CN102701613A - 一种防辐射水泥熟料矿物相体系的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种防辐射水泥熟料矿物相体系的制备方法，其步骤是：（1）配料：将各原料按配比混合均匀，并研磨至180目方孔筛筛余≤10%；（2）高温烧结：将步骤1中研磨后的粉末压制成圆柱状试块，置于刚玉坩埚内在重烧试验炉中高温煅烧1～3小时获得目的矿物相体系。所述的原料为碳酸钙、氧化铝和氧化硼，或是碳酸钙、氧化铝、氧化硼和氧化铁。通过本发明制备出的矿物相体系可吸收中子，降低水泥熟料制备过程中的热耗，促进水泥的正常凝结和硬化，提高水泥强度，并可抑制大体积混凝土裂纹的产生，提高混凝土耐久性。本发明方法工艺简单，易控制，适应大规模工业化生产。

Description

一种防辐射水泥熟料矿物相体系的制备方法
技术领域
本发明属于防辐射水泥材料制备领域，具体涉及一种防辐射水泥熟料矿物相体系的制备方法。
背景技术
目前国内外研发和使用的防辐射水泥主要有钡水泥、锶水泥、硼水泥。
钡水泥和锶水泥在矿物组成上是以氧化钡（BaO）、氧化锶（SrO）代替硅酸盐水泥中的氧化钙（CaO），形成以硅酸三钡（3BaO·SiO2）和硅酸三锶（3SrO·SiO2）为主要矿物的水硬性胶凝材料。其生产工艺过程与硅酸盐水泥基本相同，煅烧温度较高，达到1550℃以上。但钡水泥和锶水泥只能屏蔽γ、X射线，不能防中子。
中子射线是由不带电荷的微粒组成，通过物质时具有很强的穿透力，对人体产生的危害比相同剂量的γ、X射线更为严重，而且中子不可以通过增加防护材料的厚度来屏蔽其辐射，因此，对中子的防护成为当下防辐射研究的重点和难点。10B是天然硼的两种稳定同位素之一，丰度为19.78%，对热中子的吸收截面为3837靶，是防中子混凝土的50多倍。因此10B元素具有很强的吸收中子能力。
目前硼水泥的生产工艺是在优质高铝水泥熟料中加入适量硼镁石共同粉磨制得。这种水泥与含硼集料、重质集料可配制成比重较高的混凝土，因它具有较高的硼含量以及化学结晶水对快中子产生慢化效应的同时对热中子的吸收性能良好，适用于防护快中子和热中子的屏蔽工程。但含硼水泥是以天然硼镁石在回转窑中经800-1000℃煅烧成掺合料，大幅度增加了能耗；吸收中子时释放二次γ射线，会引起二次辐射。天然硼镁石能否适应长期的中子辐射而不膨胀，目前没有相关研究报道；在硅酸盐水泥中加入硼外加物会延缓水泥的凝结和硬化，降低水泥的强度，采用高铝水泥虽然能保证正常的凝结和硬化，但会导致大体积混凝土产生裂纹。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是在于提供了一种防辐射水泥熟料矿物相体系的制备方法，该方法简单，易操作，适合大规模工业化生产，本体系由铝酸三钙（Ca3Al2O6，简写为C3A）、硼酸三钙（Ca3B2O6）和物质X组成，其中物质X为三铝酸五钙（Ca5Al6O14）或铁铝酸四钙（C4AF），在本发明中B元素取代了Ca3Al2O6中的Al元素，在Ca3Al2O6晶胞中形成结构配位，占据Al原子的位置，生成了Ca3B2O6。Ca3B2O6的晶格中有足够的大于锂原子直径的空隙，10B俘获中子后生成的锂原子可以占据原10B原子的位置，晶格中的空隙也可以容纳氦气，故吸收中子后不会对材料造成肿胀性破坏。Ca3B2O6还可促进水泥的正常凝结和硬化，提高水泥强度，改善混凝土耐久性。同时Ca3B2O6和Ca5Al6O14的生成使水泥熟料的主要矿物由四元体系（硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙）转变为六元体系（硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、硼酸三钙、三铝酸五钙、铁铝酸四钙），有效降低了熟料矿物相的共熔点，从而降低了熟料烧成温度。
一种防辐射水泥熟料矿物相体系的制备方法，其步骤是：
1、配料：将各原料按配比混合均匀，并研磨至180目方孔筛筛余≤10%。
2、高温烧结：将步骤1中研磨后的粉末压制成圆柱状试块，置于刚玉坩埚内在重烧试验炉中高温煅烧1~3小时获得该矿物相体系。
步骤1中，所述的原料为碳酸钙（CaCO3）、氧化铝（Al2O3）和氧化硼（B2O3），或是碳酸钙（CaCO3）、氧化铝（Al2O3）、氧化硼（B2O3）和氧化铁（Fe2O3）。
当原料为碳酸钙、氧化铝和氧化硼时，碳酸钙:(氧化铝+氧化硼)摩尔比为3:1，其中氧化铝:氧化硼摩尔比为1:99～99:1；
当原料为碳酸钙、氧化铝、氧化硼和氧化铁时，碳酸钙:(氧化铝+氧化硼):氧化铁摩尔比为4:1:1，其中氧化铝:氧化硼摩尔比为1:99～99:1。
步骤2中，当原料为碳酸钙、氧化铝和氧化硼时，煅烧温度为1150～1350℃；
当原料为碳酸钙、氧化铝、氧化硼和氧化铁时，煅烧温度为1100～1300℃。
通过上述步骤，可获得组成为铝酸三钙（C3A）+硼酸三钙（Ca3B2O6）+三铝酸五钙（Ca5Al6O14）或铝酸三钙（C3A）+硼酸三钙（Ca3B2O6）+铁铝酸四钙（C4AF）的防辐射水泥熟料矿物相体系。
本发明的矿物相体系增加了水泥熟料中主要矿物的种类，可降低熟料矿物相的共熔点，从而降低烧成温度，减少能耗；而且用含有本发明矿物相体系的水泥熟料可制备出具有良好防中子能力的防辐射水泥。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明方法工艺简单，易控制，适应大规模工业化生产；
(2)由含有本发明矿物相体系的熟料所制备出的防辐射水泥，可吸收中子且不会对材料造成肿胀性破坏。
(3)Ca3B2O6和Ca5Al6O14的生成使水泥熟料的主要矿物由四元体系转变为六元体系，有效降低了熟料矿物相的共熔点，从而降低了能耗；
(4)本发明矿物相体系可促进水泥的正常凝结和硬化，提高水泥强度，并可抑制大体积混凝土裂纹的产生，提高混凝土耐久性。
具体实施方式
本发明方法以常见的化合物为原料，经过配料、高温烧结工艺，制得一种用于增强水泥吸收中子能力、促进水泥正常凝结和硬化、提高水泥熟料强度、降低水泥熟料制备热耗的矿物相体系。
为了更好的理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
一种防辐射水泥熟料矿物相体系的制备方法，其步骤是：
1、将CaCO3、Al2O3和B2O3按CaCO3:Al2O3:B2O3摩尔比为3:0.8:0.2混合均匀，并研磨至180目方孔筛筛余≤10%；
2、将研磨后的粉末压制成圆柱状试块，置于刚玉坩埚内在重烧试验炉中于1350℃煅烧1小时获得矿物相体系C3A+Ca3B2O6+Ca5Al6O14。
实施例2
一种防辐射水泥熟料矿物相体系的制备方法，其步骤是：
1、将CaCO3、Al2O3和B2O3按CaCO3:Al2O3:B2O3摩尔比为3:0.6:0.4混合均匀，并研磨至180目方孔筛筛余≤10%；
2、将研磨后的粉末压制成圆柱状试块，置于刚玉坩埚内在重烧试验炉中于1300℃煅烧1.5小时获得矿物相体系C3A+Ca3B2O6+Ca5Al6O14。
实施例3
一种防辐射水泥熟料矿物相体系的制备方法，其步骤是：
1、将CaCO3、Al2O3和B2O3按CaCO3:Al2O3:B2O3摩尔比为3:0.4:0.6混合均匀，并研磨至180目方孔筛筛余≤10%；
2、将研磨后的粉末压制成圆柱状试块，置于刚玉坩埚内在重烧试验炉中于1250℃煅烧2小时获得矿物相体系C3A+Ca3B2O6+Ca5Al6O14。
实施例4
一种防辐射水泥熟料矿物相体系的制备方法，其步骤是：
1、将CaCO3、Al2O3和B2O3按CaCO3:Al2O3:B2O3摩尔比为3:0.2:0.8混合均匀，并研磨至180目方孔筛筛余≤10%；
2、将研磨后的粉末压制成圆柱状试块，置于刚玉坩埚内在重烧试验炉中于1200℃煅烧2.5小时获得矿物相体系C3A+Ca3B2O6+Ca5Al6O14。
实施例5
一种防辐射水泥熟料矿物相体系的制备方法，其步骤是：
1、将CaCO3、Al2O3、B2O3、Fe2O3按CaCO3:Al2O3:B2O3:Fe2O3摩尔比为4:0.8:0.2:1混合均匀，并研磨至180目方孔筛筛余≤10％；
2、将研磨后的粉末压制成圆柱状试块，置于刚玉坩埚内在重烧试验炉中于1300℃煅烧1.5小时获得矿物相体系C3A+Ca3B2O6+C4AF。
实施例6
一种防辐射水泥熟料矿物相体系的制备方法，其步骤是：
1、将CaCO3、Al2O3、B2O3、Fe2O3按CaCO3:Al2O3:B2O3:Fe2O3摩尔比为4:0.6:0.4:1混合均匀，并研磨至180目方孔筛筛余≤10%；
2、将研磨后的粉末压制成圆柱状试块，置于刚玉坩埚内在重烧试验炉中于1250℃煅烧2小时获得矿物相体系C3A+Ca3B2O6+C4AF。
实施例7
一种防辐射水泥熟料矿物相体系的制备方法，其步骤是：
1、将CaCO3、Al2O3、B2O3、Fe2O3按CaCO3:Al2O3:B2O3:Fe2O3摩尔比为4:0.4:0.6:1混合均匀，并研磨至180目方孔筛筛余≤10％；
2、将研磨后的粉末压制成圆柱状试块，置于刚玉坩埚内在重烧试验炉中1200℃煅烧2.5小时获得矿物相体系C3A+Ca3B2O6+C4AF。
实施例8
一种防辐射水泥熟料矿物相体系的制备方法，其步骤是：
1、将CaCO3、Al2O3、B2O3、Fe2O3按CaCO3:Al2O3:B2O3:Fe2O3摩尔比为4:0.2:0.8:1混合均匀，并研磨至180目方孔筛筛余≤10％；
2、将研磨后的粉末压制成圆柱状试块，置于刚玉坩埚内在重烧试验炉中于1150℃煅烧3小时获得矿物相体系C3A+Ca3B2O6+C4AF。

Claims (1)

1.一种防辐射水泥熟料矿物相体系的制备方法，其步骤是：
（1）配料：将各原料按配比混合均匀，并研磨至180目方孔筛筛余≤10%；
（2）高温烧结：将步骤（1）中研磨后的粉末压制成圆柱状试块，置于刚玉坩埚内在重烧试验炉中高温煅烧1~3小时获得目的矿物相体系；
 所述的原料为碳酸钙、氧化铝和氧化硼，或是碳酸钙、氧化铝、氧化硼和氧化铁；
当原料为碳酸钙、氧化铝和氧化硼时，碳酸钙:氧化铝+氧化硼摩尔比为3 : 1，其中氧化铝: 氧化硼摩尔比为1:99～99: 1；
当原料为碳酸钙、氧化铝、氧化硼和氧化铁时，碳酸钙 :氧化铝+氧化硼: 氧化铁摩尔比为4 : 1 : 1，其中氧化铝: 氧化硼摩尔比为1:99～99: 1；
当原料为碳酸钙、氧化铝和氧化硼时，煅烧温度为1150～1350℃；
当原料为碳酸钙、氧化铝、氧化硼和氧化铁时，煅烧温度为1100～1300℃；
获得组成为铝酸三钙+硼酸三钙+三铝酸五钙或铝酸三钙+硼酸三钙+铁铝酸四钙的防辐射水泥熟料矿物相体系。
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