CN103000242A

CN103000242A - 一种高性能辐射屏蔽混凝土

Info

Publication number: CN103000242A
Application number: CN2012105297956A
Authority: CN
Inventors: 王进君; 王志强; 李国锋; 王宁会; 孟德川
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2012-12-09
Filing date: 2012-12-09
Publication date: 2013-03-27

Abstract

本发明涉及一种高性能的核辐射屏蔽混凝土材料，它是由水泥、骨料、水等混合而成。该辐射屏蔽混凝土采用了富含结晶水橄榄岩石作为骨料，因此结晶水含量较高（水分含量为6-14%），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。高性能辐射屏蔽混凝土含大量轻原子核物质，在中子屏蔽特性方面该材料表现出了优越的特性。针对目前普通混凝土包装物笨重、容积小、远程运输不方便的问题，利用该材料富含结晶水的特性并制作混凝土包装物，可以达到减轻重量，扩大容积的目的。

Description

一种高性能辐射屏蔽混凝土

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，以及中低放射性核废料的固化处理。

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，必须设置屏蔽体（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。

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。在防辐射混凝土设计中最重要的是考虑对γ射线和中子射线的屏蔽。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，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。

随着核电技术的发展和在电力能源的比例加大，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。

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，采用富含结晶水的橄榄岩石材料，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。本发明利用富含结晶水的橄榄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，增强了该混凝土的中子屏蔽性能。

本发明采用的技术方案是：

利用富含结晶水的橄榄岩石作为粗、细骨料，其结晶水的含量范围为6%—14%；主要原材料包括：

水泥：采用镁水泥，P·Ⅱ42.5R级；

水：自来水

细骨料：橄榄岩砂，细度模数2.7，Ⅱ区级配，含泥量为0.1%；

粗骨料：橄榄岩石，最大粒径20mm，连续级配，针片状含量3.6%，压碎指标5.6% ；

粉煤灰：Ⅰ级；

杜拉纤维：长度3cm。

实际使用时，还可以填加外加剂，如MY-150高效减水剂等。

根据不同用途，可以配制不同的屏蔽混凝土：

（1）用于屏蔽γ射线的屏蔽混凝土：其密度为3300kg/m³，其配比如下，

水泥：水：细骨料：粗骨料= 1:0.699:4.541:5.101；

（2）用于屏蔽中子射线的屏蔽混凝土：其密度为3000kg/m³，其配比如下，

水泥：水：细骨料：粗骨料= 1:0.5:2.26:0.76；

（3）用于既可屏蔽中子射线同时又能屏蔽γ射线的屏蔽混凝土：其密度为2450kg/m³，其配比如下，

水泥：水：细骨料：粗骨料=1:0.53:2.26:3.53。

本发明在施工时需先投入细骨料、水泥、粗骨料、细粉掺合料搅拌均匀，l5秒左右，再投入水和外加剂搅拌不小于90秒；搅拌时间控制在90至120秒。

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：32cm；高性能辐射屏蔽混凝土：21cm。

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1t CO₂。本发明的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橄榄岩石作为混凝土的粗、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同时又能屏蔽γ射线的混凝土：

（1）原料及配合比

水泥：性能参数如下:

细骨料：精选橄榄岩砂，Ⅱ区级配，性能参数如下：

粗骨料：橄榄岩石，最大粒径20mm，连续级配，针片状含量3.6%，压碎指标5.6%，结晶水含量13.7% ；

水：自来水。

混凝土配合比及性能如下:

（2）力学性能测试结果：

（3）射线屏蔽性能测试结果：

上述组分混凝土对¹³⁷Cs、⁶⁰Co的半衰减层厚度△1/2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△1/2、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）：

放射源¹³⁷Cs：4.5（实施例）；4.1（普通混凝土）。

放射源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。

（4）屏蔽性能评估

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：32cm

高性能混凝土材料：21cm

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

1.一种高性能辐射屏蔽混凝土，其特征在于：

其组成成份包括：

（1）镁水泥，P·Ⅱ42.5R级；

（2）Ⅰ级粉煤灰；

（3）细骨料：6%—14%结晶水的橄榄岩砂，细度模数2.7，Ⅱ区级配，含泥量为0.1%；

（4）粗骨料：6%—14%结晶水的橄榄岩石，最大粒径20mm，连续级配，针片状含量3.6%，压碎指标5.6% ；

（5）长度3cm的杜拉纤维；

其配比比例分为三种：

第一种，屏蔽γ射线的高性能辐射屏蔽混凝土，其密度为3300kg/m³，其配比如下，

水泥：水：细骨料：粗骨料= 1:0.699:4.541:5.101；

第二种，屏蔽中子射线的高性能辐射屏蔽混凝土，其密度为3000kg/m³，其配比如下，

水泥：水：细骨料:粗骨料= 1:0.5:2.26:0.76 ；

第三种，既可屏蔽中子射线同时又能屏蔽γ射线的高性能辐射屏蔽混凝土，其密度为2450kg/m³，其配比如下，

水泥：水：细骨料：粗骨料=1:0.53:2.26:3.53。

2.根据权利要求1所述的高性能辐射屏蔽混凝土，其特征在于，还包括外加剂：MY-150高效减水剂。