徐高友 張輝赤 張建平 吳明菊 曾莉媛 田明

（四川中核艾瑞特工程檢測(cè)有限公司，四川 綿陽(yáng) 621000）

0 前言

防輻射混凝土又稱為重混凝土、屏蔽混凝土，由于其自重較大，內(nèi)含部分重核元素，可以有效屏蔽核輻射，相比于鉛板等金屬材料具有顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)異性，因而被廣泛用于核反應(yīng)堆、粒子加速器及其他放射源的屏蔽介質(zhì)。原子核輻射一般包括α 射線、β 射線、γ 射線、X射線和中子等，其中γ 射線和中子的穿透能力最強(qiáng)，因而也是輻射防護(hù)領(lǐng)域的主要防護(hù)對(duì)象[1-3]。

γ 射線是由強(qiáng)光子流組成的電磁輻射，靜止質(zhì)量為零，不帶電荷，與物質(zhì)作用時(shí)不像帶電粒子那樣多次逐漸消耗其能量，而是一次作用就可能把大部分甚至全部能量傳遞給次級(jí)帶電粒子和次級(jí)光子，再經(jīng)電離、激發(fā)把能量傳給介質(zhì)。其穿透力極強(qiáng)，一般常用原子序數(shù)大、密度大的重核材料對(duì)其進(jìn)行屏蔽，如Pb等[1-2，4]。

中子不帶電荷，穿透力極強(qiáng)，按能量大小可分為快中子、中速中子、慢中子?？熘凶又饕ㄟ^(guò)在物質(zhì)中與原子核碰撞而損失能量，并產(chǎn)生核反應(yīng)或使某些原子核裂變?yōu)橛蟹派湫缘脑雍?。而中速中子和慢中子只有與輕核元素作用才可被吸收，如含較多氫元素的石蠟、水等[2]。因此，用于屏蔽γ射線和中子流的防輻射混凝土不僅要具有較大的表觀密度，也要含有足夠數(shù)量的結(jié)晶水，才能起到較好的輻射屏蔽效果[3，5-6]。

核化工工程相比核電工程因防輻射混凝土使用功能不同，在防輻射混凝土設(shè)計(jì)上有很大區(qū)別，核電工程對(duì)防輻射混凝土一般僅提出混凝土強(qiáng)度等級(jí)和密度要求，而核化工工程的防輻射混凝土既有混凝土強(qiáng)度等級(jí)和密度要求，又有核素組分技術(shù)指標(biāo)。例如，某核化工工程中防輻射混凝土技術(shù)要求是服役壽期內(nèi)防輻射混凝土總質(zhì)量密度不小于3.5g/cm3、H元素的等效質(zhì)量密度不小于0.03g/cm3，則混凝土中結(jié)晶水需達(dá)到270kg/m3，而以往可參考的資料有20世紀(jì)70年代初某室內(nèi)小型堆體工程用防輻射混凝土結(jié)晶水含量為180kg/m3（大量結(jié)晶水是通過(guò)石膏礬土膨脹水泥使用引入的，石膏礬土膨脹水泥因其具有凝結(jié)快、水化熱高的特點(diǎn)，給施工帶來(lái)極大困難），2000年綿陽(yáng)某核工程防輻射混凝土結(jié)晶水含量?jī)H為90kg/m3。

本文研究制備了56d抗壓強(qiáng)度＞C40，密度＞3500kg/m3，坍落度（170～190）mm，H元素含量＞30kg/m3的防輻射混凝土，同時(shí)研究確定了溫度、水灰比、用水量對(duì)防輻射混凝土性能的影響，供后續(xù)研究參考。

1 高H元素含量防輻射混凝土制備

1.1 原材料的選用

為保證防輻射混凝土中擁有足夠的H元素，需要防輻射混凝土中具有足夠含量的結(jié)晶水，因此進(jìn)行原材料選擇時(shí)需同時(shí)考慮密度和結(jié)晶水含量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)。

1）水泥：采用P.O52.5普通硅酸鹽水泥，結(jié)晶水＞13%，主要物理性能指標(biāo)如表1所示。

表1 水泥主要物理性能指標(biāo)

2）摻合料：采用CEA-MF90混凝土用氧化鎂膨脹劑，M型。

3）水：采用飲用水。

4）外加劑：采用緩凝型HP-Re聚羧酸高性能減水劑，減水率30%以上。

5）細(xì)骨料：采用褐鐵礦砂、鋼丸。褐鐵礦砂表觀密度3660kg/m3、結(jié)晶水含量14.23%、Fe2O3含量75.03%，其余性能符合JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》要求。鋼丸粒徑（0～5）mm、表觀密度7500kg/m3。

6）粗骨料：采用（5～25）mm褐鐵礦石、鋼鍛。褐鐵礦石表觀密度3670kg/m3、結(jié)晶水含量14.18%、Fe2O3含量70.23%，其余性能符合JGJ 52-2006 要求。鋼鍛粒徑滿足5-25連續(xù)級(jí)配，表觀密度7850kg/m3。

1.2 高H元素含量防輻射混凝土制備工藝

由于本配合比中使用了大量的鋼丸，攪拌時(shí)一次投料容易造成攪拌機(jī)葉片卡住，因此攪拌時(shí)采用多次投料，其制備工藝如圖1所示[7]。

圖1 防輻射混凝土制備工藝流程圖

1.3 防輻射混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.3.1 配合比設(shè)計(jì)思路

高H元素含量防輻射泵送混凝土需滿足以下要求：1）表觀密度≥3500kg/m3；2）設(shè)計(jì)28d抗壓強(qiáng)度≥C40；3）H元素質(zhì)量密度≥30kg/m3；4）拌合物和易性和坍落度滿足泵送施工要求，坍落度設(shè)計(jì)值（160±30）mm。

制備高H元素含量防輻射泵送混凝土，需在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的同時(shí)滿足混凝土密度、H元素質(zhì)量密度、坍落度及和易性要求。因此，首先測(cè)試水泥、褐鐵礦石、褐鐵礦砂、MgO中的H元素含量，設(shè)計(jì)密度3570kg/m3，在進(jìn)行配合比理論計(jì)算時(shí)，在滿足H元素質(zhì)量密度的基礎(chǔ)上確定材料用量，在試算基礎(chǔ)上進(jìn)行試拌，測(cè)試防輻射混凝土的坍落度、表觀密度、和易性，當(dāng)實(shí)測(cè)拌合物表觀密度與計(jì)算值之差絕對(duì)值超過(guò)2%時(shí)，應(yīng)進(jìn)行材料用量修正，經(jīng)反復(fù)試拌及性能測(cè)試，從防輻射混凝土的技術(shù)性能、可施工性、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行系列的推演、優(yōu)化試驗(yàn)，最終確定符合設(shè)計(jì)要求的最佳配合比[8]。

1.3.2 最佳配合比

依據(jù)NB/T 20378-2016《核電廠屏蔽混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，在試拌、性能表征的基礎(chǔ)上確定最佳配合比，如表2所示。

表2 高H元素含量防輻射混凝土配合比原材料用量一覽表

PB1、PB2、PB3的和易性均滿足施工要求，但PB3的坍落度不滿足設(shè)計(jì)要求，PB2的膠凝材料用量低于PB1，因此優(yōu)選PB2作為最佳配合比。

2 防輻射混凝土性能檢測(cè)

2.1 防輻射混凝土密度均勻性

按GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行防輻射混凝土拌合物制備，防輻射混凝土拌合物密度均勻性檢測(cè)方法依據(jù)NB/T 20378-2016，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 防輻射混凝土拌合物密度均勻性檢測(cè)結(jié)果

從表3可以看出，隨著水膠比的增大，防輻射混凝土拌合物密度呈下降趨勢(shì)，同時(shí)，防輻射混凝土密度均勻性下降趨勢(shì)較明顯。這是由于防輻射混凝土中使用的都是密度較高的骨料，水灰比超過(guò)一定范圍會(huì)造成骨料下沉，影響防輻射混凝土均勻性。

2.2 高溫穩(wěn)定性

要求在80℃下處置24h后抗壓強(qiáng)度、H元素質(zhì)量密度能繼續(xù)滿足設(shè)計(jì)要求。

由于配合比中含有部分金屬骨料，存在無(wú)法研磨至檢測(cè)要求的可能，因此在進(jìn)行H元素含量試件制備時(shí)采用GB/T 34008-2017《防輻射混凝土》附錄D中方法進(jìn)行元素分析試件制備，試件尺寸（70.7×70.7×70.7）mm。此次驗(yàn)證試驗(yàn)中防輻射混凝土檢測(cè)齡期為56d，高溫處理試件（以下簡(jiǎn)稱GY試件）與基準(zhǔn)試件（以下簡(jiǎn)稱JZ試件）同時(shí)制作，在相同條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在GY試件進(jìn)行80℃處置24h時(shí)，GY試件置于與JZ試件同一檢測(cè)室內(nèi)。

2.2.1 抗壓強(qiáng)度

檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 防輻射混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

2.2.2 H元素質(zhì)量密度

高溫處置完成后同時(shí)使用無(wú)水乙醇終止水化，在50℃烘干，磨樣。根據(jù)元素分析試件中實(shí)測(cè)H元素含量計(jì)算防輻射混凝土中H元素質(zhì)量密度，結(jié)果如表5所示。

表5 防輻射混凝土中H元素質(zhì)量密度檢測(cè)結(jié)果

從表5可以看出，隨著膠凝材料用量的減少，防輻射混凝土中H元素含量下降趨勢(shì)明顯，這是由于含有較多結(jié)晶水的水泥用量減少，因此進(jìn)行高H元素含量防輻射混凝土制備時(shí)，在滿足耐久性、最高膠凝材料用量、拌合物性能的前提下，宜選擇較高的膠凝材料用量。經(jīng)80℃高溫處置24h后，防輻射混凝土中H元素含量降低，這是由于防輻射混凝土長(zhǎng)時(shí)間處于高溫環(huán)境下造成結(jié)晶水損失，因此服役環(huán)境處于高溫狀態(tài)下的防輻射混凝土應(yīng)選擇高溫穩(wěn)定性能優(yōu)異的骨料，才能降低溫度對(duì)防輻射混凝土屏蔽性能的影響。

2.3 用水量對(duì)密度影響

防輻射混凝土在攪拌站生產(chǎn)過(guò)程中，由于骨料含水量波動(dòng)，常出現(xiàn)防輻射混凝土密度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的情況。在PB2最優(yōu)配比基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)不同用水量，研究用水量對(duì)防輻射混凝土密度的影響。見(jiàn)表6。

表6 不同用水量配合比情況

從圖2可以看出，隨著防輻射混凝土中用水量的增大，拌合物密度下降較快，這是由于相對(duì)于相同質(zhì)量的水和重骨料而言，水占的體積遠(yuǎn)高于重骨料體積，單位體積質(zhì)量下降。因此，防輻射混凝土生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照上機(jī)配比控制用水量，確保滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 用水量和防輻射混凝土拌合物密度關(guān)系曲線

3 結(jié)論

1）隨著水膠比的增大，會(huì)造成骨料下沉，影響防輻射混凝土均勻性。

2）進(jìn)行高H元素含量防輻射混凝土制備時(shí)，在滿足耐久性、最高膠凝材料用量、拌合物性能的前提下，宜選擇較高的膠凝材料用量。同時(shí)，服役環(huán)境處于高溫狀態(tài)下的防輻射混凝土應(yīng)選擇高溫穩(wěn)定性能優(yōu)異的骨料，以降低溫度對(duì)防輻射混凝土屏蔽性能的影響。

3）隨著防輻射混凝土中用水量的增大，拌合物密度下降較快，因此，防輻射混凝土生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照上機(jī)配比控制用水量，確保滿足設(shè)計(jì)要求。