CN117865526A - 一种低本底辐射、高辐射屏蔽性熟料粉及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及混凝土熟料粉技术领域，公开了一种低本底辐射、高辐射屏蔽性熟料粉。同时公开了制备方法，包括如下制备步骤:S1以铁矿石、石灰石和铝矾土作为原料，以清洁能源作为燃料，在1100～1300℃下煅烧并保温，制得高铁相熟料；S2以水泥生料作为原料，并添加重晶石，在1420～1500℃下煅烧，制得富钡相低钙高铁熟料；S3制备熟料粉成品:将S1中的高铁相熟料和S2中的富钡相低钙高铁熟料按比例混合后进行球磨，得到熟料粉成品。本申请通过烧成工艺控制，制成的两种熟料矿物均以贝利特、铁相固溶体为主，相比于常规硅酸盐水泥体系，其完全水化所需的拌合水量大幅降低，可减少混凝土孔隙，大幅提升硬化后的混凝土整体致密度，进而提高了辐射屏蔽效应。
Description
技术领域
本发明属于混凝土熟料粉技术领域，具体地说，涉及一种低本底辐射、高辐射屏蔽性熟料粉及其制备方法。
背景技术
在建筑材料领域，混凝土作为一种重要的结构材料，被广泛应用于建筑、基础设施和工程项目中。然而，传统混凝土在一些特定应用中存在一些问题，其中之一就是放射性核素的含量较高。这些放射性核素可能来自于混凝土原材料中的天然放射性元素，也可能来自于生产过程中所使用的燃料，尤其是使用煤炭作为燃料时，会引入大量的放射性核素；因此，这些放射性核素的存在对于建筑材料的性能和安全性会造成一定的影响。
传统的混凝土制备过程并未针对放射性核素问题进行优化，导致混凝土中的放射性核素含量难以控制，进而限制了混凝土材料的使用范围；现有技术中，为提高混凝土屏蔽辐射效果，通常直接向混凝土中投加重晶石或重晶石砂，进而实现防护X射线、γ射线以及中子射线等多种辐射，如公开号为CN112979247A的专利公开的一种基于重晶石的防辐射混凝土。
然而，直接向混凝土中投加重晶石，虽然会提高混凝土屏蔽辐射的性能，但，同时也会影响混凝土的脆性、和易性、以及混凝土厚度，进而影响建筑结构的灵活性和施工的效率。
针对上述情况，如何确保混凝土材料具备一定力学性能的前提下，充分降低混凝土材料中放射性核素含量，提高混凝土材料屏蔽辐射效果是当前急需解决的问题。
发明内容
本申请用于解决现有技术存在的混凝土材料存在放射性核素和防辐射混凝土力学性能降低的技术问题。
因而，本发明的第一目的在于，提供一种低本底辐射、高辐射屏蔽性熟料粉的制备方法，通过。
具体地，一种低本底辐射、高辐射屏蔽性熟料粉的制备方法，包括如下制备步骤:
S1以铁矿石、石灰石和铝矾土作为原料，以清洁能源作为燃料，在1100～1300℃下煅烧并保温，制得高铁相熟料；
S2以水泥生料作为原料，并添加重晶石，在1420～1500℃下煅烧，制得富钡相低钙高铁熟料；
S3制备熟料粉成品:将S1中的高铁相熟料和S2中的富钡相低钙高铁熟料按比例混合后进行球磨，得到熟料粉成品。
技术机理为:
(1)通过烧成工艺控制，制成的两种熟料矿物均以贝利特、铁相固溶体为主，相比于常规硅酸盐水泥体系，其完全水化所需的拌合水量大幅降低，可减少混凝土孔隙，大幅提升硬化后的混凝土整体致密度，进而提高了辐射屏蔽效应，同时实现同等屏蔽效果下，降低了混凝土厚度却仍然能保证混凝土的力学性能，从而提高了建筑结构的灵活性和效率。
(2)其中，烧成工艺控制主要通过主要是控制煅烧温度，进而控制矿物晶型的种类，从而制得以贝利特、铁相固溶体为主的熟料矿物。
(3)熟料粉体系中在引入钡元素的同时大幅增加铁含量，相比现有技术技术中的钙、硅元素，进一步增强了对辐射的屏蔽作用；
(4)通过采用清洁能源燃料，取代传统的煤炭燃料，有效减少放射性核素在熟料中的富集，从而降低最终产品的放射性活性。
本发明的第二目的在于，提供一种由前上述制备方法制得的低本底辐射、高辐射屏蔽性熟料粉。
本申请的有益效果表现在:
(1)通过烧成工艺控制，制成的两种熟料矿物均以贝利特、铁相固溶体为主，相比于常规硅酸盐水泥体系，其完全水化所需的拌合水量大幅降低，可减少混凝土孔隙，大幅提升硬化后的混凝土整体致密度，进而提高了辐射屏蔽效应，同时实现同等屏蔽效果下，降低了混凝土厚度却仍然能保证混凝土的力学性能，从而提高了建筑结构的灵活性和效率。
(2)通过引入钡元素的同时大幅增加铁含量，进一步增强了对辐射的屏蔽作用；同时，煅烧过程中，采用清洁能源燃料，取代传统的煤炭燃料，有效减少放射性核素在熟料中的富集，从而降低最终产品的放射性活性。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
第一，本发明提供了一种低本底辐射、高辐射屏蔽性熟料粉的制备方法，包括如下制备步骤:
S1以铁矿石、石灰石和铝矾土作为原料，以清洁能源作为燃料，在1100～1300℃下煅烧并保温，制得高铁相熟料；
S2以水泥生料作为原料，并添加重晶石，在1420～1500℃下煅烧，制得富钡相低钙高铁熟料；
S3制备熟料粉成品:将S1中的高铁相熟料和S2中的富钡相低钙高铁熟料按比例混合后进行球磨，得到熟料粉成品。
本发明中，高铁相熟料煅烧时间为70～180min，其中，保温时长为20～60min。
通过保温20～60min，保证反应的充分进行，从而降低游离氧化钙等游离氧化物的含量，以确保熟料中铁相固溶体、硅酸二钙矿物组分含量和后期制备熟料粉应用于混凝土后的力学性能。
本发明中，富钡相低钙高铁熟料的煅烧时间为60～120min。
本发明中，按质量比计，水泥生料:重晶石为90～95:4～5。
本发明中，按质量比计，高铁相熟料与富钡相低钙高铁熟料的混合比例为50～70:30～50。
本发明中，所述清洁能源为氢气、天然气中的至少一种。
本发明中，按质量百分比计，所述高铁相熟料中Fe2O3的含量为20～25％。
本发明中，按质量比计，所述高铁相熟料中包含如下矿物组分:铁相固溶体:硅酸二钙为8～10:0～2。
本发明中，按质量百分比计，所述富钡相低钙高铁熟料包含以下组分:0.5％≤BaO≤3.0％，5.0％≤Fe2O3≤7.0％，50％≤CaO≤60％。
本发明中，按质量百分比计，所述富钡相低钙高铁熟料中包含如下矿物组分:贝利特矿物≥40％，铁相固溶体≥16％。
第二，本发明提供了一种由上述制备方法制得的低本底辐射、高辐射屏蔽性熟料粉。
<实施例>
实施例1
(1)制备高铁相熟料
使用铁矿石(Fe2O3含量为70％)、石灰石和铝矾土作为主要原料；以氢气为清洁能源燃料，将原料在1250℃下煅烧2小时，保温20min，制得Fe2O3含量为25％的高铁相熟料。
其中，高铁相熟料中，各矿物组分及其质量百分数为：C4AF(铁铝酸四钙)85％、C6A2F(铁二铝酸六钙)15％、C2S(硅酸二钙)5％。
(2)制备富钡相低钙高铁熟料
按质量百分数计，使用95％的水泥生料作为主要原料，并添加5％重晶石作为辅助成分；以天然气为清洁能源燃料，在1450℃下煅烧1.5小时，制得BaO含量为2.2％，Fe2O3含量为6.5％，CaO含量为58％的富钡相低钙高铁熟料。
其中，富钡相低钙高铁熟料的各矿物组分及其质量百分数为:贝利特矿44％、C4AF20％、C6A2F 18％、不含C3A(铝酸三钙)。
(3)混合和粉磨
将步骤(1)中制得的高铁相熟料与步骤(2)中制得的富钡相低钙高铁熟料按照60:40的质量比混合，通过球磨，使两种熟料充分混合，制得低本底辐射、高屏蔽性熟料粉。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，步骤(1)中，采用Fe2O3含量为80％的铁矿石为原料，原料在1300℃下煅烧1.5小时，保温20min；制得Fe2O3含量为22％的高铁相熟料；
步骤(2)中，添加3％重晶石作为辅助成分，在1500℃下煅烧1小时，制得BaO含量为1.5％，Fe2O3含量为5.5％，CaO含量为53％的富钡相低钙高铁熟料；
步骤(3)中，高铁相熟料与富钡相低钙高铁熟料按照70:30的质量比混合；
其中，高铁相熟料中，各矿物组分及其质量百分数为：C4AF(铁铝酸四钙)95％、C6A2F(铁二铝酸六钙)5％、不含C2S(硅酸二钙)。
其中，富钡相低钙高铁熟料的各矿物组分及其质量百分数为:贝利特矿物40％、C4AF 18％、C6A2F 20％、不含C3A。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，步骤(1)中，采用Fe2O3含量为75％的铁矿石为原料，原料在1280℃下煅烧1.8小时，保温30min，制得Fe2O3含量为20％的高铁相熟料；
步骤(2)中，添加4％重晶石作为辅助成分，在1420℃下煅烧1.2小时，制得BaO含量为0.5％，Fe2O3含量为6.2％，CaO含量为56％的富钡相低钙高铁熟料；
步骤(3)中，高铁相熟料与富钡相低钙高铁熟料按照65:35的质量比混合。
其中，高铁相熟料中，各矿物组分及其质量百分数为：C4AF(铁铝酸四钙)88％、C6A2F(铁二铝酸六钙)12％、C2S(硅酸二钙)2％。
富钡相低钙高铁熟料的各矿物组分及其质量百分数为:贝利特矿物42％、C4AF19％、C6A2F 17％、不含C3A。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于，步骤(1)中，采用Fe2O3含量为85％的铁矿石为原料，在1320℃下煅烧1.2小时，保温40min，制得Fe2O3含量为23％的高铁相熟料；
步骤(2)中，添加2％重晶石作为辅助成分，在1480℃下煅烧1.8小时，制得BaO含量为2.5％，Fe2O3含量为5.8％，CaO含量为54％的富钡相低钙高铁熟料；
步骤(3)中，高铁相熟料与富钡相低钙高铁熟料按照75:25的质量比混合。
其中，高铁相熟料中，各矿物组分及其质量百分数为：C4AF(铁铝酸四钙)92％、C6A2F(铁二铝酸六钙)8％、C2S(硅酸二钙)3％。
富钡相低钙高铁熟料的各矿物组分及其质量百分数为:贝利特矿物45％、C4AF17％、C6A2F 19％、不含C3A。
<对比例>
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于，以煤炭替代氢气或天然气作为燃料。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于，步骤(2)中不采用重晶石。
对比例3
本对比例与实施例1的区别在于，步骤(1)中未进行高温保温。
对比例4
本对比例与实施例1的区别在于，步骤(2)中水泥生料按高Al2O3/FeO3比例配料。
<试验例>
试验例1
以实施例1-4以及对比例1-3为样品，采用GB/T 11713-2015《高纯锗γ能谱分析通用方法》，测定样品放射性活度比(bq/kg)，实验结果如表1所示。
表1
试验例2
将实施例1-4以及对比例1-3提供的熟料粉应用于混凝土，并制备混凝土测试样，在各混凝土测试样保持同等辐射屏蔽效果的前提下，测试混凝土层的厚度，最后与常规P·O42.5水泥制备的混凝土进行比较，比较结果如下表所示。
表2
由表1和表2可知，实施例1-4所制得的熟料粉具备较低的放射性活度比、高屏蔽性能，进而从材料上降低了混凝土的辐射性并提高了屏蔽性能，其中，原料选择、高温保温、燃料选择、重晶石的量均对熟料粉的辐射性和屏蔽性以及力学性能有着重要影响；与此同时，在各混凝土测试样保持同等辐射屏蔽效果的前提下，测试混凝土层的厚度，本发明在保证同样的力学性能的情况下厚度更低。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种低本底辐射、高辐射屏蔽性熟料粉的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤:
S1以铁矿石、石灰石和铝矾土作为原料，以清洁能源作为燃料，在1100～1300℃下煅烧并保温，制得高铁相熟料；
S2以水泥生料作为原料，并添加重晶石，在1420～1500℃下煅烧，制得富钡相低钙高铁熟料；
S3制备熟料粉成品:将S1中的高铁相熟料和S2中的富钡相低钙高铁熟料按比例混合后进行球磨，得到熟料粉成品。
2.根据权利要求1所述的低本底辐射、高辐射屏蔽性熟料粉的制备方法，其特征在于，步骤S1中，高铁相熟料煅烧时间为70～180min，其中，保温时长为20～60min。
3.根据权利要求2所述的低本底辐射、高辐射屏蔽性熟料粉的制备方法，其特征在于，步骤S2中，富钡相低钙高铁熟料的煅烧时间为60～120min。
4.根据权利要求1所述的低本底辐射、高辐射屏蔽性熟料粉的制备方法，其特征在于，步骤S2中，按质量比计，水泥生料:重晶石为90～95:4～5。
5.根据权利要求2所述的低本底辐射、高辐射屏蔽性熟料粉的制备方法，其特征在于，步骤S3中，按质量比计，高铁相熟料与富钡相低钙高铁熟料的混合配比为50～70:30～50。
6.根据权利要求2所述的低本底辐射、高辐射屏蔽性熟料粉的制备方法，其特征在于，按质量百分比计，所述高铁相熟料中Fe2O3的含量为20～25％。
7.根据权利要求2所述的低本底辐射、高辐射屏蔽性熟料粉的制备方法，其特征在于，按质量百分比计，所述高铁相熟料中包含如下矿物组分:铁相固溶体8～10％、硅酸二钙为0～2％。
8.根据权利要求2所述的低本底辐射、高辐射屏蔽性熟料粉的制备方法，其特征在于，按质量百分比计，所述富钡相低钙高铁熟料包含以下组分:0.5％≤BaO≤3.0％，5.0％≤Fe2O3≤7.0％，50％≤CaO≤60％。
9.根据权利要求2所述的低本底辐射、高辐射屏蔽性熟料粉的制备方法，其特征在于，按质量百分比计，所述富钡相低钙高铁熟料中包含如下矿物组分:贝利特矿物≥40％，铁相固溶体≥16％。
10.一种由权利要求1至9中任意一项所述的制备方法制得的熟料粉。
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2023
- 2023-11-30 CN CN202311619404.4A patent/CN117865526A/zh active Pending
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