劉學(xué)智 賈 梅 戴華興 劉 陽(yáng) 王力偉 陶曉坤

(1.秦皇島市第一醫(yī)院 河北 秦皇島 066000 2.河北建材職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河北 秦皇島 066000)

通常，用于放射防護(hù)的屏蔽砂漿主要是通過(guò)提高其表觀密度和容重來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于重晶石的化學(xué)性能穩(wěn)定，密度大，具有良好的射線(xiàn)吸收性能，提高表觀密度和容重的方式通常是在砂漿中拌入重晶石，比如硫酸鋇水泥。

但由于重晶石強(qiáng)度較低，重晶砂和水泥砂漿密度差較大，制作出的屏蔽砂漿容易離析，并且強(qiáng)度低，容易開(kāi)裂，有泄露射線(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)。本文將通過(guò)實(shí)驗(yàn)在屏蔽砂漿中摻入鋼纖維來(lái)研究其力學(xué)性能的改善效果。

1 屏蔽砂漿配制選用材料

1.1 鉛粉

鉛或含鉛的物質(zhì)原子序數(shù)較高，具有較好的射線(xiàn)吸收性能，可以作為屏障吸收不必要的X射線(xiàn)。本文配制屏蔽砂漿所用的鉛粉300粒度(目)，活化度99%，含鉛量98%。密度5.24kg·m-3。

1.2 骨料

本文采用重晶石配制屏蔽砂漿，為改善砂漿和易性，以及膠凝材料和集料之間密度差的問(wèn)題，砂漿中另外摻入普通砂石作為細(xì)骨料。本文配制屏蔽砂漿所用的重晶砂為火山沉積型，莫氏硬度為2.5，密度為4200kg·m-3，水溶鹽含量<0.1；所選用普通砂石細(xì)度模數(shù)為3.0，含泥量為1.6%，表觀密度為2640kg·m-3，堆積密度為1460kg·m-3。

1.3 超細(xì)鋼纖維

屏蔽砂漿擬摻入超細(xì)鋼纖維，用以提高砂漿的韌性和強(qiáng)度，本文所選用的超細(xì)鋼纖維，直徑在0.17mm至0.22mm之間，長(zhǎng)度在19mm至24mm之間。

1.4 膠凝材料

屏蔽砂漿選用的P·O 42.5硅酸鹽水泥符合《普通硅酸鹽水泥(GB175-2007)》標(biāo)準(zhǔn)。

1.5 減水劑

為將超細(xì)鋼纖維均勻的分布在屏蔽砂漿中，可以通過(guò)在屏蔽砂漿中加入減水劑實(shí)現(xiàn)。擬選用萘系高效減水劑萘甲醛磺酸鹽，其減水率為21%，水泥凈漿流動(dòng)度大于234mm。

2 屏蔽砂漿配合比探討

2.1 配合比

為探討砂漿配制效果，本文提出兩組基礎(chǔ)配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，其中第一組試樣編號(hào)為A1，配合比為水泥500kg·m-3、水180kg·m-3、砂450kg·m-3、重晶砂1000kg·m-3。

第二組試樣編號(hào)為A2，配合比為水泥500kg·m-3、水180kg·m-3、砂450kg·m-3、重晶砂1000kg·m-3，另外摻入超細(xì)鋼纖維78kg·m-3。

為提高砂漿的屏蔽效果，在屏蔽砂漿中摻入膠凝材料重量10%、20%、30%的鉛粉，拌入體積1%的超細(xì)鋼纖，用以研究屏蔽性能、力學(xué)性能的變化。另外提出四組屏蔽砂漿優(yōu)化試樣配合比：

優(yōu)化第一組試樣編號(hào)為B1配合比為水泥500kg·m-3、水180kg·m-3、砂450kg·m-3、重晶砂1000kg·m-3，摻入超細(xì)鋼纖維78kg·m-3。

優(yōu)化第二組試樣編號(hào)為B2配合比為水泥500kg·m-3、水180kg·m-3、砂450kg·m-3、重晶砂1000kg·m-3、鉛粉50kg·m-3，摻入超細(xì)鋼纖維78kg·m-3。

優(yōu)化第三組試樣編號(hào)為B3配合比為水泥500kg·m-3、水180kg·m-3、砂450kg·m-3、重晶砂1000kg·m-3、鉛粉100g·m-3，摻入超細(xì)鋼纖維78kg·m-3。

優(yōu)化第四組試樣編號(hào)為B4配合比為水泥500kg·m-3、水180kg·m-3、砂450kg·m-3、重晶砂1000kg·m-3、鉛粉150g·m-3，摻入超細(xì)鋼纖維78kg·m-3。

2.2 屏蔽砂漿配合比效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)

按2.1中配合比配制屏蔽砂漿，將攪拌好的砂漿倒入140mm×140mm×40mm的模具中，并進(jìn)行同條件養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)好后脫模用以放射防護(hù)實(shí)驗(yàn)。另外，按配合比制備試件進(jìn)行抗壓抗折實(shí)驗(yàn)。抗壓和抗折試塊每個(gè)配合比選取3組，試塊每組3個(gè)，砂漿入模后，放置到振動(dòng)臺(tái)上，振動(dòng)時(shí)避免試模跳動(dòng)，振動(dòng)5至10秒后取下試件，試件制作完成后放置在平均氣溫20℃，空氣相對(duì)濕度60±5%的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)至齡期，然后脫模進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

本文所選用的放射源是10MeV的直線(xiàn)加速器，試塊在養(yǎng)護(hù)28天后，進(jìn)行屏蔽效果實(shí)驗(yàn)，試塊上端是直線(xiàn)加速器探頭，中間為屏蔽砂漿試塊，下端為射線(xiàn)檢測(cè)裝置。

3 屏蔽砂漿的屏蔽效果和力學(xué)性能

3.1 砂漿的屏蔽性能

經(jīng)實(shí)驗(yàn)，兩組基礎(chǔ)配合比試樣A1、A2的砂漿屏蔽性能為：

A1：屏蔽前劑量率2.45Gy·min-1，屏蔽后劑量率1.55Gy·min-1，衰減系數(shù)1.14×10-2cm-1。

A2：屏蔽前劑量率2.45Gy·min-1，屏蔽后劑量率1.54Gy·min-1，衰減系數(shù)1.15×10-2cm-1。

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，屏蔽放射線(xiàn)的主要途徑是對(duì)射線(xiàn)能量傳導(dǎo)或吸收，放射線(xiàn)能量達(dá)到6MeV，超細(xì)鋼纖維難以對(duì)射線(xiàn)能量進(jìn)行吸收和傳導(dǎo)，屏蔽性能上變化微弱。

3.2 砂漿的抗壓強(qiáng)度

各試塊7天、14天、28天的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度均按《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法測(cè)試》(GB/T17671-1999)的要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)檢測(cè)兩組基礎(chǔ)配合比試樣A1、A2的砂漿力學(xué)性能為：

A1：7d齡期抗壓強(qiáng)度46.7MPa，14d齡期抗壓強(qiáng)度50.1MPa，28d齡期抗壓強(qiáng)度53.4MPa。

A2：7d齡期抗壓強(qiáng)度47.2MPa，14d齡期抗壓強(qiáng)度55.4MPa，28d齡期抗壓強(qiáng)度58.7MPa。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，但齡期達(dá)到28天時(shí)，A1與A2組砂漿強(qiáng)度均達(dá)到50MPa以上，砂漿強(qiáng)度較高。在齡期7天時(shí)，A1與A2組抗壓強(qiáng)度差異較小。當(dāng)砂漿齡期至28天時(shí)，A2比A1組強(qiáng)度提高了9.9%。超細(xì)鋼纖維提高了砂漿強(qiáng)度，但提高效果不顯著。就其破壞形態(tài)而言，A1組試件破壞時(shí)被壓潰，在相同的加荷速度下，A2組試件在破壞時(shí)保持了相對(duì)較好的整體性，證明超細(xì)鋼纖維可以提高了砂漿抗壓變形的能力。

3.3 砂漿抗折強(qiáng)度

齡期到7天、14天、28天后，檢測(cè)其抗折強(qiáng)度，各齡期的抗折強(qiáng)度為：

A1：7d齡期抗折強(qiáng)度5.9MPa，14d齡期抗折強(qiáng)度6.0MPa，28d齡期抗折強(qiáng)度6.6MPa。

A2：7d齡期抗折強(qiáng)度6.8MPa，14d齡期抗折強(qiáng)度7.0MPa，28d齡期抗折強(qiáng)度8.4MPa。

從檢測(cè)結(jié)果可以看出，超細(xì)鋼纖維對(duì)增加砂漿抗折強(qiáng)度較顯著，兩組試樣28天抗折強(qiáng)度分別達(dá)到6.6MPa和8.4MPa，抗折強(qiáng)度較高。

對(duì)比7天、14天、28天各齡期抗折強(qiáng)度，A2比A1組分別提高了15.3%、16.7%、27.3%。在砂漿中摻入超細(xì)鋼纖維能在開(kāi)裂破壞的時(shí)承擔(dān)部分荷載，顯著提高抗拉強(qiáng)度，可以防止或延緩在受力過(guò)程中的裂縫。砂漿在破壞時(shí)，超細(xì)鋼纖維未破壞，只是緩慢地從砂漿中拔出，這一過(guò)程中也消耗了外力的部分能量，摻入超細(xì)鋼纖維的砂漿韌性較普通砂漿明顯增加。

3.4 拌入鉛粉后砂漿屏蔽性能研究

拌入鉛粉后優(yōu)化組試樣屏蔽前后劑量率為：

B1：屏蔽前劑量率2.45Gy·min-1，屏蔽后劑量率1.54Gy·min-1，衰減系數(shù)1.15×10-2cm-1。

B2：屏蔽前劑量率2.45Gy·min-1，屏蔽后劑量率1.52Gy·min-1，衰減系數(shù)1.18×10-2cm-1。

B3：屏蔽前劑量率2.45Gy·min-1，屏蔽后劑量率1.51Gy·min-1，衰減系數(shù)1.21×10-2cm-1。

B4：屏蔽前劑量率2.45Gy·min-1，屏蔽后劑量率1.49Gy·min-1，衰減系數(shù)1.23×10-2cm-1。

從檢測(cè)結(jié)果可以看出，對(duì)比各優(yōu)化組試樣的屏蔽性能，隨著鉛粉拌入的增加，屏蔽性能顯著提高。B1和B4組試樣屏蔽后的劑量率分別為1.54Gy·min-1和1.49Gy·min-1，兩組劑量率相比減小顯著，衰減系數(shù)也提高明顯。

從現(xiàn)有理論可知，影響放射衰減的主要因素有：材料的密度、材料的原子序數(shù)、材料的吸收限。

鉛元素的原子序數(shù)大，密度也大，常被用于射線(xiàn)防護(hù)。本文選用鉛粉的粒度是300目，在屏蔽砂漿配制過(guò)程中均勻地分布在砂漿中，形成了屏蔽層，配制出的砂漿屏蔽性能顯著提升。

3.5 拌入鉛粉后砂漿的抗壓強(qiáng)度研究

齡期至7天、14天、28天后，對(duì)試樣進(jìn)行抗壓實(shí)驗(yàn)，各齡期抗壓強(qiáng)度為：

B1：7d齡期抗壓強(qiáng)度47.2MPa，14d齡期抗壓強(qiáng)度55.4MPa，28d齡期抗壓強(qiáng)度58.7MPa。

B2：7d齡期抗壓強(qiáng)度42.8MPa，14d齡期抗壓強(qiáng)度50.8MPa，28d齡期抗壓強(qiáng)度53.8MPa。

B3：7d齡期抗壓強(qiáng)度42.5MPa，14d齡期抗壓強(qiáng)度49.7MPa，28d齡期抗壓強(qiáng)度52.1MPa。

B4：7d齡期抗壓強(qiáng)度41.0MPa，14d齡期抗壓強(qiáng)度46.4MPa，28d齡期抗壓強(qiáng)度49.3MPa。

從檢測(cè)結(jié)果可以看出，鉛粉的摻入后，抗壓強(qiáng)度隨之降低。各齡期的試樣中B1組強(qiáng)度最高，其余依次為B2組、B3組、B4組。

3.6 拌入鉛粉后砂漿的抗折強(qiáng)度研究

齡期至7天、14天、28天后，對(duì)試樣進(jìn)行抗折實(shí)驗(yàn)，各齡期抗折強(qiáng)度為：

B1：7d齡期抗折強(qiáng)度6.8MPa，14d齡期抗折強(qiáng)度7.0MPa，28d齡期抗折強(qiáng)度8.4MPa。

B2：7d齡期抗折強(qiáng)度5.9MPa，14d齡期抗折強(qiáng)度6.5MPa，28d齡期抗折強(qiáng)度7.9MPa。

B3：7d齡期抗折強(qiáng)度5.5MPa，14d齡期抗折強(qiáng)度6.2MPa，28d齡期抗折強(qiáng)度6.8MPa。

B4：7d齡期抗折強(qiáng)度5.4MPa，14d齡期抗折強(qiáng)度6.2MPa，28d齡期抗折強(qiáng)度6.5MPa。

從檢測(cè)結(jié)果可以看出，拌入鉛粉后的砂漿抗折強(qiáng)度均隨鉛粉的拌入量的增加而降低。

綜上所述，抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度趨勢(shì)較為一致的，即隨著鉛粉的拌入量增加強(qiáng)度下降。拌入鉛粉引起抗折強(qiáng)度下降的原因與抗壓強(qiáng)度降低相同，鉛粉是導(dǎo)致砂漿強(qiáng)度降低的主要原因，改變了砂漿的整體性能，雖然摻入超細(xì)鋼纖維，但砂漿的強(qiáng)度降低也比較嚴(yán)重。

3.7 結(jié)論

通過(guò)在砂漿中摻入超細(xì)鋼纖維、拌入鉛粉，研究屏蔽砂漿的屏蔽性能和力學(xué)性能的變化，得出的觀點(diǎn)有：

(1)以重晶石為主要集料配制的屏蔽砂漿，射線(xiàn)防護(hù)效果顯著增強(qiáng)，初始劑量率為2.45Gy·min-1的放射線(xiàn)經(jīng)40mm后的屏蔽砂漿防護(hù)后劑量率減少至1.55Gy/min，衰減系數(shù)為1.14×10-2cm-1。摻入超細(xì)鋼纖維后砂漿屏蔽性能略有提高，但影響較小。

(2)摻入超細(xì)鋼纖維后，屏蔽砂漿的抗壓與抗折強(qiáng)度均可得到提高，齡期28天后，抗壓強(qiáng)度提高了9.9%，抗折強(qiáng)度提高了27.3%

(3)屏蔽砂漿中摻入鉛粉雖然可提高屏蔽性能，但隨著鉛粉摻入量增加，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度降低明顯。

(4)雖然在砂漿中拌入鉛粉可提高屏蔽效果，但由于隨著鉛粉的增加，砂漿的抗壓和抗折強(qiáng)度降低，并且用于醫(yī)療檢查用房放射防護(hù)的改造工程，含鉛砂漿并不能表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)摻入鉛粉將提高工程造價(jià)。綜上所述，醫(yī)療檢查用房放射防護(hù)或放射防護(hù)級(jí)別增加時(shí)，本文建議采用摻入鋼纖維的重晶石砂漿對(duì)原有墻體進(jìn)行加厚處理，建議砂漿配合比為水泥500kg·m-3、水180kg·m-3、砂450kg·m-3、重晶砂1000kg·m-3，另外摻入超細(xì)鋼纖維78kg·m-3。