CN115716735A - 一种低热高抗裂大体积防辐射混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低热高抗裂大体积防辐射混凝土及其制备方法，主要涉及混凝土技术领域，以重量份计包括：低热抗裂水泥：200～250；矿物掺合料：80‑140；膨胀剂：25～30；硼砂：3～4；粗骨料：1000～1090；细骨料：780～860；外加剂：5～10；水：145～160。本发明通过采用低热水泥以及粉煤灰作为新胶凝材料体系降低早期水化放热量及水化放热速率，提高混凝土前期稳定性，有效解决防了辐射大体积结构在不允许预埋冷却水管的条件下降低早期温升，降低由于温度而引起的早期开裂风险。

Description

一种低热高抗裂大体积防辐射混凝土及其制备方法

技术领域

本发明主要涉及混凝土技术领域，具体涉及一种低热高抗裂大体积防辐射混凝土及其制备方法。

背景技术

防辐射混凝土是一种能够有效防护对人体有害射线辐射的新型混凝土，也可被称为防射线混凝土、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、χ、γ射线和中子流。防辐射混凝土不仅要具有较大的表观密度，还应含有足够数量的结晶水及硼、镉、锂等轻元素；同时通过混凝土的高强高性能化，提高水泥石密实性，降低混凝土孔隙率，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。

目前针对核工业及医疗试验室防护结构，为提升结构防辐射性能，主要屏蔽穿透能力强的γ射线和中子流，采用高密度的材料可使其衰减，目前大多采用重骨料或结晶水的方式制备防辐射混凝土，使用的重骨料主要包括钢锻、重晶石和铁矿石等，钢锻对混凝土和易性和包裹性影响较大，振捣过程容易出现泌水离析等问题，重晶石存在晶型结构存在层状解理、压碎值大、易脆等问题，混凝土结构易开裂，有害离子易沿着裂缝及骨料解理层逐渐渗透，严重时影响混凝土结构使用寿命。使用表观密度大的重骨料制备混凝土时易出现滞后泌水、离析及骨料下沉现象，一旦控制不好增大混凝土结构开裂风险，从而影响结构的防辐射性能。选用磁铁矿石作为骨料制备混凝土会增大混凝土施工成本。

为提升混凝土结构防辐射性能，在辐射较强区域混凝土结构尺寸基本超过2m，且布筋密集，设计时不允许内部设置冷却水管，同时不允许预留水平施工缝，局部结构预埋管线多，施工振捣难度大，为保障其施工性能往往需要较多的胶凝材料提高流动性能，这也增大了混凝土温度开裂风险，针对防辐射结构领域，目前对混凝土防辐射和抗裂性能共同研究相对较少，个别采用掺加抗裂剂用于解决大体积混凝土温升快而以及混凝土收缩等问题。但是稳定性低，质量不稳定，因此导致使用过程中混凝土仍存在部分结构开裂现象。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低热高抗裂大体积防辐射混凝土及其制备方法，解决现有技术中防辐射大体积混凝土温升快而高带来的技术问题。

本发明公开了一种低热高抗裂大体积防辐射混凝土，以重量份计包括：低热抗裂水泥：200～250；矿物掺合料：80-140；膨胀剂：25～30；硼砂：3～4；粗骨料：1000～1090；细骨料：780～860；外加剂：5～10；水：145～160。

进一步的，所述低热抗裂水泥为42.5级低热硅酸盐水泥，C2S≥40％，C3A≤6％，28d抗压强度≥42.5MPa，90d抗压强度≥62.5MPa，3d水化热≤230KJ/kg，7d水化热≤260KJ/kg，28d水化热≤310KJ/kg。

进一步的，所述粉煤灰为F类II级及以上粉煤灰。

进一步的，所述膨胀剂，以重量份计包括：

轻烧氧化钙熟料： 30-50％，

轻烧氧化镁熟料： 40-50％，

石膏： 10-20％，

前述各组分的重量百分比之和为100％。

进一步的，所述轻烧氧化钙熟料，其氧化物组成中CaO含量不低于80％。

进一步的，所述轻烧氧化镁熟料，其氧化物组成中MgO含量不低于95％，活性值为100-200s。

进一步的，所述石膏为市售半水石膏，其氧化物组成中SO₃含量不低于48％。

进一步的，所述细骨料为非活性天然河砂，其细度模数为2.3-3.0，含泥量≤1.0％。

进一步的，所述粗骨料非活性碎石，粒径为5～25mm连续级配碎石，表观密度≥2750kg/m3，针片状含量≤15％，压碎值≤16％，空隙率宜≤45％，含泥量≤1.0％。

进一步的，所述硼砂为Na₂B₄O₇·10H₂O，分子量为381.37，系无色半透明结晶体或白色结晶粉末。

进一步的，所述外加剂为聚羧酸高性能减水剂。

本发明第二个目的是保护一种低热高抗裂大体积防辐射混凝土的制备方法，包括以下步骤，

S1.按配比称取各原料；

S2.向搅拌机中加入细骨料和粗骨料并充分搅拌，搅拌时间不少于60秒；

S3.将水泥、粉煤灰、膨胀剂、硼砂在搅拌机中充分混合；

S4.将水和外加剂依次加入搅拌机内，混合搅拌均匀，得混合浆体，成型后即得所述防辐射大体积抗裂混凝土。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

1.本发明通过采用低热水泥以及粉煤灰作为新胶凝材料体系降低早期水化放热量及水化放热速率，提高混凝土前期稳定性，有效解决防了辐射大体积结构在不允许预埋冷却水管的条件下降低早期温升，降低由于温度而引起的早期开裂风险；

2.利用膨胀剂中不同膨胀组分的水化不同的膨胀特性，氧化钙水化反应快、活性高、膨胀能大，可在结构混凝土升温期有效存储膨胀预压应力并少量补偿降温期收缩变形，氧化镁具有延迟膨胀特性，膨胀历程长，主要补偿结构混凝土较长龄期内的温降收缩和自收缩；

3.针对大体积防辐射结构的水化温度及变形的特点设计出专用膨胀组分，采用氧化钙、氧化镁、石膏等以一定比列复合，形成的膨胀剂适用于低热水泥胶凝材料体系，对防辐射混凝土结果全过程补偿收缩，效果优于单一膨胀源；

4.利用硼砂中有结合水的特点可增强对射线的屏蔽效果，提高了混凝土整体结构的防辐射性能，与采用重晶石、磁铁矿石等作为骨料制备的混凝土相比可明显降低混凝土的成本。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。

实施例1

一种低热高抗裂大体积防辐射混凝土，以重量份计包括：低热抗裂水泥：200～250；矿物掺合料：80-140；专用膨胀剂：25～30；硼砂：3～4；粗骨料：1000～1090；细骨料：780～860；外加剂：5～10；水：145～160。

上述配合比中，砂的细度模数2.8，含泥量0.5％；碎石为5～25mm连续级配，表观密度2790kg/m3，针片状含量5％，压碎值12％，空隙率44％，含泥量0.2％；粉煤灰为F类I级粉煤灰，其细度35％，需水量比100％；硼砂为含有十个结晶水的硼砂；减水剂采用聚羧酸减水剂、保坍剂、减缩剂和引气剂组成的高性能减水剂；

在上述配合比中，为了解决辐射大体积结构在不允许预埋冷却水管的条件下降低早期温升，降低由于温度而引起的早期开裂风险。因此水泥采用42.5低热硅酸盐水泥，其比表面积345m²/kg，C2S含量48％，C3A含量5.2％，28d抗压强度44.5MPa，90d抗压强度65.5MPa，3d水化热215KJ/kg，7d水化热249KJ/kg，28d水化热305KJ/kg。该水泥可以使得混凝土早期水化放热量与放热速率降低，降低由于温升导致的混凝土开裂风险。

在上述配合比中，所诉专用膨胀剂由轻烧氧化钙熟料、轻烧氧化镁熟料、石膏组成。使用专用膨胀剂能够显著降低混凝土早期收缩，具有良好膨胀性能。并且根据不同膨胀组成成分的不同，协同作用于混凝土不同时期，降低混凝土收缩开裂风险。

为了证明低热水泥与粉煤灰新胶凝材料体系的作用，在配合比相同的条件下，对比普通硅酸盐水泥与低热硅酸盐水泥制备混凝土的性能对比，

表1不同种类水泥大体积防辐射混凝土配合比

项目	水泥	粉煤灰	硼砂	砂	碎石	水	减水剂	水泥种类
									1	271	89	3.6	780	1090	155	5	低热硅酸盐水泥
2	249	111	3.6	780	1090	155	5	低热硅酸盐水泥
									3	228	132	3.6	780	1090	155	5	低热硅酸盐水泥
4	271	89	3.6	780	1090	155	5	普通硅酸盐水泥
									5	249	111	3.6	780	1090	155	5	普通硅酸盐水泥
6	228	132	3.6	780	1090	155	5	普通硅酸盐水泥

将上述拌合物成型不同规格的试件，按标准《水工混凝土试验规程》SL352-2006测试其绝热温升。按标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082-2009测试其不同龄期自生体积变形，按标准《混凝土物理力学性能试验方法标准》GB/T50081-2019测试不同龄期抗压强度，上述试验，结果列于表2中。

表2不同种类水泥大体积防辐射混凝土性能对比

对比试验1-6组，其中1-3组采用低热硅酸盐水泥与大掺量粉煤灰体系，4-6组采用硅酸盐水泥与大掺量粉煤灰体系。对比低热硅酸盐水泥体系与普通硅酸盐水泥体系混凝土性能对比，低热硅酸盐水泥混凝土1d绝热温升较普通硅酸盐水泥混凝土低10-20％，3d绝热温升低20-30％。自生体积变形为负值，即表现为收缩，为正值即表现为膨胀。低热硅酸盐水泥混凝土较普通硅酸盐水泥混凝的自生体积变化收缩降低。低热硅酸盐水泥混凝土的早期混凝土抗压强度较低于普通硅酸盐水泥混凝土，但60d龄期时其混凝土抗压强度增长较快，符合设计强度。在1-3组与4-6组中，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土绝热温升、自生体积变形量降低与抗压强度均降低。

表3专用膨胀剂掺低热硅酸盐水泥大体积防辐射混凝土配合比

表4专用膨胀剂掺低热硅酸盐水泥大体积防辐射混凝土性能对比

表3与表4为专用膨胀剂掺低热水泥大体积防辐射混凝土的配合比及性能对比，7-9为不同掺量专用膨胀剂对混凝土的性能变化。7、10、11组为专用膨胀剂掺不同胶凝材料体系混凝土的性能变化。对于7-9组与1-3组可以看出，膨胀剂的掺入降低了混凝土早期绝热温升与自生体积变形，提高了混凝土抗压强度。专用膨胀剂的掺量的增加，混凝土绝热温升、自生体积变形减小，但作用程度较小。

通过采用低硅酸盐水泥体系与专用膨胀剂，大体积防辐射混凝土的1d绝热温升值相较于普通硅酸盐水泥体系混凝土，显著降低了40％以上，7d绝热温升值相较于对比例1-3降低了20％以上，对于大体积防辐射混凝土结构，尤其在不允许设置冷却水管的条件下，采用上述方法可有效降低结构早期温升、后期温降和里表温差，有利于混凝土的早期温度裂缝的控制。综上所述，采用早期温升、后期温降和里表温差降低协同全过程补偿收缩的方式，可有效解决防辐射混凝土开裂问题。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低热高抗裂大体积防辐射混凝土，其特征在于：以重量份计包括：低热抗裂水泥：200～250；矿物掺合料：80-140；膨胀剂：25～30；硼砂：3～4；粗骨料：1000～1090；细骨料：780～860；外加剂：5～10；水：145～160。

2.根据权利要求1所述的一种低热高抗裂大体积防辐射混凝土，其特征在于：所述低热抗裂水泥为42.5级低热硅酸盐水泥，C2S≥40％，C3A≤6％，28d抗压强度≥42.5MPa，90d抗压强度≥62.5MPa，3d水化热≤230KJ/kg，7d水化热≤260KJ/kg，28d水化热≤310KJ/kg。

3.根据权利要求1所述的一种低热高抗裂大体积防辐射混凝土，其特征在于：所述细骨料为非活性天然河砂，其细度模数为2.3-3.0，含泥量≤1.0％。

4.根据权利要求1所述的一种低热高抗裂大体积防辐射混凝土，其特征在于：所述粗骨料非活性碎石，粒径为5～25mm连续级配碎石，表观密度≥2750kg/m3，针片状含量≤15％，压碎值≤16％，空隙率宜≤45％，含泥量≤1.0％。

5.根据权利要求1所述的一种低热高抗裂大体积防辐射混凝土，其特征在于：所述膨胀剂，以重量份计包括：

轻烧氧化钙熟料： 30-50％，

轻烧氧化镁熟料： 40-50％，

石膏： 10-20％，

前述各组分的重量百分比之和为100％。

6.根据权利要求5所述的一种低热高抗裂大体积防辐射混凝土，其特征在于：所述轻烧氧化钙熟料，其氧化物组成中CaO含量不低于80％。

7.根据权利要求5所述的一种低热高抗裂大体积防辐射混凝土，其特征在于：所述轻烧氧化镁熟料，其氧化物组成中MgO含量不低于95％，活性值为100-200s。

8.根据权利要求5所述的一种低热高抗裂大体积防辐射混凝土，其特征在于：所述硼砂为Na₂B₄O₇·10H₂O，分子量为381.37，系无色半透明结晶体或白色结晶粉末。

9.根据权利要求5所述的一种低热高抗裂大体积防辐射混凝土，其特征在于：所述灭菌步骤为：所述石膏其氧化物组成中SO₃含量不低于48％。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种低热高抗裂大体积防辐射混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，

S1.按配比称取各原料；

S2.向搅拌机中加入细骨料和粗骨料并充分搅拌，搅拌时间不少于60秒；

S3.将水泥、粉煤灰、膨胀剂、硼砂在搅拌机中充分混合；

S4.将水和外加剂依次加入搅拌机内，混合搅拌均匀，得混合浆体，成型后即得所述防辐射大体积抗裂混凝土。