CN114014614B - 一种防辐射混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防辐射混凝，各组分按重量份数计包括：水泥200‑400份，矿渣粉40‑100份，粉煤灰40‑200份，钢渣粉50‑100份，细骨1000‑1500份，钢渣基粗骨料1200‑1800份，水150‑180份，外加剂8‑20份，其中粗集料以20‑40份钢渣骨料、2‑4份硼泥、1‑3份淀粉、0.5‑0.8份高吸水树脂和2‑5份水为主要原料，经分步包覆成球形成。本发明所得防辐射混凝土具有优良的工作性能、力学性能、抗裂性能、耐久性能和屏蔽效果；并可高效资源化利用钢渣、硼泥等固体废弃物，具有显著的经济和环境效益。

Description

一种防辐射混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑工程领域，具体涉及一种防辐射混凝土及其制备方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展和科技水平的进步，核技术逐渐应用于关乎民生的各个领域，大量核电站、原子能工业、医院等建筑投入建设，辐射逐渐引起人们的注意。当前核技术的安全性问题主要如何提高防辐射工程的射线屏蔽性能。

防辐射混凝土结构主要问题是γ射线和中子射线的防护。其中，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；而中子射线由不带电核的微粒组成，具有高度的穿透能力，可分为快速中速和慢速中子，二者防护机理不一样，因此对于中子射线的防护只通过提高材料密度的手段达不到对应的屏蔽目的。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通常采用磁铁矿石、褐铁矿石等铁矿石或重晶石作骨料，重质骨料作为不可再生资源价格昂贵，且仅仅通过增大混凝土密度的手段，只能达到屏蔽γ射线，无法有效屏蔽快中子。若不采用密度大的防辐射集料，则必须通过增加混凝土厚度才能达到屏蔽γ射线射线的目的，屏蔽能力更有限。因此，进一步探索和研究防中子辐射、屏蔽γ射线、工作性能优良，耐久性好、成本低的防辐射混凝土已势在必行。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种防辐射混凝土，可实现多种固废的高效利用，并可表现出匀质性良好、耐久性优良、屏蔽性能优异等优点；其涉及的制备方法较简单、成本较低，具有显著的经济和环境效益。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种防辐射混凝土，各组分按重量份数计包括：水泥200-400份，矿渣粉40-100份，粉煤灰40-200份，钢渣粉50-100份，细骨料1000-1500份，钢渣基粗骨料1200-1800份，水150-180份，外加剂8-20份。

上述方案中，所述水泥为低热硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。

上述方案中，所述粉煤灰为I级粉煤灰。

上述方案中，所述矿渣粉为S95高炉矿渣粉。

上述方案中，所述钢渣粉中Fe₂O₃≥25wt％，比表面积≥400m²/kg，28d活性指数≥95％。

上述方案中，所述外加剂为减水剂，具体可选择聚羧酸系高效减水剂等。

上述方案中，所述细骨料为河砂、铁矿砂、玄武岩砂、重晶石砂的一种或者几种组合，细度模数为2.3-3.0，表观密度为2900-4200kg/m³。

上述方案中，所述钢渣基粗集料的粒径为5-20mm，表观密度为2900-4200kg/m³。

上述方案中，所述钢渣基粗骨料以20-40份钢渣骨料、2-4份硼泥、1-3份淀粉、0.5-0.8份高吸水树脂和2-5份水为主要原料，经分步包覆成球形成；制备方法具体包括以下步骤：

1)内核胚体制作；按重量份数计(下同)，将20-40份钢渣骨料、2-4份硼泥、1-3份淀粉、0.5-0.8份高吸水树脂和2-5份水混合均匀，静置陈化24h后，造粒，得粒径为2.36-10mm的颗粒；

2)二次包裹成球；将超高性能混凝土预混料(UHPC预混料)100份和水8-14份混合均匀，得均匀浆料，将所得浆料与步骤1)所得造粒颗粒混合，利用制丸机进行骨料成型，得粒径为5-20mm的骨料；

3)养护成型；骨料成型后，在成型室中进行静置，然后置于常温水中进行养护，最后置于热水中进行二次养护，取出放置在空气中自然冷却至室温。

上述方案中，所述钢渣基粗骨料的制备方法中，其中步骤1)所述钢渣骨料尺寸为0.6-2.36mm，Fe₂O₃含量≥25％，MgO≤10％，f-CaO≤3％；硼泥含水率≤30％，B₂O₃≥3％；淀粉为玉米或小麦淀粉；高吸水树脂的粒径≤150μm，离心保水量≥30％。

上述方案中，所述UHPC预混料组成中不包含纤维材料，28d抗压强度≥120MPa。

上述方案中，所述成型室中静置时间为18-24h。

上述方案中，所述常温水温度为20-25℃；养护时间为5-8d。

上述方案中，所述热水温度为60-95℃；二次养护时间为1-2d。

上述一种防辐射混凝土的制备方法，它包括如下步骤：

1)按配比称取原材料，采用搅拌机进行拌合，将称取的水泥、粉煤灰、矿粉、细集料、水、外加剂拌制均匀(30-40s)，得预混物料；

2)再将粗骨料加入步骤1)得到的预混物料中，搅拌均匀(50-100s)，即得所述防辐射混凝土。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明以钢渣基粗集料为粗骨料，其内核以钢渣细骨料为主要原料，并辅以硼泥、淀粉和高吸水树脂；其中钢渣中Fe元素可以发挥屏蔽γ和慢中子、质子辐射的作用；硼泥中引入的B元素、高吸水树脂吸收水中引入的H元素以及淀粉引入的原子序数低的C、H元素，可有效增强混凝土防快中子的能力；同时淀粉有助于钢渣、硼泥、吸水树脂粘结成球，高吸水树脂可以起到内养护作用，提升UHPC的材料强度，UHPC高强度材料作为外壳提供支撑，并保障钢渣基集料的力学性能；

2)本发明所述钢渣基粗集料的制备方法采用两次成球技术，形成钢渣为内核，硼泥、淀粉、高吸水树脂混合物为中间塑性层，UHPC材料为外壳的三层梯度结构；内核钢渣骨料中存在部分游离氧化钙和MgO、淀粉加热糊化会发生微膨胀，挤压中间塑性层，同时UHPC材料有自收缩特性，也会紧紧包裹中间层塑性，从而进一步提升钢渣基骨料的力学性能；

3)本发明所述防辐射混凝土利用水泥、矿渣粉、粉煤灰、钢渣粉形成胶凝体系，利用钢渣粉中Fe元素形成防辐射胶凝体系，配以河砂、铁矿砂、玄武岩砂、重晶石砂等防γ射线细集料，与细集料密度相近兼具防γ射线和中子射线钢渣基骨料，形成兼具优良工作性能、力学性能、抗辐射能力强、耐久性好、抗离析能力的混凝土；

4)本发明采用的钢渣基粗骨料和矿渣粉、钢渣粉等可实现钢渣和硼泥等固废材料的资源化利用，且废物利用率高，绿色环保，成本低廉；涉及的制备过程简单，有利于工业化推广应用。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

以下实施例中，所述原料的用量均以重量份数计。

实施例1

一种防辐射混凝土，其制备方法包括如下步骤：

1)原料称取；称取水泥200份、矿渣粉40份、粉煤灰50份、钢渣粉50份，细骨料1200份、钢渣基粗骨料1500份、水160份、外加剂10份；其中采用的水泥为P·O 42.5水泥；粉煤灰为I级粉煤灰；矿渣粉为S95高炉矿渣粉；钢渣粉中Fe₂O₃含量为31wt％，比表面积为420m²/kg，28d活性指数为95％；外加剂为中建西部新材料科技有限公司提供的ZJC-01型聚羧酸系高效减水剂，固含量为19.5％，减水率为25％。细骨料为重晶石砂，细度模数为2.7，表观密度为3800kg/m³；钢渣基粗集料的粒径为5～20mm，表观密度为3750kg/m³，具体制备方法包括以下步骤：首先称取35份钢渣骨料、2份硼泥、1份淀粉、0.5份高吸水树脂和2份水，混合均匀，静置陈化24h后，进行造粒得到2.36～10mm的颗粒；然后将UHPC预混料100份和水8份混合搅拌5min形成均匀浆料，将所得浆料与步骤1)所得造粒颗粒混合，再利用制丸机进行骨料成型，得到粒径为5～20mm的二次包裹成型骨料；再将所得骨料在成型室环境下放置1d，置于20℃常温水养护7d，最后放置在90℃热水中养护2d，取出后放置在空气中自然冷却到室温；

所述钢渣基粗骨料的制备方法中，步骤1)采用的钢渣骨料尺寸为0.6～2.36mm，Fe₂O₃含量为31wt％，MgO为9.8wt％，f-CaO为2.1wt％；硼泥含水率为23％，B₂O₃含量为3.6wt％；淀粉为玉米淀粉；高吸水树脂为万华化学提供的

型高吸水树脂，其粒径≤150μm，离心保水量为32％；UHPC预混料为华新超可隆新型建材科技有限公司提供的超克隆-120，其中不包括纤维材料，28d抗压强度为128MPa，抗折强度为16Mpa；

2)混凝土配制；采用搅拌机进行拌合，将称取的水泥、粉煤灰、矿粉、细集料、水、外加剂拌制均匀，搅拌30s，得预混物料；再将钢渣基粗骨料加入步骤1)所得预混物料中，搅拌50s，直到物料混合充分均匀，即得所述防辐射混凝土。

实施例2

一种防辐射混凝土，其制备方法包括如下步骤：

1)原料称取；称取水泥250份、矿渣粉40份、粉煤灰70份、钢渣粉80份，细骨料1300份、钢渣基粗骨料1500份、水165份、外加剂12份；其中采用的水泥为P·O42.5水泥；粉煤灰为I级粉煤灰；矿渣粉为S95高炉矿渣粉；钢渣粉中Fe₂O₃的含量为35％，比表面积为420m²/kg，28d活性指数为96％；外加剂为中建西部新材料科技有限公司提供的ZJC-02型聚羧酸系高效减水剂，其固含量为18.6％，减水率为25％；细骨料为赤铁矿砂，细度模数为2.8，表观密度为3900kg/m³；钢渣基粗集料的粒径为5～20mm，表观密度为3750kg/m³，具体制备方法包括以下步骤：首先称取40份钢渣骨料，2份硼泥，1份淀粉，0.8份高吸水树脂、5份水，混合均匀，静置陈化24h后，造粒，得粒径为2.36-10mm的颗粒；然后将UHPC预混料100份和水10份混合搅拌5min形成均匀浆料，将所得浆料包裹在步骤1)所得造粒颗粒，利用制丸机进行骨料成型，得到粒径为5～20mm的二次包裹成型骨料；再将所得骨料在成型室环境下放置1d，然后置于20℃常温水养护7d，最后放置在90℃热水中养护2d，取出后放置在空气中自然冷却到室温；

所述钢渣基粗骨料的制备方法中，步骤1)采用的钢渣骨料尺寸为0.6～2.36mm，Fe₂O₃含量为35wt％，MgO为7.6wt％，f-CaO为2.5wt％；硼泥含水率为22％，B₂O₃含量为4.0wt％；所述淀粉为玉米淀粉；高吸水树脂粒径≤150μm，离心保水量为35％；UHPC预混料为中建西部建设建材科学院提供的UHPC预混料(UC120)，其中不包括纤维材料，28d抗压强度为125MPa，抗折强度为14Mpa；

2)混凝土配制；采用搅拌机进行拌合，将称取的水泥、粉煤灰、矿粉、细集料、水、外加剂拌制均匀，搅拌30s，得预混物料；再将钢渣基粗骨料加入步骤1)所得预混物料中，搅拌50s，直到物料混合充分均匀，即得所述防辐射混凝土。

实施例3

一种防辐射混凝土，其制备方法包括如下步骤：

1)原料称取；称取水泥200份、矿渣粉40份、粉煤灰40份、钢渣粉100份，细骨料1300份、钢渣基粗骨料1800份、水165份、外加剂10份；其中采用的水泥为P·O 42.5水泥；粉煤灰为I级粉煤灰；矿渣粉为S95高炉矿渣粉；钢渣粉中Fe₂O₃为41％，比表面积为410m²/kg，28d活性指数为98％；外加剂为中建西部新材料科技有限公司提供的ZJC-01型聚羧酸系高效减水剂，其固含量为19.5％，减水率为25％；细骨料为磁铁矿砂，细度模数为2.8，表观密度为4200kg/m³；钢渣基粗集料的粒径为5～20mm，表观密度为4050kg/m³，具体制备方法包括以下步骤：首先称取40份钢渣骨料，2份硼泥，2份淀粉，0.8份高吸水树脂、3份水，混合均匀，静置陈化24h后造粒；然后将UHPC预混料100份和水8份混合搅拌5min形成均匀浆料，将浆料包裹在步骤1)所得造粒颗粒，利用制丸机进行骨料成型，得到粒径为5～20mm的二次包裹成型骨料；再将所得骨料在成型室环境下放置1d，然后置于20℃常温水养护7d，最后放置在95℃热水中养护2d，取出后放置在空气中自然冷却到室温；

所述钢渣基粗骨料的制备方法中，其中步骤1)采用的钢渣骨料尺寸为0.6-2.36mm，Fe₂O₃含量为41wt％，MgO为5.3wt％，f-CaO为2.8wt％；硼泥含水率≤18％，B₂O₃含量为3.6wt％；所述淀粉为玉米淀粉；高吸水树脂为万华化学提供的

型高吸水树脂，其粒径≤150μm，离心保水量为33％；UHPC预混料为中建西部建设建材科学院提供的UHPC预混料(UC120)，其中不包括纤维材料，28d抗压强度为125MPa，抗折强度为14Mpa；

2)混凝土配制；采用搅拌机进行拌合，将称取的水泥、粉煤灰、矿粉、细集料、水、外加剂拌制均匀，搅拌30s，得预混物料；再将钢渣基粗骨料加入步骤1)所得预混物料中，搅拌50s，直到物料混合充分均匀，即得所述防辐射混凝土。

对比例1

一种防辐射混凝土，其制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于：直接采用钢渣骨料替代所述钢渣基粗骨料，其粒径为5～20mm，表观密度为3900kg/m³。

对比例2

一种防辐射混凝土，其制备方法与实施例2大致相同，不同之处在于：钢渣基粗骨料内核胚体只有0.6～2.36mm的钢渣细骨料，然后直接用UHPC预混料基浆体(UHPC预混料100份和水8份)包裹一层外壳。

对比例3

一种防辐射混凝土，其制备方法与实施例2大致相同，不同之处在于：所述钢渣基粗集料中内核胚体以60份钢渣骨料，2份硼泥，4份淀粉，0.8份高吸水树脂、5份水组成，其他步骤相同。

对比例4

一种防辐射混凝土，其配合比与实施例3大致相同，不同之处在于：钢渣基粗骨料中钢渣的Fe₂O₃含量为40％，MgO为12.8％，f-CaO为5.3％。

将实施例1～3所得防辐射混凝土分别进行工作性能、电性能、力学性能、收缩性能和防辐射性能等进行测试，结果分别见表1和表2。其中，实施例1～3及对比例1～4所述防辐射混凝土的线性衰减系数为测试成型28d后混凝土板的抗辐射性能。

表1实施例1～3及对比例1～4所得防辐射混凝土的性能测试结果

表2实施例1～3及对比例1～4所得防辐射混凝土的防辐射性能测试结果

上述结果表明，从表1-2可以看出本发明所得防辐射混凝土可表现出优异的工作性能、力学性能、耐久性能和防γ射线和中子射线能力，具有良好的应用前景。然而对比例1直接用钢渣骨料，一年后混凝土会出现胀裂现象，从而导致强度明显到缩，且抗中子射线能力明显不足。对比例2直接用钢渣骨料包裹UHPC浆料，虽然一年后混凝土会出现胀裂不明显，但仍存在明显得强度到缩问题，抗中子辐射能力也不足。对比例3中钢渣基骨料中内核胚体组成不同，造成内核与外壳膨胀收缩率不协调，从而导致后期耐久性不合格。对比例4采用的钢渣中膨胀组分MgO和f-CaO组分变化，也造成钢渣基骨料内核与外壳膨胀收缩率不协调，从而导致后期耐久性不合格。

上述实施例仅是为了清楚地说明所做的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或者变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种防辐射混凝土，各组分按重量份数计包括：水泥200-400份，矿渣粉40-100份，粉煤灰40-200份，钢渣粉50-100份，细骨料1000-1500份，钢渣基粗骨料1200-1800份，水150-180份，外加剂8-20份；

所述钢渣基粗骨料的制备方法包括以下步骤：

1）内核胚体制作；按重量份数计，将20-40份钢渣骨料、2-4份硼泥、1-3份淀粉、0.5-0.8份高吸水树脂和2-5份水混合均匀，静置陈化，造粒得粒径为2.36-10mm的颗粒；

2）二次包裹成球；将超高性能混凝土预混料100份和水8-14份混合均匀，得均匀浆料，将所得浆料与步骤1）所得颗粒混合，利用制丸机进行骨料成型，得粒径为5-20mm的骨料；

3）养护成型；骨料成型后，在成型室中进行静置，然后置于常温水中进行养护，最后置于热水中进行二次养护，取出放置在空气中自然冷却至室温。

2.根据权利要求1所述的防辐射混凝土，其特征在于，所述水泥为低热硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。

3.根据权利要求1所述的防辐射混凝土，其特征在于，所述钢渣粉中Fe₂O₃≥25%，比表面积≥400 m²/kg，28d活性指数≥95%。

4.根据权利要求1所述的防辐射混凝土，其特征在于，所述外加剂为减水剂。

5.根据权利要求1所述的防辐射混凝土，其特征在于，所述细骨料为河砂、铁矿砂、玄武岩砂、重晶石砂中的一种或几种，其细度模数为2.3-3.0，表观密度为2900-4200kg/m³。

6.根据权利要求1所述的防辐射混凝土，其特征在于，钢渣基粗集料，粒径为5-20mm，表观密度为2900-4200kg/m³。

7.根据权利要求1所述的防辐射混凝土，其特征在于，所述钢渣骨料尺寸为0.6-2.36mm，Fe₂O₃含量≥25%，MgO≤10%，f-CaO≤3%；硼泥含水率≤30%，B₂O₃≥3%；所述淀粉为玉米或小麦淀粉；高吸水树脂的粒径≤150μm，离心保水量≥30%。

8.根据权利要求1所述的防辐射混凝土，其特征在于，所述超高性能混凝土预混料中不含纤维材料，其28d抗压强度≥120MPa，抗折强度≥10Mpa。

9.权利要求1~8任一项所述防辐射混凝土的制备方法，其特征在于，它包括如下步骤：

1）按配比称取原材料，采用搅拌机进行拌合，将称取的水泥、粉煤灰、矿粉、细集料、水、外加剂拌制均匀，得预混物料；

2）再将粗骨料加入步骤1)得到的预混物料中，搅拌均匀，即得所述防辐射混凝土。