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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(cái)，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(jí)配不良、壓碎值偏大等特性，設(shè)計(jì)并配制了滿足表觀密度等級(jí) 3 級(jí)、4 級(jí)要求，強(qiáng)度等級(jí)為 C40～C50 的重晶石防輻射混凝土。并且通過優(yōu)化骨料級(jí)配，提高了混凝土抗壓強(qiáng)度及耐久性能。

［關(guān)鍵詞］重晶石；防輻射混凝土；顆粒級(jí)配；表觀密度

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量核電項(xiàng)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(duì)人類的生活造成了威脅^[1]。為防止射線對(duì)人體的傷害，在建造有輻射的建筑時(shí)，必須設(shè)置防護(hù)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(hù)對(duì)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(hù)混凝土、核反應(yīng)堆混凝土等，是目前使用最為廣泛、經(jīng)濟(jì)的防輻射材料。本研究通過對(duì)重晶石防輻射混凝土的制備及性能測(cè)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(duì)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(jì)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(shí)又要求具有普通混凝土拌合物高流動(dòng)性、黏聚性，不出現(xiàn)泌水和離析現(xiàn)象等和易性好的特點(diǎn)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和相關(guān)文獻(xiàn)，重晶石混凝土強(qiáng)度一般可到C40，由于重晶石物理特性，其壓碎值與堅(jiān)固性都比普通骨料差，重晶石混凝土高于C40強(qiáng)度等級(jí)較難達(dá)到。通過摻入普通骨料，優(yōu)化骨料級(jí)配、調(diào)整配合比設(shè)計(jì)，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(qiáng)度，在滿足混凝土強(qiáng)度與性能基礎(chǔ)上，盡可能滿足經(jīng)濟(jì)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(qiáng)度30.5MPa，28天抗壓強(qiáng)度51.6MPa。

（2）粉煤灰：保定大唐電廠F類Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度24.0%，燒失量3.5%。

（3）礦粉：選用平山敬業(yè)S95級(jí)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(yàn)選用兩個(gè)不同廠家的重晶石骨料進(jìn)行比對(duì)，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(jí)配往往不是很理想，因此在其自身級(jí)配基礎(chǔ)上需要和其他骨料以不同的比例混合來達(dá)到最優(yōu)級(jí)配要求。同時(shí)重晶石價(jià)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(shí)嘗試摻入普通骨料，以達(dá)到降本目的，又能使混凝土達(dá)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(jí)配優(yōu)化方案

通過試驗(yàn)得知，重晶石砂本身級(jí)配不良，晶體狀節(jié)理明顯，且壓碎值指標(biāo)較高，需要對(duì)其物理指標(biāo)干預(yù)調(diào)整，放棄將之全部用作細(xì)骨料進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)的思路。經(jīng)過比對(duì)試驗(yàn)，確定出兩種普通細(xì)骨料與重晶石砂的最優(yōu)摻配比例，使其顆粒級(jí)配能夠達(dá)到Ⅱ區(qū)中砂，0.315mm以下顆粒含量高于15%，達(dá)到理想狀態(tài)。適宜用作泵送混凝土生產(chǎn)；通過試驗(yàn)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(jí)配達(dá)到相對(duì)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(jì)思路及試驗(yàn)方法

重晶石防輻射混凝土的設(shè)計(jì)方法遵循JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)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(cuò)綜復(fù)雜，甚至有時(shí)候?qū)炷劣凶悦軐?shí)性能要求，本次設(shè)計(jì)坍落度較大，達(dá)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(jì)時(shí)要采用絕對(duì)體積法。最后通過混凝土拌合物容重實(shí)測(cè)進(jìn)行校核。

重晶石防輻射混凝土的工作性能試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 50557—2010《重晶石防輻射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》進(jìn)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(yàn)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(jí)配，能夠改善混凝土的和易性，但是會(huì)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(jí)4級(jí)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(shí)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(kuò)展度等性能指標(biāo)隨單方膠材用量呈正向發(fā)展趨勢(shì)。

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

由表9、10可知，單獨(dú)優(yōu)化細(xì)骨料或者粗細(xì)骨料同時(shí)優(yōu)化，混凝土可以正常達(dá)到C40配制強(qiáng)度。但是達(dá)到C50配制強(qiáng)度就需要粗細(xì)骨料同時(shí)進(jìn)行顆粒級(jí)配及壓碎值的優(yōu)化，否則C50混凝土抗壓強(qiáng)度在C45～C50之間出現(xiàn)增長遲滯，強(qiáng)度實(shí)測(cè)值較設(shè)計(jì)值偏低10%。鐵礦砂的加入改善了混凝土的和易性，對(duì)其強(qiáng)度增長也有明顯貢獻(xiàn)。通過試驗(yàn)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(xì)骨料級(jí)配，可以配制出C45強(qiáng)度等級(jí)的4級(jí)表觀密度重晶石防輻射混凝土。通過加入鐵礦砂優(yōu)化細(xì)骨料級(jí)配，在粗骨料級(jí)配良好時(shí)候，可以配制出C50強(qiáng)度等級(jí)的3級(jí)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(cè)

對(duì)上述試驗(yàn)組分別進(jìn)行了抗碳化性能試驗(yàn)和抗水滲透性能試驗(yàn)。通過驗(yàn)證，試驗(yàn)組采用逐級(jí)加壓法進(jìn)行試驗(yàn)，全部試件達(dá)到0.8MPa壓力均未出現(xiàn)滲水?？固蓟阅軝z測(cè)SP01～SP16組碳化性能符合T-Ⅳ技術(shù)要求。粗細(xì)骨料同時(shí)優(yōu)化的試驗(yàn)組碳化值小于僅優(yōu)化細(xì)骨料的試驗(yàn)組。鐵礦砂試驗(yàn)組碳化值小于其他試驗(yàn)組。結(jié)果表明，通過級(jí)配的調(diào)整，可在一定程度上增加混凝土密實(shí)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(yàn)在重晶石骨料原有級(jí)配不良的情況下，添加普通骨料調(diào)整級(jí)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(jí)配、調(diào)整配合比設(shè)計(jì)，打破了重晶石混凝土強(qiáng)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(jì)并配制了強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C50的混凝土，并且可以滿足密度等級(jí)3級(jí)要求。并提高了混凝土抗壓強(qiáng)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(fù)荷，實(shí)現(xiàn)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益相統(tǒng)一。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫蓓，焦楚杰．防輻射混凝土的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[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(yàn)與研究，2015,28．

供稿人：程國財(cái)，張萌

編輯員：李海亮

審核人：孫繼成，寧夏

【標(biāo)準(zhǔn)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(tuán)標(biāo)

《砂漿和混凝土用石屑》團(tuán)標(biāo)

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

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