CN109574608A - 一种能减少二次辐射的防辐射混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种能减少二次辐射的防辐射混凝土及其制备方法，属于建筑领域，包括如下重量份的原料：高铝水泥100～200份、重晶石500～700份、氧化铝陶瓷80～160、硼砂15～40份、钢渣微粉50～120份、矿渣微粉70～140份、钢纤维10～30份、减水剂2～8份、早强剂2～8份、缓凝剂2～8份和水100～200份。本发明的防辐射混凝土具有免二次辐射、表观密度大、抗γ和中子射线能力强、抗压强度高、耐火耐高温、抗裂和抗形变能力强、工作性能好、施工简便、造价低、环保无毒等综合优点，适用于医院工程、军事工程、安防工程等需要抵御各种射线辐射危害等场合中。

Description

一种能减少二次辐射的防辐射混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑领域，特别是涉及一种能减少二次辐射的防辐射混凝土及其制备方法。
背景技术
随着世界经济的快速发展和世界格局的瞬息万变，大量核电项目如核电站、原子能工业、核反应堆等迅速崛起，核辐射成为人类健康威胁的元凶之一。例如2011年3月日本发生的9级特大地震，由此引发海啸与核电站爆炸，导致核泄漏，给大气和海洋环境造成了灾难性的影响。对于国防军事过程和工业民用建设，核辐射的预防不容忽视，世界各国也逐渐认识到防辐射材料的重要性。对建材行业来说，加大对新型高效防辐射材料的研究和应用，具有重大战略意义和深远的社会影响。
目前为止，防辐射材料包括钢板、铅板、水和混凝土几种，其中铅和钢对X和γ射线具有较好的屏蔽作用，但铅徐变性较大，荷载较大时不宜使用，且铅来源少，价格贵；钢虽有较好的力学性能，但施工性能差、易腐蚀；水对中子射线有良好的屏蔽作用，且成本低，但其难以定型，不易管理。而混凝土防护效果较好，原材料来源广泛，价格低廉，便于施工，形状尺寸可控。因此，在防辐射防护材料中，混凝土的综合技术经济效果最佳，防辐射混凝土也成为目前使用最为广泛和经济的防辐射材料。
防辐射混凝土是一种能够有效防护对人体有害的射线辐射的新型混凝土，又叫防射线混凝土、屏蔽混凝土、原子能防护混凝土、核反应堆混凝土等。其防御的射线主要包括α、β、γ、X射线和中子流。α射线是氦核，吸入体内危害较大；β射线是电子流，照射皮肤后明显烧伤。这两类射线穿透力较小，危害距离较近，因此一般的密实混凝土均能防御。对于γ和X射线，穿透能力较强，能穿透人体和建筑物，危害距离较远。根据理论推算，当混凝土的厚度一定时，混凝土的表观密度越大，吸收γ或X射线能力越强。也就是说，高密度和高密实度的混凝土是作为防γ和X射线辐射的最佳选择。中子射线是由中性粒子组成的粒子流，不带电，但穿透能力强，对生命细胞的杀伤力远强于γ和X射线，且为不可修复。可通过与重原子核的碰撞来实现对快速中子的屏蔽减速，对中速和慢速中子的屏蔽，则需要如H、B、H2O等轻元素为“中子吸收剂”。
防辐射混凝土不仅要有较大的表观密度，还应含有足够数量的结晶水及硼、锂、镉等轻元素，同时通过混凝土的高强高性能化提高水泥密实性，降低孔隙率，从而提高防辐射混凝土的耐久性，保证其防辐射能力的有效性和长期稳定性。
目前，防辐射混凝土技术主要方法之一就是采用磁铁矿石、褐铁矿石或重晶石作粗细骨料，并引入充分数量的结晶水和含硼、锂等轻元素的化合物。虽然重晶石混凝土是较为理想的防辐射混凝土，但随着冻融循环次数增加，其屏蔽性能呈下降趋势；对含硼混凝土来说，硼酸及其熔块掺量为0.5％～1％时，严重影响其凝结时间。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种有效改善防辐射混凝土的屏蔽性能和密实性、强度、抗裂性及耐久性的能减少二次辐射的防辐射混凝土及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种能减少二次辐射的防辐射混凝土，包括如下重量份的原料：高铝水泥100～200份、重晶石500～700份、氧化铝陶瓷80～160、硼砂15～40份、钢渣微粉50～120份、矿渣微粉70～140份、钢纤维10～30份、减水剂2～8份、早强剂2～8份、缓凝剂2～8份和水100～200份。
本发明采用高铝水泥、重晶石、氧化铝陶瓷等作为主要原料，本发明采用高铝水泥和氧化铝陶瓷等为低活性材料，能有效减少二次辐射，将辐射对人体的危害降到最低，而且还有耐高温耐火的性能；通过使用钢渣、矿渣等工业固废为原料，不仅变废为宝，响应国家可持续发展的要求，而且能有效改善防辐射混凝土的屏蔽性能和密实性；本发明的采用粗骨料、细骨料复配和钢纤维增强技术，增加了防辐射混凝土的密实性、强度以及抗裂性，降低了坍落度，提高了防辐射混凝土的工作性能，本发明中的粗骨料是指重晶石和氧化铝陶瓷，细骨料是指硼砂和钢渣微粉。
本发明使用的胶凝材料为密度大、含较多结合水的高铝水泥，与普通水泥、钡水泥、锶水泥相比：钡水泥防射线能力很强，制备的混凝土表观密度高，但热稳定性差，且价格昂贵。锶水泥制备的混凝土表观密度有所提高，但屏蔽性能略低于钡水泥，经济性低。普通水泥的性能也难以满足要求，本发明采用的高铝水泥配合粗骨料和细骨料及钢纤维复合作用，增加了防辐射混凝土的密实性、强度以及抗裂性，降低了坍落度，提高了防辐射混凝土的工作性能。
进一步地，包括如下重量份的原料：高铝水泥100～150份、重晶石500～600份、氧化铝陶瓷100～160、硼砂30～40份、钢渣微粉100～120份、矿渣微粉70～100份、钢纤维10～30份、减水剂2～8份、早强剂2～8份、缓凝剂2～8份和水100～200份。
进一步地，所述高铝水泥为425高铝水泥和/或525高铝水泥。
进一步地，所述高铝水泥的氧化铝含量大于50％，结合水含量不低于20％。
进一步地，所述重晶石中硫酸钡(BaSO4)含量不低于80％，表观密度3500～4500kg/m3，粒度5～30mm，为5～30mm连续级配。
进一步地，所述氧化铝陶瓷中氧化铝含量不低于85％，堆积密度500～750kg/m3，粒度5～15mm，为5～30mm连续级配。
进一步地，所述硼砂中硼含量不低于10％。
进一步地，所述钢渣微粉比表面不低于400kg/m2，粒级分布10～30μm。
进一步地，所述矿渣微粉的颗粒粒度分布为3～30μm。
进一步地，所述钢纤维为单掺波纹形钢纤维，直径20～50μm，长度1～5cm。
进一步地，所述减水剂为聚羧酸类高效减水剂。
进一步地，所述早强剂为三乙醇胺。
进一步地，所述缓凝剂为三聚磷酸钠。
进一步地，所述能减少二次辐射的防辐射混凝土表观密度为3000～3600kg/m3。
另一方面，提供一种所述的能减少二次辐射的防辐射混凝土的制备方法，包括如下步骤：
1)按比例将高铝水泥、硼砂、钢渣微粉、矿渣微粉、钢纤维、减水剂、早强剂和缓凝剂，在搅拌釜内预混合搅拌均匀获得混料；
2)在所述混料中按比例加入重晶石和氧化铝陶瓷，在搅拌釜内充分混合搅拌，边搅拌边加水；
3)将上步得到的浆料注模、养护得到免二次辐射的防辐射。
进一步地，所述步骤2)中边搅拌边加水的时间为30～60s。
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
(1)本发明采用高铝水泥、重晶石、氧化铝陶瓷等作为主要原料，本发明采用高铝水泥和氧化铝陶瓷等为低活性材料，能有效减少二次辐射，将辐射对人体的危害降到最低，而且还有耐高温耐火的性能；通过使用钢渣、矿渣等工业固废为原料，不仅变废为宝，响应国家可持续发展的要求，而且能有效改善防辐射混凝土的屏蔽性能和密实性；本发明采用的粗骨料、细骨料复配和钢纤维增强技术，增加了防辐射混凝土的密实性、强度以及抗裂性，降低了坍落度，提高了防辐射混凝土的工作性能，本发明中的粗骨料是指重晶石和氧化铝陶瓷，细骨料是指硼砂和钢渣微粉。
(2)本发明的有益效果还包括：固废资源化利用，有一定的经济和环境效益；不含铅等有毒重金属，环境友好，降低造价；将骨料分为粗细两级，级配合理，大大提高了混凝土的密实性和工作性能；采用密度较大的重晶石作为粗骨料，可大大提高混凝土的屏蔽射线能力；减水剂能增加水泥水化效率和强度，节约用水量，改善混凝土的和易性，防止混凝土离析而影响密实度；缓凝剂和早强剂搭配使用，一方面延缓水泥水化产物的结晶生长，另一方面可显著抑制水中钙离子的成核结晶，提高混凝土的工作性能；采用钢纤维和氧化铝陶瓷等无机增强材料，一方面增加了混凝土的强度和抗裂性，另一方面增加了混凝土的耐火耐高温和抗形变能力；掺少量硼元素(以硼砂为载体作为细骨料组分之一)，使得防辐射混凝土具有显著吸收γ射线和减弱中子流穿透强度的能力；尤其是不含粉煤灰，并采用高铝水泥和氧化铝陶瓷等低活性材料，大大减少了二次辐射。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明不局限于下述实施例，任何在本发明的启示下得出的与本发明相同或相近似的产品，均在保护范围之内(注：实施例中各原料的配比均为重量份数)。
实施例1
通过以下方法制备防辐射混凝土产品1：
(1)按重量份计，称取高铝水泥100份、硼砂40份、钢渣微粉50份、矿渣微粉140份、钢纤维10份、减水剂2份、早强剂2份和缓凝剂8份，加入搅拌釜内预混合搅拌均匀获得混料；
(2)然后再在搅拌釜内加入重晶石500份和氧化铝陶瓷80份，在搅拌釜内充分混合搅拌，边搅拌边加水，加水共100份，控制整个加料过程搅拌时间为30～60s；
(3)将上步得到的浆料注模，采用保温保湿养护，且浇水养护时间不得少于14d(避免混凝土的内外温差)，制得防辐射混凝土产品1。
实施例2
通过以下方法制备防辐射混凝土产品2：
(1)按重量份计，称取高铝水泥200份、硼砂15份、钢渣微粉120份、矿渣微粉70份、钢纤维30份、减水剂8份、早强剂2份和缓凝剂2份，加入搅拌釜内预混合搅拌均匀获得混料；
(2)然后再在搅拌釜内加入重晶石700份和氧化铝陶瓷160份，在搅拌釜内充分混合搅拌，边搅拌边加水，加水共200份，控制整个加料过程搅拌时间为30～60s；
(3)将上步得到的浆料注模，采用保温保湿养护，且浇水养护时间不得少于14d(避免混凝土的内外温差)，制得防辐射混凝土产品2。
实施例3
通过以下方法制备防辐射混凝土产品3：
(1)按重量份计，称取高铝水泥150份、硼砂30份、钢渣微粉100份、矿渣微粉100份、钢纤维10份、减水剂6份、早强剂8份和缓凝剂2份，加入搅拌釜内预混合搅拌均匀获得混料；
(2)然后再在搅拌釜内加入重晶石600份和氧化铝陶瓷130份，在搅拌釜内充分混合搅拌，边搅拌边加水，加水共200份，控制整个加料过程搅拌时间为30～60s；
(3)将上步得到的浆料注模，采用保温保湿养护，且浇水养护时间不得少于14d(避免混凝土的内外温差)，制得防辐射混凝土产品3。
高铝水泥100～150份、重晶石500～600份、氧化铝陶瓷100～160、硼砂30～40份、钢渣微粉100～120份、矿渣微粉70～100份、钢纤维10～30份、减水剂2～8份、早强剂2～8份、缓凝剂2～8份和水100～200份。
实施例4
通过以下方法制备防辐射混凝土产品4：
(1)按重量份计，称取高铝水泥130份、硼砂35份、钢渣微粉110份、矿渣微粉80份、钢纤维25份、减水剂3份、早强剂4份和缓凝剂5份，加入搅拌釜内预混合搅拌均匀获得混料；
(2)然后再在搅拌釜内加入重晶石555份和氧化铝陶瓷145份，在搅拌釜内充分混合搅拌，边搅拌边加水，加水共200份，控制整个加料过程搅拌时间为30～60s；
(3)将上步得到的浆料注模，采用保温保湿养护，且浇水养护时间不得少于14d(避免混凝土的内外温差)，制得防辐射混凝土产品4。
上述实施例中，制备的防辐射混凝土表观密度均为3000～3600kg/m3。
对比例1
通过以下方法制备防辐射混凝土产品3：
(1)按重量份计，称取普通水泥130份、钢渣微粉110份、矿渣微粉105份、减水剂3份、早强剂4份和缓凝剂5份，加入搅拌釜内预混合搅拌均匀获得混料；
(2)然后再在搅拌釜内加入重晶石700份，在搅拌釜内充分混合搅拌，边搅拌边加水，加水共200份，控制整个加料过程搅拌时间为30～60s；
(3)将上步得到的浆料注模，采用保温保湿养护，且浇水养护时间不得少于14d(避免混凝土的内外温差)，制得防辐射混凝土产品4。
上述实施例和对比例(包括胶凝材料及制备方法)中的用量份数为重量份数优选以Kg(千克)计，也可以以g(克)或t(吨)计，只要保证混合均匀就能达到本发明的目的。
上述实施例中，高铝水泥为425高铝水泥，也可以替换为525高铝水泥。高铝水泥的氧化铝含量大于50％，结合水含量不低于20％。
上述实施例中，重晶石中硫酸钡(BaSO4)含量不低于80％，表观密度3500～4500kg/m3，粒度5～30mm，为5～30mm连续级配。
上述实施例中，氧化铝陶瓷中氧化铝含量不低于85％，堆积密度500～750kg/m3，粒度5～15mm，为5～30mm连续级配。
上述实施例中，所述硼砂中硼含量不低于10％。
上述实施例中，钢渣微粉比表面不低于400kg/m2，粒级分布10～30μm。矿渣微粉的颗粒粒度分布为3～30μm。钢纤维为单掺波纹形钢纤维，直径20～50μm，长度1～5cm。减水剂为聚羧酸类高效减水剂。早强剂为三乙醇胺。缓凝剂为三聚磷酸钠。
按照GB/T 50080-2016进行防辐射混凝土产品性能试验方法，对上述实施例1-4和对比例1所制的防辐射混凝土产品进行性能试验如下：
表1实施例1-4和对比例1所制的防辐射混凝土的性能测试结果
对实施例1-4和对比例1所制的防辐射混凝土的屏蔽γ射线和中子射线性能测试(线型衰减系数：cm-1)，采用蒙卡软件MCNP程序进行模拟测试。
表2实施例1-4和对比例1所制的防辐射混凝土的防辐射性能测试结果
由表1可知，本发明的实施例1～4制备的防辐射混凝土产品1～4具有较好的密实性、并降低孔隙率，且屏蔽能力稳定，耐冻融能力强，从而提高防辐射混凝土的耐久性、保证防辐射能力的有效性和长期稳定性；而对比例1制备的产品5，密实性欠差，抗压强度偏低，且不耐冻融，其屏蔽能力随着冻融循环次数增加呈衰减趋势。
由表2可知，本发明的实施例1～4制备的防辐射混凝土产品1～4具有优异的屏蔽性能，吸收γ射线和中子射线能力强，而对比例1制备的产品5屏蔽能力远逊于产品1～4，尤其是吸收中子射线能力。
综上所述，本发明的防辐射混凝土具有免二次辐射、表观密度大、抗γ和中子射线能力强、抗压强度高、耐火耐高温、抗裂和抗形变能力强、工作性能好、施工简便、造价低、环保无毒等综合优点，适用于医院工程、军事工程、安防工程等需要抵御各种射线辐射危害等场合中。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种能减少二次辐射的防辐射混凝土，其特征在于，包括如下重量份的原料：
高铝水泥100～200份、重晶石500～700份、氧化铝陶瓷80～160、硼砂15～40份、钢渣微粉50～120份、矿渣微粉70～140份、钢纤维10～30份、减水剂2～8份、早强剂2～8份、缓凝剂2～8份和水100～200份。
2.根据权利要求1所述的能减少二次辐射的防辐射混凝土，其特征在于，包括如下重量份的原料：高铝水泥100～150份、重晶石500～600份、氧化铝陶瓷100～160、硼砂30～40份、钢渣微粉100～120份、矿渣微粉70～100份、钢纤维10～30份、减水剂2～8份、早强剂2～8份、缓凝剂2～8份和水100～200份。
3.根据权利要求1或2所述的能减少二次辐射的防辐射混凝土，其特征在于，所述高铝水泥为425高铝水泥和/或525高铝水泥。
4.根据权利要求1至3任一所述的能减少二次辐射的防辐射混凝土，其特征在于，所述高铝水泥的氧化铝含量大于50％，结合水含量不低于20％。
5.根据权利要求1至4任一所述的能减少二次辐射的防辐射混凝土，其特征在于，所述重晶石中硫酸钡(BaSO4)含量不低于80％，表观密度3500～4500kg/m3，粒度5～30mm，为5～30mm连续级配；
和/或，所述氧化铝陶瓷中氧化铝含量不低于85％，堆积密度500～750kg/m3，粒度5～15mm，为5～30mm连续级配。
6.根据权利要求1至5任一所述的能减少二次辐射的防辐射混凝土，其特征在于，所述硼砂中硼含量不低于10％；
和/或，所述钢渣微粉比表面不低于400kg/m2，粒级分布10～30μm。
7.根据权利要求1至6任一所述的能减少二次辐射的防辐射混凝土，其特征在于，所述矿渣微粉的颗粒粒度分布为3～30μm。
和/或，所述钢纤维为单掺波纹形钢纤维，直径20～50μm，长度1～5cm；
和/或，所述减水剂为聚羧酸类高效减水剂；
和/或，所述早强剂为三乙醇胺；
和/或，所述缓凝剂为三聚磷酸钠。
8.根据权利要求1至7任一所述的能减少二次辐射的防辐射混凝土，其特征在于，所述能减少二次辐射的防辐射混凝土表观密度为3000～3600kg/m3。
9.一种权利要求1至8任一所述的能减少二次辐射的防辐射混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)按比例将高铝水泥、硼砂、钢渣微粉、矿渣微粉、钢纤维、减水剂、早强剂和缓凝剂，在搅拌釜内预混合搅拌均匀获得混料；
2)在所述混料中按比例加入重晶石和氧化铝陶瓷，在搅拌釜内充分混合搅拌，边搅拌边加水；
3)将上步得到的浆料注模、养护得到免二次辐射的防辐射。
10.根据权利要求9所述的能减少二次辐射的防辐射混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中边搅拌边加水的时间为30～60s。
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