CN117645447A - 防辐射混凝土掺和料、混凝土、固化物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种防辐射混凝土掺和料、混凝土、固化物及其制备方法。属于防辐射混凝土技术领域。防辐射混凝土掺和料按重量份计包括如下组分：磁铁矿粗骨料1409份、蛇纹石细骨料641份、水泥403份、粒化高炉渣173份。防辐射混凝土组合物，按重量份计包括如下组分：磁铁矿粗骨料1409份、蛇纹石细骨料641份、水泥403份、粒化高炉渣173份、减水剂1.7份、消泡剂8.6份和水230份。防辐射混凝土固化物由防辐射混凝土组合物固化而获得。上述防辐射混凝土利用磁铁矿密度大，高温下防辐射能力相比重晶石、赤铁矿等材料稳定的特点以及蛇纹石结构中含有结晶水，高温下比较稳定的特点，综合了伽马射线和中子射线屏蔽能力，并具备良好的抗压强度和高温力学性能。
Description
技术领域
本申请属于防辐射混凝土技术领域，涉及一种防辐射混凝土掺和料、混凝土、固化物及其制备方法
背景技术
防辐射混凝土属于特种混凝土，是目前使用最为广泛的射线防护材料，在核电、军事、科研、教育、医疗等众多领域得到广泛的应用。随着低碳经济和核能的发展，核电运行装机7000万千瓦，防辐射混凝土将起到不可代替的作用。
相比α、β、X射线，伽马射线和中子射线带来的核爆炸或者核辐射是最具破坏性的辐射类型，如1986年4月26日切尔诺贝利核电站爆炸引发核泄漏，2011年3月11日日本福岛核电站反应堆建筑物遭受地震、爆炸冲击以及高温等荷载最终损坏引发的核泄露。这二类辐射更具侵入性，它们具有高穿透力和电离能，因此，世界上医学、工业和科学研究的核技术领域中，辐射屏蔽结构的建立是最大的一个挑战。目前，对于同时改善伽马射线和中子辐射衰减的混凝土材料研究甚少。
发明内容
本申请实施例提供一种防辐射混凝土掺和料，按重量份计包括如下组分：
磁铁矿粗骨料1409份、蛇纹石细骨料641份、水泥403份、粒化高炉渣173份。
在其中一种可能的实施方式中，本申请实施例提供的防辐射混凝土掺和料，所述磁铁矿粗骨料的粒径为5-20mm。
在其中一种可能的实施方式中，本申请实施例提供的防辐射混凝土掺和料，所述蛇纹石细骨料的粒径为0.15mm-5mm，细度模数为2.8。
在其中一种可能的实施方式中，本申请实施例提供的防辐射混凝土掺和料，所述磁铁矿粗骨料的级配曲线为4.75-9.5：9.5-16：16-20＝6：7：6。
在其中一种可能的实施方式中，本申请实施例提供的防辐射混凝土掺和料，所述蛇纹石细骨料的级配曲线为0.15-0.3：0.3-0.6：0.6-1.18：1.18-2.36：2.36-4.75＝12：23：25：20：15。
本申请实施例还提供一种防辐射混凝土组合物，按重量份计包括如下组分：磁铁矿粗骨料1409份、蛇纹石细骨料641份、水泥403份、粒化高炉渣173份、减水剂1.7份、消泡剂8.6份和水230份。
本申请实施例还提供一种防辐射混凝土固化物，由上述防辐射混凝土组合物固化而获得。
本申请实施例还提供一种防辐射混凝土的制备方法，包括如下步骤：
按重量份计，将磁铁矿粗骨料1409份、蛇纹石细骨料641份、水泥403份和粒化高炉渣173份放入到工业搅拌机中，干搅均匀；
将减水剂1.7份、消泡剂8.6份和水230份加入到工业搅拌机中，搅拌均匀，得防辐射混凝土。
上述防辐射混凝土利用磁铁矿密度大，高温下防辐射能力相比重晶石、赤铁矿等材料稳定的特点以及蛇纹石结构中含有结晶水，高温下比较稳定的特点，综合了伽马射线和中子射线屏蔽能力，并具备良好的抗压强度和高温力学性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是试件在不同温度前后表观特征对比图。
具体实施方式
相比α、β、X射线，伽马射线和中子射线带来的核爆炸或者核辐射是最具破坏性的辐射类型，如1986年4月26日切尔诺贝利核电站爆炸引发核泄漏，2011年3月11日日本福岛核电站反应堆建筑物遭受地震、爆炸冲击以及高温等荷载最终损坏引发的核泄露。这二类辐射更具侵入性，它们具有高穿透力和电离能，因此，世界上医学、工业和科学研究的核技术领域中，辐射屏蔽结构的建立是最大的一个挑战。目前，对于同时改善伽马射线和中子辐射衰减的混凝土材料研究甚少。
由公知可知，伽马射线易被重材料或致密混凝土吸收，轻元素可以吸收中子射线。磁铁矿密度大，高温下防辐射能力相比重晶石、赤铁矿等材料稳定，蛇纹石结构中含有结晶水，高温下比较稳定，重元素通过非弹性碰撞减缓中子速度，氢元素通过碰撞进一步降低中子速度。
基于此，本申请实施例提供一种防辐射混凝土掺和料、防辐射混凝土组合物、防辐射混凝土固化物及其制备方法。利用磁铁矿密度大，高温下防辐射能力相比重晶石、赤铁矿等材料稳定的特点以及蛇纹石结构中含有结晶水，高温下比较稳定的特点，综合了伽马射线和中子射线屏蔽能力，并具备良好的抗压强度和高温力学性能。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请的优选实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例一
本申请实施例提供一种防辐射混凝土掺和料，按重量份计包括如下组分：
磁铁矿粗骨料1409份、蛇纹石细骨料641份、水泥403份、粒化高炉渣173份，其中：
磁铁矿密度大，高温下防辐射能力相比重晶石、赤铁矿等材料稳定，蛇纹石结构中含有结晶水，高温下比较稳定，重元素通过非弹性碰撞减缓中子速度，氢元素通过碰撞进一步降低中子速度，防辐射混凝土综合了伽马射线和中子射线屏蔽能力，具备良好的抗压强度和高温力学性能。
另外，矿物掺和料的高效利用极大的减少了碳排放，对我国低碳经济和核能事业的发展以及特殊领域防辐射结构的建设具有重要的理论支持、实践指导和社会经济意义。
具体地，磁铁矿粗骨料的粒径为5-20mm，磁铁矿粗骨料的级配曲线为4.75-9.5：9.5-16：16-20＝6：7：6；
蛇纹石细骨料的粒径为0.15mm-5mm，细度模数为2.8，蛇纹石细骨料的级配曲线为0.15-0.3：0.3-0.6：0.6-1.18：1.18-2.36：2.36-4.75＝12：23：25：20：15。
进一步地，由于蛇纹石石棉含量高，容易造成防辐射混凝土搅拌时用水量多且不稳定，导致混凝土力学性能的不稳定。
因此，采取的解决办法是蛇纹石骨料0.15mm以下骨料不与采用，摇筛机筛分后分0.15-0.3、0.3-0.6、0.6-1.18、1.18-2.36、2.36-4.75储存，然后依次对以上5种不同粒径的蛇纹石细骨料经手筛、鼓风机筛选后去除蛇纹石中大量的石棉，最终按照级配曲线配置出细骨料。
实施例二
本申请实施例提供一种防辐射混凝土组合物，按重量份计包括如下组分：磁铁矿粗骨料1409份、蛇纹石细骨料641份、水泥403份、粒化高炉渣173份、减水剂1.7份、消泡剂8.6份和水230份。
实施例三
本申请实施例提供一种防辐射混凝土固化物，由实施例2中的防辐射混凝土组合物固化而获得。固化的方法并无特别限制，应用本领域公知的方法即可。
实施例四
本申请实施例提供一种防辐射混凝土的制备方法，包括如下步骤：
按重量份计，将磁铁矿粗骨料1409份、蛇纹石细骨料641份、水泥403份和粒化高炉渣173份放入到工业搅拌机中，干搅均匀；
将减水剂1.7份、消泡剂8.6份和水230份加入到工业搅拌机中，搅拌均匀，得防辐射混凝土。
试验例
材料前期准备：
磁铁矿：来自陕西天宝矿业有限公司，最大粒径20mm，选用粒径为5-20mm，材料成分见附表1，材料参数见附表2。
蛇纹石：来自灵寿县博财矿产品加工厂，最大粒径5mm，选用0.15-5mm，细度模数为2.8，材料成分见附表1，材料参数见附表2。
水泥：来自湖南衡阳祁阳海螺牌水泥有限责任公司P.O 42.5普通硅酸盐水泥，初凝时间212min，终凝时间268min，氯离子含量0.035％，3d抗压强度28.4Mpa，抗折强度5.4Mpa,28d抗压强度52.0Mpa，抗折强度8.4Mpa.材料成分见附表1。
粒化高炉矿渣：来自河南郑州巩义市龙泽净水材料有限公司S95级矿渣粉，密度3100g/cm3,含水量0.45％，材料成分见附表1。
减水剂：来自上海臣启化工科技有限公司CQJ-JSS02聚羧酸减水剂，含水率1.81％，PH值为7.0，混凝土减水率为28％。
消泡剂：来自河南郑州巩义市龙泽净水材料有限公司，乳白色液体，PH值为7.1，消泡速率75.3，抑泡速率21.2。
水：自来水。
附表1磁铁矿、蛇纹石骨料化学成分(％)
附表2磁铁矿、蛇纹石骨料参数
方案设计：
以配置C40防辐射混凝土为基础，通过对比试验得到：混凝土磁铁矿粗骨料级配曲线4.75-9.5：9.5-16：16-20＝6：7：6，蛇纹石细骨料级配曲线为0.15-0.3：0.3-0.6：0.6-1.18：1.18-2.36：2.36-4.75＝12：23：25：20：15。
通过单因素试验得到：防辐射混凝土的最佳用水量为240g，砂率为0.29，水胶比为0.4，矿粉掺量为30％，减水剂掺量为0.3％，消泡剂掺量为0.3％，在此基础上，以水胶比0.4-0.5、砂率0.29-0.36、用水量220-250为区间，减水剂为0.3％、消泡剂为0.3％，矿粉掺量为30％，进了三因素响应曲面优化设计，制作17组试件测得28d抗压强度，得到最优配合比为每1立方米混凝土包括以下组分：磁铁矿1409kg，蛇纹石641kg，水泥水泥403kg，粒化高炉矿渣173kg，减水剂1.7kg，消泡剂8.6kg，用水量230kg，按照上面最优配合比复配3组试件，28kd抗压强度满足C40要求。
具体制备方法：
1)分别将水泥、粒化高炉矿渣、磁铁矿粗骨料、蛇纹石细骨料加入搅拌机中，并搅拌均匀，搅拌时间1min；
2)称量水690g和消泡剂25.8g，称量粉状减水剂5.1g并加入至水中，自然沉淀得到混合溶液，之后加入1/3混合溶液至搅拌机中搅拌45S；
3)将消泡剂均匀加入搅拌机中，同时继续加入1/3混合溶液并搅拌1分钟；
4)将剩余1/3混合溶液加入搅拌机中，并搅拌1min；
5)将混凝土拌合物一次性装入试模，装料时用抹刀沿模内壁插捣，并使混凝土拌合物高出试模上口；
6)将试模放置振动台，在保证表面出浆且无明显大气泡溢出的振捣时间为25S，试件成型后用塑料薄膜覆盖表面；
7)试件成型后在温度为20±5℃、相对湿度大于50％的室内静置24h，而后编号标记、拆模；
8)拆模后立即放入温度为20±2℃，相对湿度为95％以上的标准养护室中养护，而后进行混凝土抗压强度试验、劈裂抗拉强度试验和γ射线屏蔽试验。
抗压强度试验：试件拆模后，分别在标准养护室养护至3d、7d、14d、28d、56d后，从养护室取出，擦除试件表面水分，利用微机控制电液伺服万能试验机，以0.5Mpa/S为加载速率，抗压强度换算系数0.95，对各龄期试件进行抗压强度测试，结果如附表3所示。
分析试验数据表明，随着龄期增加，磁铁矿-蛇纹石的抗压强度增加，28d时基本稳定，从28d和56d抗压强度数据可知，28d后强度基本无增幅。
劈裂抗拉强度试验：
以0.05为加载速率，换算系数为0.85，利用微机控制电液伺服万能试验机对3d、7d、14d、28d、56d试件进行劈裂抗拉试验并记录试验数据，试验结果如附表3所示，结果表明随着试件龄期增加，劈裂抗拉强度不断增加，28d时劈裂抗拉强度达到最大值5.1Mpa，随后随着龄期增加，劈拉强度基本无变化。
附表3试件抗压强度、抗拉强度变化表
γ射线屏蔽试验：
防辐射混凝土的γ射线屏蔽试验采用BN1326核物理试验平台进行，该平台主要由γ射线辐射源、技术系统和NaI(TI)闪烁探测器等组成。其中，γ射线辐射源使用0.662Mev光子能量的137Cs放射线同位素，试验试件尺寸为100mm×100mm×100mm。试验过程对试件均匀划分为9个不同测试点，每个测试点暴漏在γ射线辐射下60S，试验结束后一起自动计数，结果如附表4所示。
附表4试件高温后超声波和线性衰减系数表
说明：蛇纹石防中子射线能力以结构材料结晶水损失评估，具体数据体现在高温作用前后质量损失数据上。
研究分析数据结果表明，由于辐照高温对防辐射混凝土造成的物理和化学等方面的变化，高温作用后材料的γ射线屏蔽能力依次减小；从高温后超声波测试数据可知，辐照高温会造成材料结构损坏，随着温度的上升裂缝越多，损坏程度越大。
通常我们以试件结晶水的含量来评估防中子射线能力，100℃时，高温作用下主要是自由水的蒸发和流失，200-800℃时，高温作用下主要是结晶水的流失，因此，基于试验数据高温前后质量差，200℃、300℃、450℃、600℃、800℃下结晶水损失百分比依次为1.76％、4.33％、5.26％、6.24％、9.46，可见，随时温度提升，结构材料的防中子射线能力不断减弱。
参见图1所示，观察不同高温后试件表面特征发现，100-300℃时，表面颜色变化明显，无明显裂缝，300℃时开始出现裂痕，450-600℃时，裂缝数量增多，裂缝宽度增大，800℃时出现贯穿型裂缝，试件损害。
Claims (8)
1.一种防辐射混凝土掺和料，其特征在于，按重量份计包括如下组分：
磁铁矿粗骨料1409份、蛇纹石细骨料641份、水泥403份、粒化高炉渣173份。
2.根据权利要求1所述的防辐射混凝土掺和料，其特征在于，所述磁铁矿粗骨料的粒径为5-20mm。
3.根据权利要求1所述的防辐射混凝土掺和料，其特征在于，所述蛇纹石细骨料的粒径为0.15mm-5mm，细度模数为2.8。
4.根据权利要求2所述的防辐射混凝土掺和料，其特征在于，所述磁铁矿粗骨料的级配曲线为4.75-9.5：9.5-16：16-20＝6：7：6。
5.根据权利要求3所述的防辐射混凝土掺和料，其特征在于，所述蛇纹石细骨料的级配曲线为0.15-0.3：0.3-0.6：0.6-1.18：1.18-2.36：2.36-4.75＝12：23：25：20：15。
6.一种防辐射混凝土组合物，其特征在于，按重量份计包括如下组分：磁铁矿粗骨料1409份、蛇纹石细骨料641份、水泥403份、粒化高炉渣173份、减水剂1.7份、消泡剂8.6份和水230份。
7.一种防辐射混凝土固化物，其特征在于，由权利要求6所述的防辐射混凝土组合物固化而获得。
8.一种防辐射混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
按重量份计，将磁铁矿粗骨料1409份、蛇纹石细骨料641份、水泥403份和粒化高炉渣173份放入到工业搅拌机中，干搅均匀；
将减水剂1.7份、消泡剂8.6份和水230份加入到工业搅拌机中，搅拌均匀，得防辐射混凝土。
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