CN115557725A - 一种碳化防辐射功能集料及利用其制备的防辐射混凝土 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳化防辐射功能集料，它以钢渣粉、重晶石粉、石灰石粉、成球剂和水为主要原料进行碳化处理得到，其中各原料及其所占重量份数包括：钢渣粉300～600份，成球剂0.5～1份，重晶石粉400～600份，石灰石粉50～200份，水100～200份。本发明所得功能集料辐射屏蔽能力强、强度高、吸水率低、表观密度小且性能稳定；将其应用于制备防辐射混凝土，可有效提升混凝土对γ和中子射线屏蔽效果，并可兼顾良好的工作性能、力学性能和耐久性能；可广泛应用于医疗、农业、核工业等领域；且涉及的制备方法较简单，可大宗利用排废资源，具有显著的经济和环境效益，适合推广应用。
Description
技术领域
本发明属于防辐射材料技术领域，具体涉及一种碳化防辐射功能集料及利用其制备的防辐射混凝土。
背景技术
随着核技术和放射性同位素在电力、工业、农业、医疗和科技等领域的发展与应用，用于屏蔽X、α、β、γ射线和中子辐射的防辐射混凝土性能需要进一步研究，优化其性能。普通防辐射混凝土主要以重晶石为集料，其重元素含量通常超过80％，主要利用其具有较大的原子序数以及较高的表观密度等特性，有效阻挡射线在混凝土中的穿透。
然而，现有防辐射混凝土存在以下问题：1)重晶石集料表观密度(≥4.2×103kg/m3)与水泥浆体差异较大；在混凝土制备和浇筑振捣过程中，水泥浆体和集料极易分层，导致混凝土包裹性和匀质性不良，影响混凝土拌合物性能、力学性能、防辐射性能和耐久性能；2)重晶石不含有轻元素，配制混凝土时需要掺入含有充分数量的轻元素(如硼、氢等)的物质吸收中子射线，增加了防辐射混凝土的成本；3)重晶石质地较脆，容易粉化；相较于同强度等级的预拌混凝土，需要合适的配合比保证强度；4)重晶石混凝土中重晶石集料质量占80％以上，而重晶石属于天然矿石资源，过度的开采利用破坏生态环境，不利于资源的可持续利用。进一步寻找人造防辐射集料替代天然防辐射矿石具有重要的研究和应用意义。
钢渣是炼钢过程中产生的一种排放量巨大的工业固体废弃物，未处理的钢渣大量堆存，将会导致土地占用、环境污染和资源浪费等问题。大量试验表明，钢渣的矿相与水泥类似，但钢渣中C3S含量较低，大量的γ-C2S和固溶相使其水化活性低，且含有较多的f-CaO和f-MgO，导致实际应用中易出现安定性不良等问题。此外，钢渣表面粗糙多孔，吸水性强，比表面积大，容易导致混凝土工作性能较差等问题，很大程度上限制了钢渣作为集料在混凝土中的应用。进一步探索钢渣基集料在防辐射功能集料领域中的应用，具有重要的研究和应用意义。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有技术存在的问题和不足，提供一种碳化防辐射功能集料，它以废弃钢渣、重晶石粉、石灰石粉、成球剂和水为主要原料进行碳化处理得到；该功能集料辐射屏蔽能力强、强度高、吸水率低、表观密度小且性能稳定；将其应用于制备防辐射混凝土，可有效提升混凝土对γ和中子射线屏蔽效果，并可兼顾良好的工作性能、力学性能和耐久性能；可广泛应用于医疗、农业、核工业等领域；且涉及的制备方法较简单，可大宗利用排废资源，具有显著的经济和环境效益，适合推广应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种碳化防辐射功能集料，它以钢渣粉、重晶石粉、石灰石粉、成球剂和水为主要原料进行碳化处理得到；其中各原料及其所占重量份数包括：钢渣粉300～600份，成球剂0.5～1份，重晶石粉400～600份，石灰石粉50～200份，水100～200份。
上述方案中，水与钢渣粉、重晶石粉、石灰石粉总质量之比(水料比)为0.1～0.25。
上述方案中，所述钢渣粉中主要化学组分及其所占质量百分比包括：CaO 35～50％，Fe2O3 10～25％，SiO2 12～22％，MgO 5～12％，Al2O3 1～3％，MnO 0～4％，TiO2 0～2％，固溶相0～1％。
上述方案中，所述钢渣粉80μm筛余量≤15％；比表面积≥400m2/kg。
上述方案中，所述重晶石粉中BaSO4含量≥80％，80μm筛余≤20％。
上述方案中，所述石灰石粉中CaCO3含量≥60％，80μm筛余≤15％。
上述方案中，所述成球剂为羟甲基纤维素，其2％水溶液粘度＞500MPa·s，纯度＞50％。
上述方案中，所述碳化处理步骤采用的碳化时间为4～12h，温度为20～50℃，湿度为40～70％，CO2浓度为30～100vol％，压强为0.1～1.0MPa。
上述一种碳化防辐射功能集料的制备方法，包括如下步骤：
1)功能集料坯体制备
将钢渣进行破碎、烘干和粉磨得钢渣粉；将所得钢渣粉与重晶石粉、石灰石粉、成球剂和水均匀混合，得混合坯料；然后投入到造粒机中进行造粒，得集料坯体。
2)功能集料坯体碳化增强
将所得集料坯体进行干燥，然后将其置于碳化反应釜中进行碳化处理，即得所述碳化防辐射功能集料。
上述方案中，步骤1)中控制钢渣粉80μm筛余量≤15％；比表面积≥400m2/kg。
上述方案中，步骤1)所述造粒机的倾角为30～70°，转速为35～50r/min，控制集料坯体粒径为0～20mm。
上述方案中，步骤2)中采用的干燥温度为50～80℃，控制集料坯体含水率为5-10％。
根据上述方案制备的碳化防辐射功能集料，其筒压强度15～25MPa之间，表观密度在2800～3200kg/m3，吸水率≤6％，线性屏蔽系数在0.15～0.26cm-1，生产1t功能集料吸收的CO2量≥30kg。
上述方案中，碳化防辐射功能集料进一步进行筛分，分别得到粒径为0～5mm细集料和粒径为5～20mm的粗集料。
进一步地，所述碳化防辐射功能集料筛分所得细集料的细度模数控制在3.6-5.8。
一种基于上述碳化防辐射功能集料的防辐射混凝土，各原料及其所占重量份数包括：水泥180～550份，矿物掺合料0～300份，膨胀剂0～50份，细集料900～1200份，粗集料1000～1400份，水100～200份，减水剂0～25份。
上述方案中，所述水泥可选用普通硅酸盐水泥等。
上述方案中，所述矿物掺合料可选用粉煤灰、矿粉等中的一种或几种。
上述方案中，所述膨胀剂为CaO类膨胀剂。
上述方案中，所述粗细集料和细集料分为本发明制备并进一步筛分的碳化防辐射功能集料。
上述方案中，所述减水剂为聚羧酸减水剂。
根据上述方案制备的防辐射混凝土，其辐射屏蔽效果大于60％，拌合物性能良好，力学性能满足工程设计要求，体积稳定性和长期耐久性能优异。
本发明的原理为：
1)集料碳化过程涉及固-液-气三相反应，二氧化碳通过扩散作用进入到集料的孔隙中，溶解在水中与水反应生成H2CO3，而后和钢渣矿物相组分C3S，C2S以及f-CaO和f-MgO等反应，生成CaCO3、MgCO3和SiO2凝胶等碳化产物，将基质胶结在一起，赋予集料力学性能；同时，有效固化钢渣中f-CaO和f-MgO等膨胀组分以及重金属离子，解决钢渣安定性不良和重金属离子溢出等问题。
2)由于钢渣质地坚硬，表面粗糙多孔，且富有棱角，在造粒过程中不易均匀分散，因此通过掺入石灰石粉，利用石灰石粉的润滑分散作用，促进集料成球，提高生产效率；同时，石灰石粉主要成分为碳酸钙，诱导碳化反应产物碳酸钙成核，可为碳化反应的主要产物碳酸钙提供晶体生长的“矿床”，加速碳化反应进程，提高碳化反应程度，进一步提升集料碳化强度和防辐射性能，并降低其吸水率；
3)利用重晶石粉BaSO4含量高，表观密度大的特点，充分吸收α、γ射线能量，赋予功能集料防辐射性能。此外，钢渣表观密度较大，Fe2O3、MnO等组分含量较高，且含有少量重金属离子，具有一定吸收γ射线的能力。同时，碳化反应产物SiO2凝胶含有大量结合水，能有效提升集料对中子射线的吸收能力(有效改善天然防辐射矿石中子吸收能力差等问题)，所得集料在具备防γ和中子辐射的能力，可同时吸收多种射线。通过将钢渣、重晶石粉进行有机复合，利用矿化反应机制，协同提升集料的力学性能和防辐射性能，能有效解决天然防辐射集料容易粉化、强度低和中子吸收能力差等问题。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)集料经加速碳化养护，力学性能快速提升的同时，能有效固化钢渣中f-CaO和f-MgO等不安定组分和重金属离子；同时，碳化反应产物SiO2凝胶中含有大量结合水，能进一步有效提升集料对中子射线的吸收能力。
2)石灰石粉主要成分为碳酸钙，可促进诱导碳化反应产物碳酸钙成核，加速碳化反应进程，提高碳化反应程度，进一步提升集料碳化强度，同时，其润滑作用有效分散钢渣和重晶石粉，提升成球后坯体密实度。
3)可高效利用钢渣、石灰石粉等工业副产物，变废为宝，显著降低对天然防辐射矿石的需求量，并在集料制备过程中能大量吸收二氧化碳气体，产品绿色低碳，具有显著的环保效益和经济效益。
4)本发明制备的碳化防辐射功能集料具有辐射屏蔽能力强、强度高、吸水率低等优点，表观密度较天然防辐射集料降低25％以上；并能有效解决天然防辐射集料容易粉化、强度低和中子吸收能力差等问题；将其应用于制备防辐射混凝土，其辐射屏蔽系数Rf＞60％，同时可兼顾优异的工作性能、力学性能、体积稳定性能和耐久性能，可广泛应用于医疗、农业、科技和核工业等辐射防护工程领域。
具体实施方式
以下结合实施例和对比例对本发明作进一步详细说明，但实施例不应视作对本发明权利的限定。
以下实施例中，采用的钢渣组分包括：CaO 48.5％，Fe2O3 19.6％，SiO2 16.4％，MgO 7.4％，Al2O3 2.4％，MnO 1.4％，TiO2 1.2％，固溶相(RO)0.6％；采用的重晶石粉中BaSO4含量为89.5％，80μm筛余为15.6％；石灰石粉中碳酸钙的含量为78.5％，80μm筛余10.2％，成球剂为羟甲基纤维素，其2％水溶液粘度为600MPa·s，纯度为55％。
防辐射混凝土制备过程中采用的水泥为PO42.5水泥；采用的粉煤灰烧失量5.4％，需水量比95％；矿粉为S95级矿粉；膨胀剂为I型CaO类膨胀剂，水中7d的限制膨胀率0.061％；粗集料和细集料分别为本发明制备的5～20mm和0～5mm的碳化防辐射功能集料。
减水剂为聚羧酸减水剂，固含量12％，减水率18％。
实施例1
一种碳化防辐射功能集料，具体制备步骤如下：
1)防辐射集料坯体制备
将钢渣进行破碎、烘干和粉磨得到钢渣粉，测得钢渣粉80μm筛余量为12.0％，比表面积为420m2/kg；
将所得钢渣粉300份(重量份数计，下同)、重晶石粉500份、石灰石粉100份、羟甲基纤维素0.9份、水180份，均匀混合，得混合坯料；
将所得混合坯料投入造粒机中进行造粒，造粒机的倾角为30～70°，转速为35～50r/min，控制集料坯体粒径为0～20mm；
2)防辐射集料坯体碳化增强
将所得集料坯体在70℃条件下进行干燥，测得其含水率为9.5％；然后将干燥后的集料坯体放入碳化反应釜中碳化6h，得到碳化防辐射功能集料，其中控制碳化反应釜的温度为40℃，CO2浓度为50vol％，湿度为50％，压强为0.3MPa。
将所得碳化防辐射功能集料进一步进行筛分，分别得到粒径为0-5mm的碳化防辐射功能细集料和粒径为5～20mm的碳化防辐射功能粗集料，其中碳化防辐射功能细集料的细度模数为4.1。
实施例2
一种碳化防辐射功能集料，具体制备步骤如下：
1)防辐射集料坯体制备
将钢渣进行破碎、烘干和粉磨得到钢渣粉，测得钢渣粉80μm筛余量为12.0％，比表面积为420m2/kg；
将所得钢渣粉500份、重晶石粉510份、石灰石粉95份、羟甲基纤维素0.8份、水170份，均匀混合，得混合坯料；
将所得混合坯料投入造粒机中进行造粒，造粒机的倾角为30～70°，转速为35～50r/min，控制集料坯体粒径为0～20mm；
2)防辐射集料坯体碳化增强
将所得集料坯体在70℃条件下进行干燥，测得其含水率为6.5％；然后将干燥后的集料坯体放入碳化反应釜中碳化6h，得到碳化防辐射功能集料，其中控制碳化反应釜的温度为40℃，CO2浓度为50vol％，湿度为55％，压强为0.3MPa。
将所得碳化防辐射功能集料进一步进行筛分，分别得到粒径为0-5mm的碳化防辐射功能细集料和粒径为5～20mm的碳化防辐射功能粗集料，其中碳化防辐射功能细集料的细度模数为3.9。
实施例3
一种碳化防辐射功能集料，具体制备步骤如下：
1)防辐射集料坯体制备
将钢渣进行破碎、烘干和粉磨得到钢渣粉，测得钢渣粉80μm筛余量为12.0％，比表面积为420m2/kg；
将所得钢渣粉530份、重晶石粉520份、石灰石粉110份、羟甲基纤维素0.8份、水135份，均匀混合，得混合坯料；
将所得混合坯料投入造粒机中进行造粒，造粒机的倾角为30～70°，转速为35～50r/min，控制集料坯体粒径为0～20mm；
2)防辐射集料坯体碳化增强
将所得集料坯体在70℃条件下进行干燥，测得其含水率为6.5％；然后将干燥后的集料坯体放入碳化反应釜中碳化4h，得到碳化防辐射功能集料，其中控制碳化反应釜的温度为50℃，CO2浓度为50vol％，湿度60％，压强为0.5MPa。
将所得碳化防辐射功能集料进一步进行筛分，分别得到粒径为0-5mm的碳化防辐射功能细集料和粒径为5～20mm的碳化防辐射功能粗集料，其中碳化防辐射功能细集料的细度模数为4.6。
实施例4
一种碳化防辐射功能集料，具体制备步骤如下：
1)防辐射集料坯体制备
将钢渣进行破碎、烘干和粉磨得到钢渣粉，测得钢渣粉80μm筛余量为12.0％，比表面积为420m2/kg；
将所得钢渣粉500份、重晶石粉300份、石灰石粉110份、羟甲基纤维素0.6份、水145份，均匀混合，得混合坯料；
将所得混合坯料投入造粒机中进行造粒，造粒机的倾角为30～70°，转速为35～50r/min，控制集料坯体粒径为0～20mm；
2)防辐射集料坯体碳化增强
将所得集料坯体在70℃条件下进行干燥，测得其含水率为7.5％；然后将干燥后的集料坯体放入碳化反应釜中碳化6h，得到碳化防辐射功能集料，其中控制碳化反应釜的温度为40℃，CO2浓度为50vol％，湿度60％，压强为0.3MPa。
将所得碳化防辐射功能集料进一步进行筛分，分别得到粒径为0-5mm的碳化防辐射功能细集料和粒径为5～20mm的碳化防辐射功能粗集料，其中碳化防辐射功能细集料的细度模数为4.9。
实施例5
一种碳化防辐射功能集料，具体制备步骤如下：
1)防辐射集料坯体制备
将钢渣进行破碎、烘干和粉磨得到钢渣粉，测得钢渣粉80μm筛余量为12.0％，比表面积为420m2/kg；
将所得钢渣粉490份(重量份数计，下同)、重晶石粉520份、石灰石粉115份、羟甲基纤维素0.6份、水135份，均匀混合，得混合坯料；
将所得混合坯料投入造粒机中进行造粒，造粒机的倾角为30～70°，转速为35～50r/min，控制集料坯体粒径为0～20mm；
2)防辐射集料坯体碳化增强
将所得集料坯体在70℃条件下进行干燥，测得其含水率为5.5％；然后将干燥后的集料坯体放入碳化反应釜中碳化9h，得到碳化防辐射功能集料，其中控制碳化反应釜的温度为50℃，CO2浓度为60vol％，湿度为70％，压强为0.8MPa。
将所得碳化防辐射功能集料进一步进行筛分，分别得到粒径为0-5mm的碳化防辐射功能细集料和粒径为5～20mm的碳化防辐射功能粗集料，其中碳化防辐射功能细集料的细度模数为5.5。
实施例6
一种碳化防辐射功能集料，具体制备步骤如下：
1)防辐射集料坯体制备
将钢渣进行破碎、烘干和粉磨得到钢渣粉，测得钢渣粉80μm筛余量为12.0％，比表面积为420m2/kg；
将所得钢渣粉505份(重量份数计，下同)、重晶石粉510份、石灰石粉95份、羟甲基纤维素0.5份、水125份，均匀混合，得混合坯料；
将所得混合坯料投入造粒机中进行造粒，造粒机的倾角为30～70°，转速为35～50r/min，控制集料坯体粒径为0～20mm；
2)防辐射集料坯体碳化增强
将所得集料坯体在70℃条件下进行干燥，测得其含水率为5.3％；然后将干燥后的集料坯体放入碳化反应釜中碳化8h，得到碳化防辐射功能集料，其中控制碳化反应釜的温度为50℃，CO2浓度为95vol％，湿度为60％，压强为1.0MPa。
将所得碳化防辐射功能集料进一步进行筛分，分别得到粒径为0-5mm的碳化防辐射功能细集料和粒径为5～20mm的碳化防辐射功能粗集料，其中碳化防辐射功能细集料的细度模数为4.8。
对比例1
一种碳化防辐射功能集料，具体制备步骤如下：
1)防辐射集料坯体制备
将钢渣进行破碎、烘干和粉磨得到钢渣粉，测得钢渣粉80μm筛余量为12.0％，比表面积为420m2/kg；
将所得钢渣粉300份、重晶石粉600份、羟甲基纤维素0.9份、水180份，均匀混合，得混合坯料；
将所得混合坯料投入造粒机中进行造粒，造粒机的倾角为30～70°，转速为35～50r/min，控制集料坯体粒径为0～20mm；
2)防辐射集料坯体碳化增强
将所得集料坯体在70℃条件下进行干燥，测得其含水率为9.5％；然后将干燥后的集料坯体放入碳化反应釜中碳化6h，得到碳化防辐射功能集料，其中控制碳化反应釜的温度为40℃，CO2浓度为50vol％，湿度为50％，压强为0.3MPa。
将所得碳化防辐射功能集料进一步进行筛分，分别得到粒径为0-5mm的碳化防辐射功能细集料和粒径为5～20mm的碳化防辐射功能粗集料，其中碳化防辐射功能细集料的细度模数为4.7。
对比例2
一种碳化防辐射功能集料，具体制备步骤如下：
1)防辐射集料坯体制备
将钢渣进行破碎、烘干和粉磨得到钢渣粉，测得钢渣粉80μm筛余量为12.0％，比表面积为420m2/kg；
将所得钢渣粉590份(重量份数计，下同)、重晶石粉595份、石灰石粉130份、羟甲基纤维素0.5份、水105份，均匀混合，得混合坯料；
将所得混合坯料投入造粒机中进行造粒，造粒机的倾角为30～70°，转速为35～50r/min，控制集料坯体粒径为0～20mm；
2)防辐射集料坯体碳化增强
将所得集料坯体在70℃条件下进行干燥，测得其含水率为5.2％；然后将干燥后的集料坯体放入碳化反应釜中碳化8h，得到碳化防辐射功能集料，其中控制碳化反应釜的温度为50℃，CO2浓度为95vol％，湿度为65％，压强为1.0MPa。
将所得碳化防辐射功能集料进一步进行筛分，分别得到粒径为0-5mm的碳化防辐射功能细集料和粒径为5～20mm的碳化防辐射功能粗集料，其中碳化防辐射功能细集料的细度模数为4.8。
对比例3
一种传统的天然防辐射集料，包括重晶石砂(重晶石细集料)和重晶石粗集料，其中重晶石砂的粒径为0～5mm，表观密度为4290kg/m3，硫酸钡含量92％，含泥量0.1％；重晶石粗集料的粒径5～20mm，表观密度4310kg/m3，硫酸钡含量92％，压碎值22％，含泥量0.1％。重晶石粗、细集料均符合《GB/T 50557-2010重晶石防辐射混凝土应用技术规范》中I级重晶石集料规定。
将实施例1～6和对比例1～2所得碳化防辐射功能集料分别进行力学性能、表观密度、吸水性能、屏蔽性能等测试，结果见表1。
表1对比例1～2和实施例1～6所得碳化防辐射功能集料的性能测试结果
应用例
分别将实施例1、2、6和对比例1、2所得碳化防辐射功能集料应用于制备防辐射混凝土，采用的配方要求见表2。对比例3重晶石防辐射混凝土的胶凝材料、用水量、外加剂用量与实施例配方相同，由于重晶石集料表观密度大，重晶石集料用量进行了调整，具体配方见表3。
表2基于碳化防辐射功能集料的防辐射混凝土配合比(kg/m3)
表3基于重晶石集料的防辐射混凝土配合比(kg/m3)
表4、表5和表6分别为本发明提供的防辐射混凝土和重晶石防辐射混凝土基本性能。
表4配比1所得防辐射混凝土的性能测试结果
表5配比2所得防辐射混凝土的性能测试结果
表6配比3所得防辐射混凝土的性能测试结果
表7为本发明提供的防辐射混凝对不同能量的γ射线和中子射线吸收系数，辐射屏蔽效率Rf。
表7防辐射混凝土辐射屏蔽性能
上述实施例的结果表明，本发明所得的碳化防辐射功能集料具有高强度、表观密度低、吸水率低、射线屏蔽系数和固碳量高等优点。功能集料筒压强度15～25MPa之间，表观密度在2800～3200kg/m3，吸水率≤6％，线性屏蔽系数在0.15～0.26cm-1，生产1t功能集料吸收的CO2量≥30kg。在相同配合比条件下，本发明提出的防辐射混凝土各项性能远优于传统防辐射混凝土，其辐射屏蔽性能强，辐射屏蔽系数Rf＞60％，拌合物性能良好，力学性能满足工程设计要求，体积稳定性和长期耐久性能优异；可广泛应用于医疗、农业、科技和核工业等辐射防护工程领域。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种碳化防辐射功能集料，其特征在于，它以钢渣粉、重晶石粉、石灰石粉、成球剂和水为主要原料进行碳化处理得到；其中各原料及其所占重量份数包括：钢渣粉300～600份，成球剂0.5～1份，重晶石粉400～600份，石灰石粉50～200份，水100～200份。
2.根据权利要求1所述的碳化防辐射功能集料，其特征在于，所述水与钢渣粉、重晶石粉、石灰石粉总质量之比为0.1～0.25。
3.根据权利要求1所述的碳化防辐射功能集料，其特征在于，所述钢渣粉80μm筛余量≤15％；比表面积≥400m2/kg；重晶石粉80μm筛余≤20％；石灰石粉80μm筛余≤15％。
4.根据权利要求1所述的碳化防辐射功能集料，其特征在于，所述钢渣粉中主要化学组分及其所占质量百分比包括：CaO 35～50％，Fe2O3 10～25％，SiO2 12～22％，MgO 5～12％，Al2O31～3％，MnO 0～4％，TiO2 0～2％，固溶相0～1％。
5.根据权利要求1所述的碳化防辐射功能集料，其特征在于，所述成球剂为羟甲基纤维素。
6.根据权利要求1所述的碳化防辐射功能集料，其特征在于，所述碳化处理步骤采用的碳化时间为4～12h，温度为20～50℃，湿度为40～70％，CO2浓度为30～100vol％，压强为0.1～1.0MPa。
7.权利要求1～6任一项所述碳化防辐射功能集料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)功能集料坯体制备
将钢渣进行破碎、烘干和粉磨得钢渣粉；将所得钢渣粉与重晶石粉、石灰石粉、成球剂和水均匀混合，得混合坯料；然后投入到造粒机中进行造粒，得集料坯体；
2)功能集料坯体碳化增强
将所得集料坯体进行干燥，然后将其置于碳化反应釜中进行碳化处理，即得所述碳化防辐射功能集料。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤1)造粒机的倾角为30～70°，转速为35～50r/min，集料坯体粒径为0～20mm。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤2)控制集料坯体含水率为5-10％。
10.权利要求1～6任一项所述碳化防辐射功能集料或权利要求7～9任一项所述制备方法制备的防辐射混凝土，其特征在于，各原料及其所占重量份数包括：水泥180～550份，矿物掺合料0～300份，膨胀剂0～50份，细集料900～1200份，粗集料1000～1400份，水100～200份，减水剂0～25份；其中细集料和粗集料分别采用碳化防辐射功能集料进行筛分得到。
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|---|---|
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101343155A (zh) * | 2008-08-29 | 2009-01-14 | 济南大学 | 碳化养护废弃物制成的再生骨料 |
| CN108658488A (zh) * | 2018-05-03 | 2018-10-16 | 宋俊芳 | 一种防辐射保温板及其制备方法 |
| CN110922145A (zh) * | 2019-12-18 | 2020-03-27 | 武汉理工大学 | 一种高强度碳化人造骨料的制备方法 |
| CN113121192A (zh) * | 2021-05-08 | 2021-07-16 | 武汉理工大学 | 一种碳酸钙基砂粉增强碳化硬化体及其制备方法 |
| CN113929346A (zh) * | 2020-06-29 | 2022-01-14 | 江苏苏博特新材料股份有限公司 | 适配于重混凝土的抗裂剂、及基于铁矿石骨料的重混凝土 |
-
2022
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101343155A (zh) * | 2008-08-29 | 2009-01-14 | 济南大学 | 碳化养护废弃物制成的再生骨料 |
| CN108658488A (zh) * | 2018-05-03 | 2018-10-16 | 宋俊芳 | 一种防辐射保温板及其制备方法 |
| CN110922145A (zh) * | 2019-12-18 | 2020-03-27 | 武汉理工大学 | 一种高强度碳化人造骨料的制备方法 |
| CN113929346A (zh) * | 2020-06-29 | 2022-01-14 | 江苏苏博特新材料股份有限公司 | 适配于重混凝土的抗裂剂、及基于铁矿石骨料的重混凝土 |
| CN113121192A (zh) * | 2021-05-08 | 2021-07-16 | 武汉理工大学 | 一种碳酸钙基砂粉增强碳化硬化体及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 庞永师等，华南理工大学出版社: "《建筑工程造价手册》", vol. 2, pages: 193 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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