朱晨輝, 李兆恒, 李雪濤, 白衛(wèi)峰, 劉明月, 亢勇, 呂亞軍

(1.華北水利水電大學(xué), 河南 鄭州 450046; 2.廣東省水利水電科學(xué)研究院, 廣東 廣州 510610)

人們身邊潛在的輻射危害無(wú)處不在,這些輻射包括軍事方面的核能、核武器等,民用方面的核電站、各種無(wú)線電設(shè)備等,隨時(shí)有可能危及到人們的健康安全。核能被越來(lái)越廣泛應(yīng)用于民用和軍事方面。在民用方面,全世界大概16%的電能由核反應(yīng)堆生產(chǎn),雖然核電站采用最高級(jí)別的防護(hù)措施,但在歷史上,還是出現(xiàn)了嚴(yán)重的核輻射事故,如1986年蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站和2011年日本福島核電站核泄漏事故,都對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全和周圍環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害。在軍事方面,核爆炸具有非常大的破壞作用,會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波和核輻射,對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成極大的危害。因此,高性能防輻射材料的研發(fā),在民用和軍用方面都具有十分重要的意義。在混凝土中加入重晶石、磁鐵礦、褐鐵礦、廢鐵塊等重金屬材料,能提高混凝土材料的防輻射性能[6],但是這些防輻射混凝土的強(qiáng)度都比較低,在面臨較大沖擊和自然災(zāi)害時(shí)很容易受到破壞。因此,制備出一種既能屏蔽輻射又具有超高強(qiáng)度的混凝土是目前有待解決的重要問(wèn)題之一。

與普通混凝土相比,超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC)具有更高的耐久性和強(qiáng)度。用巖石粉、廢渣、建筑廢料等進(jìn)行骨料替換后的UHPC強(qiáng)度并沒(méi)有明顯的降低,性能沒(méi)有明顯的減弱[7]。這是由于在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)UHPC混合料中粒徑級(jí)配進(jìn)行了優(yōu)化,優(yōu)化后的UHPC具有更密實(shí)的結(jié)構(gòu)。YU R等[8-9]利用修正后的Andreasen and Andersen(A&A)模型,采用輻射屏蔽材料對(duì)UHPC中骨料和集料進(jìn)行替換,得到新的UHPC具有較好的力學(xué)性能、耐久性和密實(shí)結(jié)構(gòu),采用輻射屏蔽材料對(duì)混凝土中的骨料進(jìn)行替換,有望制備出一種兼具超高強(qiáng)度和防輻射性能的混凝土。

文中基于最緊密的堆積設(shè)計(jì)理論,采用修正后的A&A模型進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),使用赤鐵礦替代天然河砂制備新型赤鐵礦防輻射超高性能混凝土,并進(jìn)行了流動(dòng)性、力學(xué)性能和防輻射能力測(cè)試,分析赤鐵礦的加入對(duì)UHPC性能的影響,并將測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)防輻射混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)材料及混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用材料為:Ⅰ級(jí)粉煤灰(產(chǎn)自榮昌盛環(huán)保材料廠)、微硅灰(產(chǎn)自洛陽(yáng)裕民微硅粉有限公司)、P·O 42.5水泥(產(chǎn)自博愛(ài)金隅水泥有限公司)、聚羧酸高效減水劑(減水率為30%,固含量為30%)、天然河砂、赤鐵礦(產(chǎn)自靈壽縣錦鉑礦產(chǎn)品加工廠)和鋼纖維(產(chǎn)自史尉克公司鍍銅微鋼纖維13 mm×0.22 mm)。其中赤鐵礦的物質(zhì)形態(tài)如圖1所示。赤鐵礦的主要成分為Fe2O3和SiO2,并含有少量的CaO、Al2O3以及P2O5,赤鐵礦及所用膠凝材料的成分含量見(jiàn)表1,赤鐵礦密度為5 100 kg/m3。對(duì)赤鐵礦石原料破碎和篩分后,得到兩種不同粒徑的赤鐵礦顆粒,分別為小粒徑(0.00,0.60]mm和大粒徑(0.60,1.18]mm。

(a)宏觀物質(zhì)形態(tài) (b)微觀物質(zhì)形態(tài)(SEM)圖

表1 赤鐵礦與所用膠凝材料的主要化合物 %

1.2 混凝土配合比的設(shè)計(jì)

粗骨料和細(xì)骨料不同的摻入量對(duì)于制備的混凝土的性能有著至關(guān)重要的作用,采用修正后的A&A模型進(jìn)行防輻射UHPC的配合比設(shè)計(jì),利用式(1)進(jìn)行優(yōu)化求解,將修正后的A&A模型作為目標(biāo)曲線,通過(guò)不斷調(diào)整混凝土配合比使得各個(gè)配料的粒徑分布曲線更加貼近目標(biāo)曲線,得到最大的堆積密度[7]。

(1)

式中:D為顆粒粒徑,μm;P(D)為顆粒粒徑小于D的部分;Dmax為最大粒徑,μm;Dmin為最小粒徑,μm;q為分布模量,根據(jù)文獻(xiàn)資料取值為0.23[10]?；炷敛牧系牧椒植技芭浜媳饶繕?biāo)曲線如圖2所示。

圖2 防輻射UHPC配合比、目標(biāo)曲線及粒徑分布

在保證水膠比0.9不變的情況下,使用赤鐵礦顆粒對(duì)UHPC中的天然河砂進(jìn)行不同比例的等體積替換,替換率分別為0%、10%、20%、30%、40%。替換的粒徑分為3種:小粒徑(0.00,0.60]mm、大粒徑(0.60,1.18]mm、全尺寸粒徑(0.00,1.18]mm,對(duì)比分析每種替換情況下不同粒徑對(duì)于赤鐵礦UHPC的影響。赤鐵礦的密度(5 100 kg/m3)為河砂密度(2 600 kg/m3)的1.96倍,每減少1 kg的河砂時(shí),需要增加1.96 kg的赤鐵礦。分別用不同粒徑的赤鐵礦和不同的替換率來(lái)替換天然河砂,制成各組UHPC。試塊H0、H10、H20、H30、H40分別表示赤鐵礦對(duì)天然河砂的替換率為0%、10%、20%、30%、40%的混凝土,編號(hào)后綴的-1、-2、-3分別表示使用小粒徑赤鐵礦替換、大粒徑赤鐵礦替換、全尺寸赤鐵礦替換。各組混凝土配合比見(jiàn)表2。

表2 混凝土的配合比 kg/m3

2 試驗(yàn)

2.1 流動(dòng)性測(cè)試

樣品流動(dòng)性按《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》(GB/T 2419—2005)[11]進(jìn)行測(cè)試,即將制備的漿體倒入圓模中(100 mm×70 mm×60 mm),提起圓模,振動(dòng)后靜置,待漿體不再自由流動(dòng)時(shí),測(cè)量其2個(gè)相互垂直的直徑后,取二者的平均值來(lái)計(jì)算漿體的相對(duì)流動(dòng)度。為了使制備出的漿體均勻,赤鐵礦UHPC攪拌過(guò)程如圖3所示。

圖3 赤鐵礦UHPC的攪拌過(guò)程

2.2 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

按《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(GB/T 17671—2021)[12]進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試,制備試塊規(guī)格為40 mm×40 mm×160 mm,脫模后在溫度(20±1)℃、濕度95%的條件下分別養(yǎng)護(hù)7 d和28 d,試驗(yàn)共13組,每組測(cè)試3個(gè)樣品的強(qiáng)度值并取平均值。

2.3 混凝土中水化產(chǎn)物測(cè)試

使用D8 ADVANCE X射線衍射儀(布魯克公司)進(jìn)行混凝土的水化過(guò)程測(cè)試,對(duì)粉末樣品(粒徑<75 μm)進(jìn)行X射線衍射(XRD)分析,樣品掃描角度范圍為5～70°,掃描速度為4 °/min,測(cè)試樣品分別取自全尺寸粒徑替換并養(yǎng)護(hù)28 d的H0、H10-3、H20-3、H30-3、H40-3部分試塊。

2.4 孔隙測(cè)試

選用麥克AutoPore V 9600壓汞儀對(duì)試塊進(jìn)行壓汞試驗(yàn),最大壓力為379.31 MPa,接觸角為130°,測(cè)算混凝土中孔隙分布規(guī)律以及孔體積大小,測(cè)試試塊分別為養(yǎng)護(hù)7 d和28 d的H0、H40-3部分試塊。

2.5 防輻射測(cè)試

2.5.1 試驗(yàn)裝置

采用伽馬射線測(cè)試儀測(cè)試新制備混凝土的輻射屏蔽能力,測(cè)試儀器由放射源和接收器組成,采用銫-137作為放射源,能量為662 keV,如圖4所示。在沒(méi)放屏蔽試塊時(shí),放射源的初始放射強(qiáng)度為I,放屏蔽試塊時(shí),接收器接收的伽馬射線強(qiáng)度為I0。防輻射測(cè)試試塊長(zhǎng)、寬均為150 mm,厚度分別為10、20、30、40和50 mm,選取全尺寸粒徑替換的試塊(替換率為10%、20%、30%和40%)進(jìn)行伽馬射線輻射屏蔽測(cè)試。在進(jìn)行測(cè)試時(shí),將不同厚度的試塊自由組合放置。

圖4 伽馬射線試驗(yàn)裝置

2.5.2 輻射屏蔽性能指標(biāo)

采用線性衰減系數(shù)、半值層(HVL)、十值層(TVL)、平均自由程(mfp)來(lái)對(duì)赤鐵礦UHPC的防輻射性能進(jìn)行評(píng)估。線性衰減系數(shù)是表征材料輻射屏蔽能力的物理量,它顯示的是透過(guò)輻射屏蔽材料后的輻射量變化與材料厚度之間的關(guān)系,表示的是防輻射物質(zhì)單位厚度下輻射衰減的情況,單位為cm-1。具體計(jì)算過(guò)程是:采用X來(lái)表征射線衰減前后的強(qiáng)度變化,計(jì)算式見(jiàn)式(2),測(cè)試后,建立屏蔽材料厚度和X之間的函數(shù)關(guān)系,并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,擬合線斜率的倒數(shù)即為線性衰減系數(shù)。

(2)

式中:I為未放置UHPC試塊時(shí)檢測(cè)器中檢測(cè)到的放射源放射數(shù)值;I0為放置UHPC試塊后檢測(cè)器中檢測(cè)到的放射源放射數(shù)值。

半值層、十值層分別表示當(dāng)γ射線強(qiáng)度減弱至初始值的1/2和1/10時(shí)所穿過(guò)的材料厚度,見(jiàn)式(3)(4)。平均自由程表示光子連續(xù)兩次相互作用之間的平均距離,見(jiàn)式(5)。

(3)

(4)

(5)

3 結(jié)果與討論

3.1 流動(dòng)度

流動(dòng)度是反映水泥膠砂塑性的重要參數(shù),拌合物的測(cè)試結(jié)果如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)使用赤鐵礦替換河砂時(shí),由全尺寸粒徑(0.00～1.18]mm進(jìn)行替換時(shí),拌合物流動(dòng)性降低最為明顯;當(dāng)單獨(dú)采用大粒徑赤鐵礦(0.60～1.18]mm替換時(shí),拌合物流動(dòng)性降低并不明顯;當(dāng)單獨(dú)采用小粒徑替換時(shí),拌合物流動(dòng)性降低介于采用全尺寸粒徑和單獨(dú)采用大粒徑之間。

圖5 赤鐵礦不同替換比后UHPC的流動(dòng)度

拌合物流動(dòng)性下降的原因有以下兩方面:一方面,赤鐵礦骨料經(jīng)過(guò)破碎,造成形狀不規(guī)則,限制了顆粒之間的相對(duì)移動(dòng),從而造成了拌合物的流動(dòng)性下降;另一方面,如圖2所示,赤鐵礦比河砂的粒徑小,等質(zhì)量下具有更大的表面積,能夠與更多自由水接觸,并吸附更多的水,從而降低漿體的流動(dòng)度,但流動(dòng)度仍在160 mm以上,達(dá)到了大流動(dòng)性混凝土的標(biāo)準(zhǔn),滿足日常施工要求。

3.2 抗壓強(qiáng)度

對(duì)制備的試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試,結(jié)果如圖6—8所示。由圖6—8可知:基準(zhǔn)組UHPC混凝土養(yǎng)護(hù)7 d和28 d的平均抗壓強(qiáng)度分別為115.4 MPa和138.1 MPa,而赤鐵礦(0.00,0.60]mm和(0.60,1.18]mm的摻入會(huì)略微降低UHPC的抗壓強(qiáng)度,但降低幅度并不明顯。

圖6 大粒徑赤鐵礦替換后UHPC抗壓強(qiáng)度(0.60～1.18 mm)

圖7 小粒徑赤鐵礦替換后UHPC抗壓強(qiáng)度(0.00～0.60 mm)

圖8 全粒徑赤鐵礦替換后UHPC的抗壓強(qiáng)度(0.00～1.18 mm)

使用不同比例的小粒徑赤鐵礦(0.00,0.60]mm單獨(dú)替換河砂時(shí),H10、H20、H30、H40的拌合物7 d抗壓強(qiáng)度分別為94、103、94、97 MPa,拌合物28 d的抗壓強(qiáng)度分別為121、125、111、119 MPa;大粒徑赤鐵礦(0.60,1.18]mm單獨(dú)替換河礦時(shí),H10、H20、H30、H40的拌合物7 d抗壓強(qiáng)度分別為102、109、108、102 MPa,拌合物28 d的抗壓強(qiáng)度分別為127、131、130、116 MPa;全尺寸赤鐵礦(0.00,1.18]mm替換河礦時(shí),H10、H20、H30、H40的拌合物7 d抗壓強(qiáng)度分別為94、101、95、90 MPa,拌合物28 d的抗壓強(qiáng)度分別為126、132、115、114 MPa。

不同粒徑赤鐵礦替換河砂后赤鐵礦UHPC的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果表明,單獨(dú)采用大粒徑赤鐵礦替換河砂時(shí)UHPC的強(qiáng)度較高,單獨(dú)采用小粒徑赤鐵礦替換河砂時(shí)強(qiáng)度較低,全粒徑赤鐵礦替換河砂時(shí),抗壓強(qiáng)度介于單獨(dú)采用大粒徑替換河砂和單獨(dú)采用小粒徑替換河砂之間。說(shuō)明赤鐵礦的摻入對(duì)UHPC的抗壓強(qiáng)度有影響。這是由于赤鐵礦的硬度(莫氏硬度5.5～6.5)低于河砂的硬度(莫氏硬度7.0),骨料硬度的降低會(huì)影響UHPC的抗壓強(qiáng)度。赤鐵礦UHPC的微觀結(jié)構(gòu)如圖9所示,由圖9可看出:赤鐵礦經(jīng)過(guò)破碎后,部分顆粒會(huì)產(chǎn)生裂縫[13],導(dǎo)致?lián)饺氤噼F礦后混凝土的強(qiáng)度降低。

圖9 全粒徑赤鐵礦替換40%河砂(H40-3)后UHPC的界面過(guò)渡區(qū)

試驗(yàn)制備的赤鐵礦UHPC采用的是密實(shí)的堆積結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)會(huì)彌補(bǔ)赤鐵礦UHPC強(qiáng)度降低的不足,赤鐵礦UHPC整體的抗壓強(qiáng)度下降并不明顯。

3.3 水化產(chǎn)物

圖10顯示了全粒徑赤鐵礦替換不同比例河砂后UHPC固化28 d后的XRD分析結(jié)果,圖中的主要物相為SiO2、Fe2O3、C2S、C3S以及Ca(OH)2。從圖10中可以看出,隨著赤鐵礦替換率的增加,UHPC中的SiO2含量峰值逐漸降低。這主要是因?yàn)槌噼F礦替換了一部分河砂導(dǎo)致了SiO2的含量降低。從圖10中還可以看出,赤鐵礦替換一部分河砂后,在掃描角度28°、39°、42°、48°、54°多處檢測(cè)出Fe2O3。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是UHPC中添加了赤鐵礦。隨著赤鐵礦替換率的增加,拌合物中Fe2O3的峰值呈增加趨勢(shì),在掃描角度34°、38°、46°、59°等多處檢測(cè)到了C2S和C3S,這是由于水泥含量占比高,水膠比小,水泥未完全發(fā)生水化造成。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程當(dāng)中,赤鐵礦的加入并未改變水化產(chǎn)物的類型,沒(méi)有產(chǎn)生新的含鐵化合物,表明赤鐵礦中的Fe2O3沒(méi)有與拌合物中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),不會(huì)影響赤鐵礦UHPC的性能。

圖10 全粒徑赤鐵礦替換不同比例河砂后UHPC的XRD分析結(jié)果

3.4 孔隙測(cè)試

混凝土內(nèi)部的孔隙與混凝土的各項(xiàng)性能密切相關(guān)。對(duì)養(yǎng)護(hù)28 d的試塊分別進(jìn)行從初始狀態(tài)到379.31 MPa的壓汞測(cè)試,結(jié)果如圖11所示。由圖11可知,在0%、40%的赤鐵礦替換率下,養(yǎng)護(hù)7 d后試塊的總孔隙率分別為12.09%、12.53%,而養(yǎng)護(hù)28 d后試塊的總孔隙率分別為7.85%、8.41%。這表明養(yǎng)護(hù)28 d的試塊總孔隙率小于養(yǎng)護(hù)7 d試塊的總孔隙率。這是由于在養(yǎng)護(hù)28 d后,試塊內(nèi)部水泥水化更加充分,新產(chǎn)生的水化產(chǎn)物對(duì)試塊中的一些孔隙進(jìn)行了填充,形成填充效應(yīng),使孔隙率降低。

圖11 全粒徑赤鐵礦替換不同比例河砂后UHPC壓汞測(cè)試結(jié)果

混凝土內(nèi)部孔隙影響著混凝土的各項(xiàng)性能,研究表明[14]:孔徑小于20 nm的孔為無(wú)害孔;孔徑為20～50 nm的為少害孔;孔徑為50～200 nm的為有害孔;孔徑大于200 nm的為多害孔。試塊中的孔隙占比如圖12所示,由圖12可知,在0%、40%的赤鐵礦替換率下,養(yǎng)護(hù)7 d 后20 nm以下孔隙分別占總孔隙量的47%、55%,養(yǎng)護(hù)28 d后20 nm以下的孔隙占到總孔隙量的60%,表明試塊養(yǎng)護(hù)28 d后其內(nèi)部多是無(wú)害孔隙,無(wú)害孔比例的增加有助于提高赤鐵礦UHPC的力學(xué)性能和耐久性。同時(shí),這也是水化過(guò)程中形成的新的水化產(chǎn)物填充了拌合物內(nèi)的孔隙而產(chǎn)生的結(jié)果。

圖12 全粒徑赤鐵礦替換不同比例河砂后UHPC各孔隙占比

3.5 防輻射性能研究

3.5.1 線性衰減系數(shù)

線性衰減系數(shù)越大,表明材料屏蔽輻射的能力越強(qiáng)。赤鐵礦UHPC的線性衰減系數(shù)隨赤鐵礦摻入量變化而變化的情況如圖13所示。由圖13可知,當(dāng)每立方米混凝土中赤鐵礦的摻入量分別為208、417、626、835 kg,替換率分別為10%、20%、30%、40%時(shí),對(duì)應(yīng)試塊的線性衰減系數(shù)分別為0.164 5、0.176 4,0.175 1、0.183 7 cm-1。線性擬合得到赤鐵礦含量與線性衰減系數(shù)的關(guān)系,如下:

圖13 全粒徑赤鐵礦替換不同比例河砂后UHPC的線性輻射測(cè)試結(jié)果

μ=(2.700 48×10-5)x+0.160 86。

(6)

式中x為替換赤鐵礦的含量,kg/m3。

隨著赤鐵礦摻入量的增加,UHPC的輻射屏蔽能力隨之增加,然而過(guò)高的赤鐵礦摻入量會(huì)影響赤鐵礦UHPC的流動(dòng)性,造成該混凝土工作性能減弱。因此,在進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí),需要兼顧其流動(dòng)性和防輻射性能。

相對(duì)于普通河砂的密度2 600 kg/m3,赤鐵礦的密度高達(dá)5 100 kg/m3,所以隨著赤鐵礦摻量的增加,UHPC試塊的整體密度會(huì)增大,如圖14所示,混凝土的輻射屏蔽性能會(huì)隨之提高。另外,赤鐵礦的加入提高了混凝土中Fe元素的含量,Fe元素比被替換的河砂中Si元素的原子序數(shù)大,具有更好的輻射屏蔽效果[15],會(huì)提高赤鐵礦UHPC的屏蔽輻射效果。其原因是,γ射線穿過(guò)原子序數(shù)大的元素時(shí),容易發(fā)生康普頓效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)以及光電效應(yīng)[16-17],當(dāng)γ射線穿過(guò)赤鐵礦UHPC試塊時(shí),光子與核外電子發(fā)生碰撞,削弱了γ射線的穿透能力,使赤鐵礦UHPC具有更強(qiáng)的防輻射性能。

圖14 全粒徑赤鐵礦替換不同比例河砂后UHPC線性衰減系數(shù)測(cè)試結(jié)果

3.5.2 UHPC綜合防輻射性能

采用線性衰減系數(shù)(μ)、HVL、TVL和mfp這4個(gè)參數(shù)來(lái)評(píng)估赤鐵礦UHPC的輻射屏蔽性能,其結(jié)果見(jiàn)表3。隨著赤鐵礦摻量的增加,UHPC的HVL、TVL和mfp的值均呈減少趨勢(shì),說(shuō)明其防輻射能力在增加。當(dāng)赤鐵礦替換率為40%時(shí),與普通混凝土相比,HVL和TVL厚度減小了28.2%,mfp減少了42.6%,μ值增加了20.0%。從以上數(shù)據(jù)可以表明:相較于普通混凝土[15],摻入40%赤鐵礦后所制備的混凝土試塊的防輻射能力得到了大幅度的提升。

表3 輻射屏蔽測(cè)試結(jié)果

3.6 與現(xiàn)有防輻射混凝土性能的對(duì)比

為了評(píng)估新型赤鐵礦UHPC的防輻射性能,將其與現(xiàn)有的防輻射混凝土進(jìn)行對(duì)比,文獻(xiàn)中所選取的放射源均為銫-137(Cs-137),放射強(qiáng)度為662 keV,對(duì)比結(jié)果如圖15所示。圖15顯示,文中所制備的赤鐵礦UHPC的抗壓強(qiáng)度為114～138 MPa,遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)[18-23]的強(qiáng)度25～60 MPa。RASHID R等[18]研制的UHPC強(qiáng)度達(dá)到140 MPa,略高于文中制備的赤鐵礦防輻射UHPC的強(qiáng)度,是由于文獻(xiàn)[18]中制備的混凝土試塊采用較低水膠比0.16,而赤鐵礦UHPC的水膠比為0.19,較低的水膠比有利于提高混凝土的強(qiáng)度,但會(huì)造成其流動(dòng)性的降低。在輻射屏蔽方面,赤鐵礦UHPC的線性衰減系數(shù)為0.164 5～0.183 7 cm-1,與現(xiàn)有的防輻射混凝土的輻射屏蔽能力(線性衰減系數(shù)為0.067～0.220 cm-1)相比,整體處在較高水平。

圖15 線性衰減系數(shù)、密度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系圖

4 結(jié)論

本研究中使用不同粒徑、不同替換率的赤鐵礦替換河砂,分別制備出多組防輻射混凝土,并對(duì)其進(jìn)行輻射屏蔽、抗壓強(qiáng)度、流動(dòng)性、水化產(chǎn)物測(cè)試,得出以下結(jié)論:

1)流動(dòng)性方面,采用全粒徑赤鐵礦替代河砂時(shí),隨著赤鐵礦含量的增加,赤鐵礦UHPC的流動(dòng)性呈下降趨勢(shì);單獨(dú)采用大粒徑赤鐵礦替換河砂時(shí),混凝土變化曲線下降趨勢(shì)不明顯;單獨(dú)采用小粒徑赤鐵礦替換河砂時(shí),混凝土的流動(dòng)性變化曲線有明顯的下降趨勢(shì)。因此,就流動(dòng)性而言,采用大粒徑赤鐵礦替換河砂最好。

2)抗壓強(qiáng)度方面,單獨(dú)采用小粒徑赤鐵礦替換河砂時(shí),UHPC養(yǎng)護(hù)7 d的平均強(qiáng)度為97 MPa,養(yǎng)護(hù)28 d的平均強(qiáng)度為119 MPa;單獨(dú)采用大粒徑赤鐵礦替換河砂時(shí),UHPC養(yǎng)護(hù)7 d的平均強(qiáng)度為105 MPa,養(yǎng)護(hù)28 d的平均強(qiáng)度為126 MPa;采用全粒徑赤鐵礦替換河砂時(shí),UHPC養(yǎng)護(hù)7 d的平均強(qiáng)度為95 MPa,養(yǎng)護(hù)28 d的平均強(qiáng)度為122 MPa。說(shuō)明大粒徑赤鐵礦替換河砂時(shí),UHPC養(yǎng)護(hù)28 d的強(qiáng)度最大。大粒徑赤鐵礦替換河砂時(shí),若河砂被替換率不超過(guò)30%,UHPC的抗壓強(qiáng)度呈較高水平。

3)赤鐵礦的摻入,并沒(méi)有改變UHPC水化產(chǎn)物的種類,這主要是因?yàn)槌噼F礦中含有的大量Fe2O3能夠在常溫下保持穩(wěn)定。此外,部分未水化的硅酸二鈣(C2S)、硅酸三鈣(C3S)以及水化產(chǎn)物Ca(OH)2填充了赤鐵礦UHPC中的孔隙,增加了其密實(shí)度。

4)赤鐵礦替換河砂的替換率分別為10%、20%、30%、40%時(shí),UHPC的線性衰減系數(shù)分別為0.164 5、0.176 4,0.175 1、0.183 7 cm-1,赤鐵礦的加入使UHPC具有防輻射性能,且防輻射能力處在較高的水平,隨著赤鐵礦替換河砂的替換率的增大,UHPC的防輻射能力會(huì)隨之增大。當(dāng)替換率為40%時(shí),γ射線線性衰減系數(shù)最大值為0.183 7 cm-1,其半衰值(HVL=3.772 cm)明顯優(yōu)于常規(guī)混凝土的(HVL=5.382 cm)。

5)兼顧抗壓強(qiáng)度和防輻射能力綜合分析,在單獨(dú)采用大粒徑赤鐵礦替換河砂的替換率為30%時(shí),UHPC養(yǎng)護(hù)時(shí)間28 d的綜合性能最優(yōu),其抗壓強(qiáng)度為130 MPa,防輻射線性衰減系數(shù)為0.175 1 cm-1?？梢砸罁?jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),配置出側(cè)重于防輻射或側(cè)重于高強(qiáng)度等不同需求的混凝土。