CN101921093A - 一种基于环保型功能集料的高匀质性防辐射混凝土 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于环保功能集料的高匀质性防辐射混凝土，它由水、胶凝材料、细集料、粗集料、增粘剂、减水剂和纤维组成，胶凝材料由水泥和矿物掺合料组成，矿物掺合料由硅灰和粉煤灰组成，纤维为聚丙烯纤维，各组分的配比为：水：140-160kg/m3；水泥：300-500kg/m3；硅灰：20-60kg/m3；粉煤灰：30-70kg/m3；细集料700-800kg/m3；粗集料1000-1300kg/m3；增粘剂0.35-1.9kg/m3；减水剂2.1-7.5kg/m3；聚丙烯纤维0.6-1.0kg/m3。其分层度可降至0.05，流变性能、强度性能和耐久性能优良；可资源化利用含重金属的城市淤泥、污泥或工业废弃物。

Description

一种基于环保型功能集料的高匀质性防辐射混凝土
技术领域
本发明属于辐射屏蔽建材领域，具体涉及一种基于环保型功能集料的高匀质性防辐射混凝土。
背景技术
核能作为一种成熟、清洁、安全和有竞争力的技术，在21世纪及未来将对人类可持续发展做出重大贡献。在核能源利用的快速发展中，用于屏蔽核反应堆带来的X，γ等射线的防辐射混凝土也需要进一步研究其发展，优化其性能。本发明使用以城市淤泥、污泥或工业淤泥为原材料的环保型功能集料，在资源化利用了淤污泥的同时，优化防辐射混凝土的性能。匀质性是评价的混凝土性能的一个重要指标。外加剂的使用降低了混凝土的水胶比，改善了混凝土的流动性，但是混凝土流动性的增加常常导致匀质性的下降，各种组分之间的相容性不良问题也加重了匀质性不良的趋势，从而影响工程质量和工程寿命。
混凝土的匀质性是指不同单位体积混凝土之间各组分分布的均匀程度。匀质性对于混凝土的各项性能等都有着较大影响。匀质性不良的混凝土往往出现离析、泌水、集料分层等现象。
在防辐射混凝土设计中，一些表观密度较大的天然矿石：重晶石、蛇纹石、赤铁矿、磁铁矿等，凭借其优良的射线屏蔽性能，被国内外学者普遍用来作为混凝土的粗细骨料。然而，这些天然矿石集料的表观密度(3.0～5.0×103kg/m3)都较基相水泥砂浆的表观密度(2.6～3.0×103kg/m3)偏大。由于这两种组分表观密度的差异，表观密度较高的集料则存在较强的下沉趋势。在混凝土浇筑振捣过程中，如果水泥浆体的黏度控制不好，将导致水泥浆体和集料严重分层，这也是普遍存在于防辐射混凝土配合比设计和施工中的一个技术难题。防辐射混凝土的匀质性不良，将出现如下的问题：第一，防辐射混凝土承担着屏蔽射线的重要责任，若混凝土匀质性不良，集料分层较为严重，使混凝土开裂倾向增大，并且骨料分布不均将导致混凝土出现较多气穴、微孔、界面裂缝等缺陷，从而使防辐射混凝土的防辐射性能不能达到预期的屏蔽效果；第二，混凝土的匀质性不良将导致混凝土硬化后其结构呈现出微观和宏观上的不均匀，不仅降低混凝土的力学性能，也给混凝土的耐久性能带来不良影响。
发明内容
针对防辐射混凝土普遍存在的匀质性不良的问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于环保功能集料的高匀质性防辐射混凝土，从而保证该高匀质性防辐射混凝土的屏蔽能力和耐久性能。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于环保功能集料的高匀质性防辐射混凝土，其特征在于：它由水、胶凝材料、细集料、粗集料、增粘剂、减水剂和纤维组成，胶凝材料由水泥和矿物掺合料组成，矿物掺合料由硅灰和粉煤灰组成，纤维为聚丙烯纤维，各组分的配比为：水：140-160kg/m3；水泥：300-500kg/m3；硅灰：20-60kg/m3；粉煤灰：30-70kg/m3；细集料700-800kg/m3；粗集料1000-1300kg/m3；增粘剂0.35-1.9kg/m3；减水剂2.1-7.5kg/m3；聚丙烯纤维0.6-1.0kg/m3；
所述的粗集料为环保型功能集料和重晶石，环保型功能集料与重晶石的掺配质量比例为1∶1.0～5.0，所述粗集料为5～31.5mm连续级配，所述环保型功能集料的表观密度2100～2800kg/m3，吸水率1.0％～5.0％，压碎值指标6％～16％，所述重晶石的表观密度3800～4200kg/m3；
所述的细集料为环保型功能集料和铅粉，环保型功能集料与铅粉的掺配质量比例为1∶0.2～3.0，所述细集料细度模数2.5～3.5，所述环保型功能集料的表观密度2100～2800kg/m3。
按上述方案，所述的粗集料为环保型功能集料和重晶石，环保型功能集料和重晶石的掺配质量比例为1∶3.5-5。
按上述方案，所述水与胶凝材料的质量配比为0.25-0.35∶1。
按上述方案，所述硅灰占胶凝材料的质量百分数为5％-9％。
按上述方案，所述的水泥为为具有防辐射性能的水泥和普通硅酸盐水泥，具有防辐射性能的水泥与普通硅酸盐水泥的掺配质量比例为1～5∶1，所述具有防辐射性能的水泥为钡水泥或锶水泥。
按上述方案，所述的减水剂为聚羧酸系高效减水剂。
按上述方案，所述的增粘剂为甲基纤维素醚。
按上述方案，所述的环保型功能集料是由主料和辅料混合均匀，在高温炉中进行阶梯式煅烧，然后煅烧完毕后随炉冷却，得到环保型功能集料；各原料所占质量份数为：主料100份、辅料2～10份；
所述的主料为城市淤泥、污泥或工业废弃物中的一种；
所述的辅料为高岭土、粘土和偏高岭土中的一种。
按上述方案，所述的城市淤泥、污泥为城市河道、湖泊淤泥或生活淤泥以及废水处理厂污泥中的一种；所述的工业废弃物为钢铁厂、印刷厂、造纸厂、化工厂等工业厂污水处理后的废弃物中的一种。
按上述方案，所述的阶梯式煅烧的阶梯式煅烧制度为：由室温加热至105℃保温20min～40min，在450℃保温20min～45min，在850℃保温20min～30min，在1100℃～1200℃保温40min，其中各阶段的升温速率不得高于10℃/min。
上述基于环保型功能集料的高匀质性防辐射混凝土的制备方法：根据原料配比选取原料，将胶凝材料、粗集料、细集料和纤维倒入混凝土搅拌机中干拌30～60s，再加入减水剂、增粘剂和水，继续拌合50～120s，即得基于环保型功能集料的高匀质性防辐射混凝土。
本发明使用两种不同密度的粗集料：密度高于基相水泥砂浆的天然矿石集料和密度低于基相水泥砂浆且兼具屏蔽性能的环保型功能集料，通过优化两者的掺配比例，使之形成有效的集料干涉作用：即密度相对较高的天然矿石向下运动，密度相对较低的环保型功能集料向上运动，这两种不同集料产生碰撞，使集料的总动量显著下降，从而在一定程度上大大降低了两种集料的运动速率，使得高密度天然矿石的分层和环保型功能集料的分层程度都得到了降低；在此同时优化混凝土中水和胶凝材料的质量配比，通过优化水胶比调整拌合后的混凝土流动性、集料包裹性能；同时掺加增粘剂、硅灰、聚丙烯纤维组分，并优化其掺加量，从而在一定范围内增大混凝土的黏度、减小集料上下运动趋势，提高混凝土的匀质性。由此，制备得到匀质性良好的混凝土，并同时也保证了该混凝土的防辐射性能和耐久性能。
本发明的有益效果：
(1)本发明所提供的基于环保型功能集料的高匀质性防辐射混凝土分层度可降至0.05，流变性能、强度性能和耐久性能优良(见表1)；
(2)本发明使用环保型防辐射功能集料作为粗细集料原料，可以资源化利用含重金属的城市淤泥、污泥或工业废弃物等。
表1防辐射混凝土的性能指标
Figure BDA0000024694770000031
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面通过实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1-3：环保型功能集料的制备
实施例1
根据表2中原料的配比，取100份(质量)城市某化工厂污水处理后的废弃物作主料，加入2份(质量)高岭土作辅料，混合均匀，于高温炉中进行阶梯式煅烧，阶梯式煅烧的煅烧制度为(见表3)：105℃保温40min，在450℃保温45min，在850℃保温30min，在1200℃保温40min，其中各阶段的升温速率不得高于10℃/min，煅烧完毕后随炉冷却即得环保型功能集料，测定其物理性能见表4，其TCLP值见表5。
表2各实施例中各环保型功能集料中原料的配比
Figure BDA0000024694770000032
Figure BDA0000024694770000041
表3各实施例中环保型功能集料的阶梯式煅烧制度
Figure BDA0000024694770000042
实施例2～3
参照实施例1的方法，根据表2中各原料的配比选取原料，按照表3中的阶梯式煅烧制度进行阶梯式煅烧，其中各阶段的升温速率不得高于10℃/min，煅烧完毕后随炉冷却即得环保型功能集料，测定其物理性能指标见表4，其TCLP值见表5。
表4各实施例中环保型功能集料的物理性能指标
Figure BDA0000024694770000043
表5各实施例中环保型功能集料的TCLP值
Figure BDA0000024694770000044
表4表明：实施例1-3得到的环保型功能集料的压碎值≤25％，吸水率为1～5％，表观密度为2100～2800kg/m3，筒压强度≥7.0MPa，物理性能优异。
表5表明：实施例1-3得到的环保型功能集料中各重金属危害组分的TCLP值均明显小于允许值，满足TCLP指标要求。
实施例4-11：一种基于环保型功能集料的高匀质性防辐射混凝土的制备
下述实施例4-11中：
所述的硅灰密度2.0g/cm3～2.4g/cm3，平均粒径为0.16μm～0.19μm，所述的粉煤灰密度0.8g/cm3～1.1g/cm3。
所述的聚丙烯纤维长16mm～24mm，直径40um～50um，断裂强度220MPa～280MPa。
所述的减水剂为聚羧酸系高效减水剂。
所述的增粘剂为甲基纤维素醚。
使用专利号ZL 200720086777.X公开的一种轻集料混凝土流变性能和均质性的检测装置测定该混凝土的分层度，从而评价该防辐射混凝土的匀质性[1][2]。
实施例4
表6实施例4的高匀质性防辐射混凝土中各原料的配合比
Figure BDA0000024694770000051
实施例4中：所述的水泥为钡水泥和低热硅酸盐水泥，钡水泥和低热硅酸盐水泥的掺配质量比例为5∶1；细集料为实施例1制备得到的环保型功能集料和铅粉，掺配质量比例为1∶3，细度模数为2.5～3.5；所述的粗集料为实施例1制备得到的环保型功能集料和重晶石，其掺配质量比例为1∶3，其中所述重晶石的表观密度3800～4200kg/m3，所述粗集料为5～31.5mm连续级配。
按照表6中的原料配比选取原料，将胶凝材料、粗集料、细集料和纤维倒入混凝土搅拌机中干拌30～60s，再加入减水剂、增粘剂和水，继续拌合50～120s，即得基于环保型功能集料的高匀质性防辐射混凝土。其物理性能技术指标列于表10，其对γ射线线性衰减系数及对中子射线总宏观截面列于表11。
实施例5
表7实施例5的高匀质性防辐射混凝土中各原料的配合比
Figure BDA0000024694770000052
实施例5中：所述的水泥为钡水泥和低热硅酸盐水泥，钡水泥和低热硅酸盐水泥的掺配质量比例为3∶1；细集料为实施例2制备得到的环保型功能集料和铅粉，其掺配质量比例为1∶2，细度模数为2.5～3.5；所述的粗集料为实施例1制备得到的环保型功能集料和重晶石，其掺配质量比例为1∶1.5，其中所述重晶石的表观密度3800～4200kg/m3，所述粗集料为5～31.5mm连续级配。
按照表7中的原料配比选取原料，将胶凝材料、粗集料、细集料和纤维倒入混凝土搅拌机中干拌30～60s，再加入减水剂、增粘剂和水，继续拌合50～120s，即得基于环保型功能集料的高匀质性防辐射混凝土。其物理性能技术指标列于表10，其对γ射线线性衰减系数及对中子射线总宏观截面列于表11。
实施例6
表8实施例6的高匀质性防辐射混凝土中各原料的配合比
实施例6中：所述的水泥为钡水泥和低热硅酸盐水泥，钡水泥和低热硅酸盐水泥的掺配质量比例为2∶1；细集料为实施例3制备得到的环保型功能集料和铅粉，其掺配质量比例为1∶1，细度模数为2.5～3.5；所述的粗集料为实施例3制备得到的环保型功能集料和重晶石，其掺配质量比例为1∶1.2，其中所述重晶石的表观密度3800～4200kg/m3，所述粗集料为5～31.5mm连续级配。
按照表8中的原料配比选取原料，将胶凝材料、粗集料、细集料和纤维倒入混凝土搅拌机中干拌30～60s，再加入减水剂、增粘剂和水，继续拌合50～120s，即得基于环保型功能集料的高匀质性防辐射混凝土。其物理性能技术指标列于表10，其对γ射线线性衰减系数及对中子射线总宏观截面列于表11。
实施例7
表9实施例7的高匀质性防辐射混凝土中各原料的配合比
Figure BDA0000024694770000062
实施例7中：所述的水泥为钡水泥和低热硅酸盐水泥，钡水泥和低热硅酸盐水泥的掺配质量比例为1∶1；细集料为实施例3制备得到的环保型功能集料和铅粉，掺配质量比例为1∶5，细度模数为2.5～3.5；所述的粗集料为实施例3制备得到的环保型功能集料和重晶石，其掺配质量比例为1∶2，其中所述重晶石的表观密度3800～4200kg/m3，所述粗集料为5～31.5mm连续级配。
按照表9中的原料配比选取原料，将胶凝材料、粗集料、细集料和纤维倒入混凝土搅拌机中干拌30～60s，再加入减水剂、增粘剂和水，继续拌合50～120s，即得基于环保型功能集料的高匀质性防辐射混凝土。其物理性能技术指标列于表10，其对γ射线线性衰减系数及对中子射线总宏观截面列于表11。
实施例8
与实施例4相比，其不同之处仅在于：所述的粗集料为实施例1制备得到的环保型功能集料和重晶石，其掺配质量比例为1∶4。
实施例9
与实施例4相比，其不同之处仅在于：所述的粗集料为实施例1制备得到的环保型功能集料和重晶石，其掺配质量比例为1∶5。
实施例10
与实施例6相比，其不同之处仅在于：所述混凝土中硅灰的含量为30kg/m3。
实施例11
与实施例7相比，其不同之处仅在于：所述的水和胶材料的质量比为0.325，即水的掺加量为140kg/m3。
表10实施例4～11制备得到的防辐射混凝土的技术指标
Figure BDA0000024694770000071
表11实施例4～11中的防辐射混凝土的γ射线线性衰减系数及对中子射线总宏观截面(cm-1)
Figure BDA0000024694770000072
Figure BDA0000024694770000081
(*：中子数据A.S.MAKARIOUS，I.I.BASHTERZ，A.EL-SAVED ABDO M.SAMIR ABDEL AZIMand W.A.KANSOUH，On the utilization of heavy concrete for radiation shielding.Ann.Nucl.Energy Vol.23，No.3，195-206，1996；γ射线数据Faculty of Science，Zagazig University，Zagazig，Egypt.calculation of radiationattention coefficients for shielding concretes.Ann.Nucl.Eherev.Vol.24，No.17，1389-1401.1997)。
表10说明：按照本发明制备的基于环保型功能集料的高匀质性防辐射混凝土的各项物理性能良好，匀质性高，具有优异的工作性能。
表11说明：按照本发明制备的基于环保型功能集料的高匀质性防辐射混凝土的屏蔽性能可达到国外性能指标，具有良好的屏蔽性能。
本发明所列举的各具体原料，以及各原料的上下限、区间取值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。
参考文献：
[1]：丁庆军，邹定华，王发洲等.次轻混凝土匀质性影响因素研究[J].混凝土，2005，8：57-61.
[2]：王发洲，丁庆军，胡曙光，等.一种轻集料混凝土流变性能和均质性的检测装置[P].中国，ZL 200720086777.X，2008-08-06..

Claims (10)

1.一种基于环保功能集料的高匀质性防辐射混凝土，其特征在于：它由水、胶凝材料、细集料、粗集料、增粘剂、减水剂和纤维组成，胶凝材料由水泥和矿物掺合料组成，矿物掺合料由硅灰和粉煤灰组成，纤维为聚丙烯纤维，各组分的配比为：水：140-160kg/m3；水泥：300-500kg/m3；硅灰：20-60kg/m3；粉煤灰：30-70kg/m3；细集料700-800kg/m3；粗集料1000-1300kg/m3；增粘剂0.35-1.9kg/m3；减水剂2.1-7.5kg/m3；聚丙烯纤维0.6-1.0kg/m3；
所述的粗集料为环保型功能集料和重晶石，环保型功能集料与重晶石的掺配质量比例为1∶1.0～5.0，所述粗集料为5～31.5mm连续级配，所述环保型功能集料的表观密度2100～2800kg/m3，吸水率1.0％～5.0％，压碎值指标6％～16％，所述重晶石的表观密度3800～4200kg/m3；
所述的细集料为环保型功能集料和铅粉，环保型功能集料与铅粉的掺配质量比例为1∶0.2～3.0，所述细集料细度模数2.5～3.5，所述环保型功能集料的表观密度2100～2800kg/m3。
2.根据权利要求1所述的基于环保功能集料的高匀质性防辐射混凝土，其特征在于：所述的粗集料为环保型功能集料和重晶石，环保型功能集料和重晶石的掺配质量比例为1∶3.5-5。
3.根据权利要求1所述的基于环保功能集料的高匀质性防辐射混凝土，其特征在于：所述水与胶凝材料的质量配比为0.25-0.35∶1。
4.根据权利要求1所述的基于环保功能集料的高匀质性防辐射混凝土，其特征在于：所述硅灰占胶凝材料的质量百分数为5％-9％。
5.根据权利要求1所述的基于环保功能集料的高匀质性防辐射混凝土，其特征在于：所述的水泥为为具有防辐射性能的水泥和普通硅酸盐水泥，具有防辐射性能的水泥与普通硅酸盐水泥的掺配质量比例为1～5∶1；所述具有防辐射性能的水泥为钡水泥或锶水泥。
6.根据权利要求1所述的基于环保功能集料的高匀质性防辐射混凝土，其特征在于：所述的减水剂为聚羧酸系高效减水剂。
7.根据权利要求1所述的基于环保功能集料的高匀质性防辐射混凝土，其特征在于：所述的增粘剂为甲基纤维素醚。
8.根据权利要求1所述的基于环保功能集料的高匀质性防辐射混凝土，其特征在于：所述的环保型功能集料是由主料和辅料混合均匀，在高温炉中进行阶梯式煅烧，然后煅烧完毕后随炉冷却，得到环保型功能集料；各原料所占质量份数为：主料100份、辅料2～10份；
所述的主料为城市淤泥、污泥或工业废弃物中的一种；
所述的辅料为高岭土、粘土和偏高岭土中的一种。
9.根据权利要求8所述的基于环保功能集料的高匀质性防辐射混凝土，其特征在于：所述的城市淤泥、污泥为城市河道、湖泊淤泥或生活淤泥以及废水处理厂污泥中的一种；所述的工业废弃物为钢铁厂、印刷厂、造纸厂、化工厂等工业厂污水处理后的废弃物中的一种。
10.根据权利要求8所述的基于环保功能集料的高匀质性防辐射混凝土，其特征在于：所述阶梯式煅烧的阶梯式煅烧制度为：由室温加热至在105℃保温20min～40min，在450℃保温20min～45min，在850℃保温20min～30min，在1100℃～1200℃保温40min，其中各阶段的升温速率不得高于10℃/min。
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