CN101767968A - 高性能辐射屏蔽混凝土材料 - Google Patents
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Abstract
一种高性能辐射屏蔽混凝土材料，属于建筑材料技术领域。其特征是由硅酸盐水泥、富含结晶水岩石骨料、水等混合而成。该辐射屏蔽混凝土采用了富含结晶水岩石作为混凝土的粗、细骨料，其结晶水含量范围为6％-14％，因此辐射屏蔽混凝土结晶水含量较高(水分含量为13.7wt％)，具有较好的中子屏蔽能力。通过改变辐射屏蔽混凝土的密度可制成屏蔽中子射线的屏蔽混凝土、屏蔽γ射线的屏蔽混凝土及屏蔽中子射线同时又能屏蔽γ射线屏蔽混凝土。本发明的效果和益处是解决了普通混凝土水泥用量过大和高性能混凝土耐久性差的问题。该辐射屏蔽混凝土适用于制作核反应堆的内外壳以及核废料的固化处理。
Description
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，涉及到高性能辐射屏蔽混凝土材料，特别涉及到制作核反应堆的内外壳以及核废料的固化处理。
背景技术
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。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废料。
防辐射混凝土一般要防止的是α、β、γ、X射线和中子流。由于α、β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γ射线和中子射线的屏蔽。因此，防护问题主要归结为对γ射线和中子射线的防护。而γ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γ射线，含轻元素的化合物它能有效捕捉中子且不形成二次γ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。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高性能的辐射屏蔽混凝土，通过改变其配合比的设计，配制出不同密度的混凝土，来达到屏蔽γ射线、中子射线的屏蔽混凝土的要求。因为含轻元素的化合物它能有效捕捉中子且不形成二次γ射线，射线屏蔽作用较好，辐射屏蔽用混凝土中的结晶水含量直接影响其中子屏蔽性能。为了提高混凝土中的结晶水含量，本发明利用富含结晶水的岩石材料作为混凝土的粗、细骨料，提高了混凝土中结晶水的含量，其水分含量为13.7wt％，增强了该混凝土的中子屏蔽性能。解决了普通混凝土水泥用量过大和高性能混凝土耐久性差的问题。
本发明采用的技术方案是：
(1)利用富含结晶水的岩石作为粗、细骨料。其结晶水的含量范围为6％-14％。
(2)①用于屏蔽γ射线的屏蔽混凝土：其密度为3300kg/m3，其配合比为：水泥∶水∶富含结晶水的细骨料∶富含结晶水的粗骨料＝1∶0.699∶4.541∶5.101(kg/m3)。
②用于屏蔽中子射线的屏蔽混凝土：其密度为3000kg/m3，其配合比为：水泥∶水∶富含结晶水的细骨料∶富含结晶水的粗骨料＝1∶0.5∶2.26∶0.76(kg/m3)。
③用于既可屏蔽中子射线又能屏蔽γ射线的屏蔽混凝土：其密度为2450kg/m3，其配合比为：水泥∶水∶富含结晶水的细骨料∶富含结晶水的粗骨料＝1∶0.53∶2.26∶3.53(kg/m3)。
(3)通过对射线屏蔽的实际测试，表明所配制的防辐射混凝土对γ射线和中子射线均具良好的屏蔽效果。经辐照耐久性测试，累计计量：1×106Gy(戈雷)，结果表明其符合100年的设计标准。
本发明与普通混凝土相比，其防射线能力显著增强，对于同一γ源，要使其辐射强度衰减一半，对于普通混凝土4.24cm厚，而对与该高性能辐射屏蔽混凝土则只需4.9cm厚即可。根据中子射线屏蔽试验计算结果，如果把初始的中子射线当量降低到1/10，则两种混凝土的厚度分别为：普通混凝土：34cm；高性能辐射屏蔽混凝土：23cm。
本发明的效果和益处是：
因为传统混凝土的原材料都来自天然资源，每用1t水泥，大概需要0.6t以上的洁净水，2t砂、3t以上的石；每生产1t硅酸盐水泥约需1.5t石灰石和大量燃煤与电能，并排放1tCO2。该混凝土的厚度仅为普通混凝土的60％，可以节省原材料，极具有推广应用价值。
因为含轻元素的化合物它能有效捕捉中子且不形成二次γ射线，射线屏蔽作用较好，辐射屏蔽用混凝土中的结晶水含量直接影响其中子屏蔽性能。该混凝土利用富含结晶水的岩石材料作为混凝土的粗、细骨料，增加了混凝土的结晶水含量，因此有较好的中子屏蔽性能。通过改变其配合比的设计，配制出不同密度的混凝土，来达到屏蔽γ射线、中子射线的屏蔽混凝土的要求。可以满足不同施工目的的要求。
具体实施方式
以下结合技术方案详细叙述本发明的具体实施方式。
实施例
制备既能屏蔽中子射线又能屏蔽γ射线的混凝土：
硅酸盐水泥：523kg/m3
水：277kg/m3
砂子：1182kg/m3
石：1846kg/m3
表观密度：2450kg/m3
坍落度(mm)：20
粘聚性保水性：良好
力学性能测试结果：
抗压强度(MPa)：33.5(7天)；36.4(28天)
抗折强度(MPa)：4.2(7天)；5.2(28天)
劈裂抗拉强度(MPa)：3.61(28天)
轴心抗压(MPa)：31.5(28天)
静弹模量(MPa)：3.18×104(28天)
射线屏蔽测试结果：
上述组分混凝土对137Cs、60Co的半衰减层厚度Δ1/2和对Am-Be中子源中子射线的中子宏观分出截面的测试结果及普通混凝土半衰减层厚度Δ1/2、中子宏观分出截面进行了测试。
宽束γ射线半衰减层厚度(cm)：137Cs：4.5(实施例)；4.1(普通混凝土)。60Co：5.26(实施例)；6.1(普通混凝土)。
宽束中子宏观分出截面(cm-1)：0.1445(实施例)；0.089(普通混凝土)。
普通混凝土是指配方为水泥1、砂子2、碎石2、水0.5，有效原子序数18、密度2.3g/cm3的混凝土。
从测试结果可以看出，相同厚度的普通混凝土和高性能混凝土材料，其中子射线衰减率相差近一倍。
根据计算结果，如果把初始的中子射线当量降低到1/10，则两种混凝土的厚度分别为：
普通混凝土：34cm
高性能混凝土材料：23cm
因此利用本发明做中子屏蔽层，与普通混凝土相比，其厚度减少40％。
γ射线的测试结果高性能混凝土材料同样好于普通混凝土，要使射线强度衰减一半，高性能辐射屏蔽混凝土需用4.24cm，普通混凝土需要4.9cm。
Claims (1)
1.一种高性能辐射屏蔽混凝土材料，通过改变混凝土成分的配比，制成用于屏蔽中子射线的屏蔽混凝土、屏蔽γ射线的屏蔽混凝土及屏蔽中子射线同时又能屏蔽γ射线屏蔽混凝土，其特征在于：所述高性能辐射屏蔽混凝土材料包括下述配比成份：硅酸盐水泥、富含结晶水岩石、水；利用富含结晶水的岩石材料作为混凝土的粗、细骨料；富含结晶水岩石的结晶水含量范围为6％-14％。
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