPa； 混凝土强度标准差，MPa。 （2） 确定水灰比(WC) wC=afcefcu,o+abfce (2.3) 式中：a、b回归系数 fce水泥强度等级值，MPa（3） 选择单位用水量(mwo)表2.1 防辐射混凝土用水量参考值（kg/m3）细集料+粗集料低流动性混凝土干硬性混凝土褐铁矿+褐铁矿280290270280褐铁矿+磁铁矿225235220240磁铁矿+磁铁矿褐铁矿+磁铁矿褐铁矿+重晶石重晶石+重晶石1801

27、95145170普通铁+铸铁普通砂+普通铁石掺减水剂时，若减水率为，则掺外加剂单位用水量mwa按下式计算： mwa=mwo(1-) (2.4)式中： mwa掺外加剂混凝土单位用水量，kg; mwo未掺外加剂混凝土单位用水量，kg ; 外加剂的减水率，% （4）计算单位水泥用量（mco） mco=mwawc (2.5)（5）计算砂率(Sp) 由公式（2.6）式计算粗集料的孔隙率，再由公式（2.7）计算砂率。 G=1-rgg100% (2.6)式中：G粗集料孔隙率，%； rg粗集料堆积密度，kg/m3； g粗集料表观密度，kg/m3； Sp=KGrsrg+Grs (2.7)式中：Sp砂率，%； K

28、拨开系数，取1.1-1.3； G粗集料孔隙率，%； rs细集料堆积密度，kg/m3; rg粗集料堆积密度，kg/m3；（6）计算单位粗细集料用量 mcoc+mgog+msos+mwaw+0.01=1 (2.8) Sp=msomso+mgo (2.9)式中：mco单位水泥用量，kg； mgo单位粗集料质量，kg； mso单位细集料质量，kg； mwa单位用水量，kg；Sp砂率，； c 水泥表观密度，kg/m3； g粗集料表观密度，kg/m3； s细集料表观密度，kg/m3； w水的密度，kg/m3； 混凝土含气量百分数，不使用引气型外加剂时取1。（7）试拌调整配合比 3.提高混凝土表观密度途径

29、提高混凝土的表观密度主要是通过利用各种高密度材料作为集料配制混凝土。高密度集料有天然材料，也有人造材料。天然材料主要有重晶石、磁铁矿、褐铁矿、赤铁矿等重质矿石，人造材料主要包括钢珠、钢锻、铸铁等铁质集料、钢渣、铜渣等重质工业渣。此外，以高密度水泥，如钡水泥、锶水泥等特种水泥为胶凝材料配制混凝土，也能提高混凝土的密度，但经济性不高11。 4.提高混凝土硼元素含量途径 硼元素能有效吸收中子及二次射线，提高混凝土中硼元素的含量能显著提高混凝土对中子流的屏蔽效果。研究表明，提高混凝土中硼元素的含量，能大幅提高混凝土屏蔽中子的能力。提高混凝土中硼元素含量的主要途径有：（1）向混凝土中掺入硼的化学盐或氧化

30、物，如硼砂、硼酸、硼酐等。该方法简单直接，但是可溶性硼会严重阻碍水泥的水化，即便是少量溶解性硼也能使水泥硬化体几乎丧失强度。因此，该方法不但引入的硼元素有限，且严重影响混凝土的力学性能；（2）烧制含硼水泥；（3）利用天然含硼矿物，如硼镁矿石、硼铁矿石、蛇纹石等为集料配制混凝土，该方法引入的硼元素数量可观，与矿物中的硼含量有关，是制备防中子流混凝土的有效方法。也有研究表明，硼矿中的少量硼会溶于水，从而影响水泥的水化。硼矿中硼的溶解性与产地、矿物类型及矿石大小等有关，通过烧结可以使可溶性硼有效的固定，但成本较高。（4）在混凝土中加入人造含硼材料，如硼玻璃、B4C等。 5.提高混凝土结合水途径 水泥

31、水化后的各种水化产物中带有一定的化学结合水。硅酸盐水泥水化后的结合水含量可以满足混凝土一般的防辐射要求。提高混凝土结合水含量的主要途径有：(1)用结合水含量更高的水泥，如石膏矾土水泥、矾土水泥、镁质水泥代替硅酸盐水泥配制混凝土；(2)掺入结晶水调节剂，可以有效提高混凝土的结合水含量；(3)以富含结晶水的矿物为集料配制混凝土。 2.2 重晶石防辐射混凝土配制112.2.1 原材料的选择 1.水泥 重晶石防辐射混凝土中所用水泥的选择与普通混凝土所用水泥的选择相比应考虑如下特点：配制重晶石防辐射混凝土首先考虑的性能是混凝土的表观密度，其次是混凝土的强度;特别是强度等级较高的重晶石防辐射混凝土强度主要

32、由重晶石粗骨料决定，而水泥强度居于次要位置;重晶石防辐射混凝土一般为大体积混凝土，应充分考虑水泥水化热对混凝土性能的影响;与水结合得越多的水泥对防中子射线越有利。因此，重晶石防辐射混凝土宜采用密度较大、与水结合较多、水化热较低的水泥。重晶石防辐射混凝土一般可采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥，火山灰质硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、高铝水泥、镁质水泥等。其中硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥应用最多最广，这两种水泥最易获得，且比密度大，水化热相对较小。高铝水泥、高镁水泥可增加结合水的含量，但水化热很大，施工中必须采取相应的冷却措施。此外，对配制防辐射要求较高的混凝土，还可考虑采用钡水泥或锶水泥，其表观密度较大

33、，可以提高混凝上的防辐射能力。 根据重晶石防辐射原理，水泥结晶水含量影响着重晶石防辐射混凝土防中子射线的能力。结晶水的测试，根据物质吸附水测试原理，用已凝结硬化的水泥净浆块经捣碎后，普通硅酸盐水泥在105下，高铝水泥在502除去附着水后，再将试样于不同温度下烘干或灼烧至恒重称重，失重部分认为是结晶水含量和未水化水泥的烧失量。结晶水含量最大的灼烧温度就是该种水泥释放结晶水的最佳温度。根据相关数据表明，随着温度的升高，水泥结晶水释放得更加完全，其最佳释放温度为100050，各种水泥的结晶水含量见表2.2。重晶石防辐射混凝土常用水泥的性能、规定和要求见表2.212。表2.2 重晶石防辐射混凝土常用水

34、泥的性能、规定和要求水 泥品 种密度（g/m3）结合水含量（%）水泥的性能、规定和要求 28d365d通用硅酸盐水泥 2.93.1 1520常温下含结晶水约为13一巧%，在高温(100以上)脱水较少;能满足一般防护结构的要求。 高 铝 水 泥 3.03.1 2530常温下含结晶水约20%23%，但在高温(100以上)严重脱水;早期强度增长较快，但水化热在浇筑后13d后集中散发，易出现早期裂纹;用于结晶水含量有较高要求之防护。石 膏高 铝水 泥 3.03.1 2832常温下含结晶水约25%一28%，但在高温（100以上）严重脱水；早期强度增长较快，水化热集中散发，易出现早期裂纹;凝结时有微膨胀;

35、 除适用于对结晶水有较高的防护外，宜用于配制填充孔洞的混凝土和砂浆；早期强度高，长期强度有退缩现象，设计上须提高混凝士强席等级。以期保持适当的后期强度。 镁 质 水 泥 2.93.0 3540常温下结晶水含量约为30%一40%，在高温(100以上)严重脱水;水化热大，凝结过快，易受大气侵蚀，对钢筋有腐蚀作用，应用较少。 钡 水 泥 4.75.2_由于相对密度大，可与重质骨料配制成均匀、密实的屏蔽射线混凝土;热稳定性差，只适合于配作不受热的辐射防护体。 含 硼 水 泥_ _ _水泥早期强度增进率大，并含有一定量的B2O3和较多的化学结合水;所含的硼元素能吸收热中子，大量减少俘获辐射和屏蔽层的发热

36、，结合水中的氢元素有慢化快中子的作用;可以和重晶石骨料配制密度较高、含硼较多的混凝土，具有防混合辐射的性能，适用于快中子和热中子防护的屏蔽工程。 经综合考虑，本试验选用水泥是由湖南兆山水泥厂生产的兆山牌42.5级普通硅酸盐水泥(P.O42.5)，其性能测试结果见表2.313。表2.3 水泥主要技术指标安定性 初凝/min 终凝/min抗压强度/MPa 抗折强度/MPa 细度/% 3d 28d 3d 28d合 格 135 180 22.3 48.0 5.0 7.7 2.52.重晶石粗细骨料 我国重晶石矿床可分为四种类型，即沉积型矿床、火山沉积型矿床、热液型矿床和残坡积型矿床。重晶石广泛应用于石油

37、钻探、化工、玻璃、建筑等，随着核技术的发展及对防辐射材料的要求，重晶石用于混凝土骨料制作防辐射混凝土的应用越来越广泛。 骨料的形状和质构通过影响新拌混凝土水泥浆料的需求量而影响其工作性在搅拌过程中，骨料之间的相互作用，需要足够的水泥浆以包裹骨料和提供润滑。对于工作性最有利的骨料颗粒在形状上应接近球形，并且具有比较光滑的表面。重晶石碎石一般采用人工破碎的方法，形状不规则，有显著的斜方晶体开裂性，软质者棱角易于磨损，粒形一般。细骨料的形状和表面质构只影响工作性，而粗骨料的特性通过影响骨料与水泥浆的机械黏结效果而影响着混凝土的力学性能。重晶石石骨料中过于复杂的形状可能影响混凝土中内部的应力集中，其粗

38、糙的表面可以增强黏结强度。 颗粒的级配或粒径分布是骨料的重要特性，因为它决定了工作性良好的混凝土对水泥浆的需要量和工作性。混凝土是由紧密堆积的骨料和其间填充的起到黏结作用的水泥浆所构成，骨料的级配显得非常重要。粗骨料最大粒径影响混凝土对浆体的需求量和粗骨料的最佳级配。重晶石粗骨料是用人工破碎而成，理论上可以破碎成所要求的最大粒径，重晶石防辐射混凝土常用粗骨料的最大粒径为20mm、31.5mm和40mm三种。骨料的最大粒径越大，混凝土的抗压强度呈上升的趋势。重晶石粗细骨料均为人工破碎而成，由于其质脆，破碎后骨粒级配差，难以满足理想级配曲线的要求。因此，级配不满足要求时，应该对级配进行调整。调整方

39、法包括:根据要求进行选择性破碎;采取人工调配，例如两种级配不合格的骨料，一个过细，一个过粗，可将这两种骨料通过试验选取适当比例来掺合使用;按比例筛出某一粒径阶段的骨料，使之符合级配要求;按比例将各种粒径阶段的骨料进行混合。骨料的密度对混凝土的密度起着关键的作用。天然普通骨料的表观密度约2500-2800kg/m3，用这种骨料配制的混凝土表观密度约2300kg/m3左右。而重晶石混凝土的表观密度3800-4600kg/m3，比普通骨料的表观密度大了近一倍，而且重晶石矿物的表观度随着其BaSO4认含量的不同，变化范围比较大，配制出来的混凝土表观密度化也较大。密度较低的重晶石粗细骨料难以配制出密度高

40、的重晶石防辐射混土。因此，需要根据防辐射所要求的混凝土表观密度，选择重晶石原材料12。 经综合考虑，骨料采用重晶石骨料，所用材料分别从广西桂林、湖南衡阳两个不同的地方采集，其中广西选用两种不同表观密度的重晶石骨料，其中一种材料颜色为白色，一种灰色。采集材料时，对材料厂家要求重晶石粗骨料最大粒径为40mm，连续级配，各项指标符合混凝土粗骨料技术性能指标;细骨料最大粒径不超过5mm，细粉不能太多，中砂，级配符合2区砂的标准，各项指标符合混凝土细骨料技术性能指标。重晶石材料的主要性能指标见表2.4，细集料主要性能指标见表2.513。表2.4 各产地重晶石骨料有关物理性能指标 产 地 颜色 表观密度

41、堆积密度 空隙率 压碎指标 （kg/m3） （kg/m3） （%） （%）广西 桂林 白广西 桂林 灰湖南 衡阳 灰白 3800 2330 38.7 4000 2410 39.8 4380 2500 42.921.224.628.8表2.5 各产地重晶石细骨料有关技术指标产 地 颜色级配细度模数表观密度（kg/m3）堆积密度（kg/m3）广西 桂林 白广西 桂林 灰湖南 衡阳 灰白2区2区2区2.822.672.544080418042202500257026403.掺合料 重晶石防辐射混凝土选用矿物掺合料时宜本着经济、对混凝土表观密度无大影响和提高其他性能的原则，宜选用磨细高炉矿渣粉、级及级

42、以上粉煤灰等高活性矿物掺合料，并综合考虑其对混凝土强度、表观密度及其它性能的影响。在重晶石防辐射混凝土中可掺加提高混凝土强度、降低混凝土温升、增加混凝土表观密度的复合掺合料或其他矿物掺合料，但需综合考虑其对混凝土表观密度、温升、其它性能的影响，经试验确定12。 4.外加剂7 减水剂是在混凝土坍落度基本相同的条件下，能减少用水量的外加剂，减水剂主要用于改善混凝土拌合物的性能，即减少用水量，提高坍落度，改善工作性。重晶石防辐射混凝土中由于骨料密度大、流动性差而易于分层离析，因此宜选用减水率高、流动性好、保坍性好、强度增长快的高效减水剂。混凝土膨胀剂是抵抗混凝土收缩开裂的材料，在地下工程和大体积工程

43、中已普遍使用。重晶石防辐射混凝土要求混凝土密实、匀质、无空洞、无裂缝。且一般设计在地下，大多为大体积混凝土工程。重晶石防辐射混凝土可选用混凝土膨胀剂，但考虑到重晶石防辐射混凝土对表观密度的要求宜选用高效混凝土膨胀剂。重晶石防辐射混凝土中由于骨料的密度与其他组成材料的密度相差较大，重晶石骨料容易沉降，造成混凝土离析泌水。在配制流动性好、表观密度要求较大(3200kg/m3)的重晶石防辐射混凝土时宜选用增粘剂等防沉降泌水的材料。 经综合考虑，本实采用格雷丝ADVA152高效减水剂，采用沪州天普精细化工厂生产的H/C7500OS轻丙基甲基纤维素增稠剂。2.2.2实验方法12 1.坍落度重晶石混凝土拌

44、合物坍落度试验方法参照普通混凝土拌和物性能法(GB/T50080)。2.力学性能重晶石混凝土立方体抗压强度，劈裂抗拉强度，轴心抗压强度，弹性模量试验方法参照普通混凝土力学性能试验方法标准(GB/T50081)。3.表观密度混凝土的表观密度关系到其抗辐射的能力。重晶石混凝土拌合物表观密度试验方法参照普通混凝土拌和物性能试验方法(GB/T50080)。各龄期硬化混凝土采用150mmx150mmx150mm的立方体试块，在测试龄期里用游标卡尺测出试块三个方向的尺寸，计算出体积气，用天平测定试块的质量耐，按下式计算12: 0=mV0（kg/m3） （2.10）4.线膨胀系数线膨胀系数试验方法参照水工混

45、凝土试验规程(DL/T5150)。2.2.3重晶石防辐射混凝土配合比设计1.设计指标（1）表观密度，满足特定射线强度所需的表观密度;（2）坍落度，满足施工所需要的坍落度;（3）满足混凝土设计要求的抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度等力学能。（4）特定的量化指标，满足为防护中子射线所需结合水含量等。除上述技术指标外，重晶石防辐射混凝土配合比设计还需要满足如下要求 （1）可施工性，满足混凝土在施工中所设计的拌合物和易性、工作性，除于浇筑外，还应将混凝土离析和泌水降到最小，保证屏蔽混凝土密度的均匀性（2）经济性，在满足以上要求的前提下，尽可能降低成本，设计出来的混凝土配合比经试配试验，密度实测值不超过

46、设计值的3%。（3）混凝土凝土中碱含量、氯离子含量满足核工程混凝土的要求。2.主要参数的选择 (1)骨料 配合比设计主要由两个过程组成，一是选择混凝土的合适组分;二是确定它们的相对数量(比例)。重晶石防辐射混凝土所用骨料主要是重晶石粗细骨料，也可部分掺入普通砂石骨料，其配合比设计首先要满足密度要求。通过大量的试验研究发现，在一定用水量条件下，防辐射混凝土密度与骨料密度成典型的线性关系，相关系数均在0.99以上。通过回归分析，得出在用水量为160kg/m3时，混凝土密度与骨料密度的关系式为12：y=0.744+330 (2.11)相关系数r=0.9999式中:y混凝土的密度(kg/m3);x骨料

47、的密度(kg/m3)。 该公式揭示了混凝土密度与骨料密度之间的关系，如果选择密度值相同的粗骨料和细骨料配制重晶石混凝土，则粗、细骨料的密度值应至少为值或接近值才能配制出密度为y的混凝土。混凝土密度与骨料密度之间的关系可根据表26选择12。表2.6不同表观密度混凝土对骨料表观密度要求混凝土设计表观密度（kg/m3）3000310032003300340035003600骨料要求表观密度（kg/m3)3400 3600350037003600380038004000400042004200430043004400 (2)水灰比 由于重晶石性易碎，混凝土的破坏一般首先是粗骨料破坏，难以配制出高度等级

48、的重晶石防辐射混凝土，重晶石强度等级一般为C20C40，在这个强度等级范围内，灰水比与混凝土强度的线性关系较好，因此采用Bolomy公式计水灰比，灰水比与混凝土强度之间的关系可近似地用线性公式表示13: fbcn,o=afce(CW-b) (2.12) 式中: CW混凝土水灰比; fbcn,o重晶石防辐射混凝土配制强度(MPa); fce水泥28d抗压强度实测值(MPa); a，b经验系数，其与骨料的品种、水泥品种和施工工艺等因素有关。根据本试室的试验，分别采用湖南、广西两个省份不同矿产的重晶石碎石和重晶石砂，实验室配制105组重晶石混凝土，采用有效数据进行线性回归计算，见图2.113。 图2

49、.1 灰水比和强度关系 根据线性回归结果，本试验数据回归得到的直线相关系数r=0.9392，证明水比与强度具有较好的线性相关性，由相关分析得出，a=0.50，b=0.35 因此，重晶石防辐射混凝土的水灰比可按照下式计算:13 WC=0.50fcefbcn,o+0.500.35fce (2.13) (3)用水量 重晶石防辐射混凝土的表观密度比普通混凝土大得多，由公式(2.14)可以得13: T=30-（1-w)nK (2.14) 当坍落度相同时，表观密度p变大，则单位用水量W变小。试验表明，在最大粗骨料粒径，相同级配的情况下，达到相同坍落度时，重晶石防辐射混的单位用水量比普通混凝土要小5kg/m

50、3左右。根据相关资料的用水量曲线，存在同样的关系。根据这一规律，重晶石防辐射混凝土用水量的选择可以参考普通混凝土的用水量选择，达到相同坍落度时，用水量选择比普通混凝土小5kg/m3。掺用外加剂时，用水量应按下式作相应调整13:mwa=mwo(1-) (2.15)式中: mwa掺外加剂混凝土单位用水量(kg); mwo不掺外加剂混凝土位用水量(kg); 外加剂的减水率(%)。 确定每立方米混凝土用水量后，可由公式(2.16)计算出每立方米混凝土的用量13。 C=WWC (2.16) (4)砂率 砂率主要影响混凝土的工作性，重晶石防辐射混凝土用骨料多为人工破碎而成，颗粒外型多棱角、表面粗糙，其粒径

51、和结构趋向于形成干硬性的拌合物，混凝土表观密度表大，其砂率也相应变大。试验表明，同条件下，重晶石防辐射混凝土的砂率选择比普通混凝土的砂率大3%一5%左右，因此，以普通混凝土为基础，在普通混凝土砂率的基础上，增加3%一5%左右的砂率，得出重晶石防辐射混凝土的合理推荐砂率。3.重晶石防辐射混凝土配合比设计计算(1)粗细骨料总用量计算 确定混凝土水灰比、用水量和砂率后，我国普通混凝土配合比设计规程规定，可以采用重量法和体积法进行粗骨料和细骨料用量的计算。 为确定采用重量法配制出的表观密度是否符合设计要求的表观密度，试验采用广西桂林产灰色重晶石粗细骨料，通过保持用水量与水泥用量不变，改变重晶石粗细骨料

52、的用量，从而改变重晶石防辐射混凝上的假定表观密度，测试配制混凝土的表观密度、坍落度和抗压强度。试验结果见图2.212. 图2.2 假定表观密度与表观密度关系从图2.2巧可以看出，随着假定表观密度变大，实测表观密度只在一个很小的范围内变化，说明同一种材料，难以配制出任意要求表观密度的混凝土。由公式（2.12），当重晶石骨料密度为4000kg/m3，计算得出配制的重晶石混凝土表观密度为33O6kg/m3，实测得出表观密度为33003400kg/m3，与计算得到的表观密度相符且略大，设计偏于安全。从图2.2还可以看出，随着水灰比的增大，重晶石混凝土实测表观密度减小。因此，当根据公式（2.12）计算，

53、选定合适表观密度的重晶石原材料，可以采用重量法计算粗细骨料的用量。(2)混合骨料表观密度计算 重晶石防辐射混凝土除采用重晶石粗细骨料，还可以掺加一部分普通砂石骨料。当设计要求的重晶石混凝土表观密度较低，而选择的重晶石原材料表观密度较大时，掺加普通砂石骨料是一个很好的选择。如何确定普通砂石骨料的掺量呢?回归拟合公式2.12表述了骨料表观密度与混凝上表观密度的关系，为了满足设计密度Y的要求，可以采用密度值刚好为X的骨料单一品种，然而，实际应用中可以使用混合骨料。当使用两种或两种以上混合骨料时，可以将X值理解为混合骨料的加权表观密度，根据公式(2.17)计算13。 X=混=12.na11+a22+.

54、ann (2.17)式中，a1、a2、an为混凝土骨料组分1、2、n的质量分数;1、2、3为混凝土骨料组分1、2、n的表观密度值。式(2.17)中，质量分数的确定应考虑设计混凝土密度值大小、各骨料密度值大小以及重晶石防辐射混凝土和易性等因素，并遵循粗细骨料混合物密度之差越小越好的原则。n种骨料混合时，可先假定粗细骨料中(n-1)种组分的质量分数已知，通过公式(2.17)计算出其它组分的质量分数，从而确定各组分的用量。4.重晶石防辐射混凝土配合比试配、调整与确定按计算的配合比进行试配时，首先应进行试拌，以检查拌合物的性能。当试拌得出的混凝土拌合物表观密度实测值或工作性不能满足设计配合比的要求，应

55、在保证水灰比不变的条件下相应调整砂率、粗细骨料各组分的用量、掺和料用量和用水量，直到符合设计要求为止。5.重晶石防辐射混凝土配合比设计方法验证配制密度为350kgm3的重晶石防辐射混凝土，强度等级为C30，坍落度50mm70mm14.配合比具体计算:(1)计算应选骨料的密度由公式(2.11)，设计表观密度为3500kg/m3，有:3500=0.744x+330X=4261(2)选择合适的骨料品种根据所计算的表观密度，选择湖南衡阳产的重晶石骨料，根据试验，重晶石粗骨料表观密度为4380kg/m3;细骨料表观密度为4220kg/m3。(3)计算水灰比配制强度:fcu,o=30+l.645=30+l

56、.645X5.0=38.2MPa WC=0.50fcefbcn,o+0.500.35fce = 0.5048.038.2+0.500.3548.0=0.52(4)选用用水量并计算水泥用量要求坍落度为50mm70mm，普通混凝土用水量要求180kg/m3,计算C=546kg/m3。(5)选取砂率，计算每立方米粗细骨料总用量砂率选择在普通混凝土所用砂率的基础上增加3% 5%，选择砂率Sp=38%，则粗细骨料所占骨料质量分数分别为:a1=62%，a2=38%。由公式(2.17)，得:X=438042200.624380+0.384220=4279kgm3所选粗细骨料混合物加权表观密度与计算得出表观密

57、度相差较小，可以配制出所要求表观密度的防辐射混凝土，砂率选择也较合理。(6)根据重量法计算粗细骨料用量S+G+180+346=3500SP=SS+G=38%解得：S=1130kg/m3 ,G=1844kg/m3。计算配合比为:W=180kg/m3;C=346kg/m3;S=1230 kg/m3;G=1844kg/m3。(7)试配与调整根据计算配合比进行试配，试拌后混凝土的粘聚性和保水性较好，坍落度T=34mm，表观密度p=3530kgm3。根据试验结果，坍落度比设计要求小，可能由于重晶石粗细骨料中含有一定量的重晶石粉，使得重晶石的需水量增加，坍落度减小。因此，根据设计要求进行调整，保持水灰比不变，每立方米增加用水量10kg，调整后的配合比为:w=190kg/m3;C=365kg/m3;s=1130kg/m3;G=1844kg/m3。用调整后的配合比重新进行试配，试拌后混凝土粘聚性和保水性较好，坍落度T=52mm，表观密度p=3510kg/m3，满足设计要求。配合比验配证试验表明，试验室试配测