防辐射重晶石混凝土配合比设计的试验研究

李富海，周金金，李海增，杨建宁

（石家庄金隅旭成混凝土有限公司，河北 石家庄 051430）

防辐射重晶石混凝土配合比设计的试验研究

李富海，周金金，李海增，杨建宁

（石家庄金隅旭成混凝土有限公司，河北 石家庄 051430）

本文通过对重晶石混凝土的配合比设计，得出不同容重的重晶石混凝土，具有不同的防辐射等级，在条件限制的情况下，选取最经济的防辐射重晶石混凝土，既可以保证防辐射的安全性也可以兼顾经济性，对实际施工具有很强的实用价值。

重晶石；防辐射；混凝土；配合比设计

在现代社会，由于核工业的发展和放射性同位素在工业、医疗及科研实验室等各方面的广泛应用，如何屏蔽辐射保护工作人员不受伤害，成为当前迫切需要解决的问题。大多数的材料减弱这些高能量高频电磁波主要是依照康普顿散射效应的衰减效率，大致上与在辐射路线上材料的质量或密度成正比。现有防护方法中，以混凝土最为经济，通常将普通混凝土通过浇筑成具有一定厚度的大体积的墙体，来屏蔽辐射。

重晶石防辐射混凝土是一种以重晶石为骨料的混凝土，它通过增加混凝土的表观密度来提高对辐射的屏蔽能力，在可利用空间有限的情况下，可以采取浇筑重晶石混凝土来减小屏蔽辐射混凝土的厚度而不降低屏蔽效果。针对此种情况，防辐射重晶石混凝土的制备研究对实际应用具有重要意义。

1 重晶石混凝土防辐射原理

一般常碰到的射线有 χ、γ、中子射线及 α、β 射线等几种，其中 α、β 射线比较弱，墙上粉刷防辐射材料即可屏蔽，χ、γ 射线拥有较高的穿透能力，但能被任何材料的一个适当的质量或密度充分的吸收掉。大多数材料减弱这些高能量高频电磁波主要是依照康普顿散射效应的衰减效率，大致上与在辐射路线上材料的质量或密度成正比，且由于衰减不受材料类型影响，不同材料但是具有相同质量或密度，就具有相同的防御 χ、γ射线的能力。这就要求材料质量或密度较高，才能具有较好的防御能力[1,2]。

针对混凝土对γ射线的吸收规律式[3]：

式中：I0、I——射线通过混凝土前后强度；

a——材料对 γ 射线的质量吸收系数，取决于射线的能量；

ρ ——混凝土材料表观密度；

y——混凝土材料所需厚度。

由公式可知，对相同 γ 射线，混凝土的厚度 y 一定时，混凝土的表观密度ρ越大，通过混凝土后射线的强度越小，即混凝土对射线的吸收能力越强。因此，防射线要求防辐射混凝土的表观密度要高，达到一定厚度。

对于中子射线，要求含有氢原子等轻元素的材料，以通过弹性碰撞减慢中速运动中的中子，硬化混凝土中含有大量结晶水，对中子有较强的防御能力。

2 试验原材

按照标准 GB/T 50557—2010《重晶石防辐射混凝土应用技术规范》规定，选取硅酸盐水泥、粒化高炉矿渣粉、Ⅱ级及以上粉煤灰、惰性掺合料重晶石石粉、重晶石骨料及普通碎石及天然砂、高性能聚羧酸减水剂。

2.1 粉料的选择

水泥：选用水化热较低的赞皇金隅水泥有限公司生产的 P·O42.5 级水泥。

粉煤灰：选取河北西柏坡发电有限责任公司生产的F 类Ⅱ级粉煤灰。

矿粉：选取邢台超岩建材有限公司生产的 S95 级矿粉。

重晶石石粉：山东潍坊生产，比重 4.0，BaSO4含量 80%。

2.2 细骨料

（1）重晶石细骨料：山东潍坊生产，性能指标见表 1。

表 1 重晶石细骨料性能指标

（2）天然砂：正定产天然砂，性能指标见表 2、表 3。

表 2 天然砂的筛分记录

表 3 天然砂性能指标

2.3 粗骨料

（1）重晶石粗骨料：山东潍坊生产，性能指标见表 4、表 5。

表 4 重晶石粗骨料筛分记录

表 5 重晶石粗骨料性能指标

（2）普通碎石：赞皇金隅水泥有限责任公司生产，性能指标见表 6、表 7。

表 6 普通碎石筛分记录

表 7 普通碎石的性能指标

2.4 外加剂

金隅科技聚羧酸高性能减水剂，根据需要调整各组分比例。

3 重晶石混凝土配合比设计及性能

3.1 试验配合比设计思路

重晶石混凝土配合比设计主要考虑两方面：（1）因为骨料表观密度大，混凝土容易出现离析；重晶石性质较脆，破碎而成的集料颗粒的形状和结构粗糙，混凝土状态趋于干硬。为了克服这个问题，采取的措施是提高砂率和增加使用重晶石石粉来调整细集料以及提高胶材用量[4]等；（2）考虑到不同的工程需要不同容重的重晶石混凝土，掺加普通碎石和天然砂调整混凝土容重。

3.2 试验方法

重晶石混凝土试验方法参照 GB 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法》进行，混凝土试块采用100mm×100mm×100mm 的立方体试块。

3.3 配合比设计

重晶石混凝土配合比设计参照标准 GB/T 50557—2010《重晶石防辐射混凝土应用技术规范》进行设计，同时参考标准 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》，考虑到容重问题，选择使用体积法设计。

重晶石防辐射混凝土的配合比应根据其表观密度和强度等设计要求选择原材料进行计算，并经试验室试配，调整后确定。

3.3.1 重晶石防辐射混凝土的性能指标

3.3.1.1 表观密度

重晶石防辐射混凝土表观密度（ρb）可按 GB/T 50557—2010《重晶石防辐射混凝土应用技术规范》的规定分为五个等级，见表 8。

表 8 重晶石防辐射混凝土表观密度等级

本次试验主要配制表观密度为 3200kg/m3和2800kg/m3的两种防辐射混凝土。

表观密度为 3200kg/m3的防辐射混凝土全部采用重晶石骨料，表观密度为 2800kg/m3的防辐射混凝土中重晶石骨料与普通骨料比例为 7:3（质量比）。

3.3.1.2 强度

重晶石防辐射混凝土的强度等级应按立方体抗压强度标准值确定，按标准 GB/T 50557—2010《重晶石防辐射混凝土应用技术规范》其强度等级可划分为 C20、C25、C30、C35、C40 五个等级。

3.3.2 配合比设计试验过程

（1）配制表观密度为 3200kg/m3的 C30 重晶石防辐射混凝土。

重晶石混凝土除了强度要满足设计要求外，还要考虑重晶石混凝土的表观密度要求，混凝土状态是否满足实际施工的泵送要求。设计配制的混凝土配合比见表9。

C30 重晶石防辐射混凝土 1h 混凝土无流动性。

由表 9 数据可以分析出：状态相对较好的 C30-3 早期强度为 21.3 MPa，达到设计强度的 71%，考虑到石粉为惰性材料，活性较差，为了保证混凝土强度，进行配合比调整。

（2）配合比调整。

配合比调整，总胶材由 310kg 调整至 345kg，水泥用量由 230kg 调整至 265kg，同时调整外加剂组分，提高与重晶石混凝土的适应性。做 C30-1 试配，混凝土保坍效果较差，重新调整外加剂，降低减水组分，提高降粘组分，拌合配合比不变，提高外加剂用量，配合比见表 10，观察混凝土状态。由表 10 可分析出：外加剂一开始和重晶石混凝土不适应，不能很好的保坍，仅只能保证出机状态良好。调整外加剂组分后可以让重晶石混凝土的状态很好地满足施工性能要求。

（3）试验各强度等级重晶石混凝土配合比。

配合比设计见表 11。由表可以看出，因为设计的C30状态满足施工性能要求，其余强度重晶石混凝土也可以有很好的状态，仅只需要在适当的情况下调整外加剂用量即可，且设计的各强度容重均在 3200kg/m³ 以上，满足设计容重要求。

（4）试验表观密度为 3200kg/m3的重晶石混凝土配合比及性能。

满足表观密度 3200kg/m3的重晶石混凝土配合比及性能见表 12，各项设计施工性能均满足要求。

（5）配制表观密度为 2800kg/m3的 C30 重晶石防辐射混凝土。

纯重晶石集料配制出的混凝土容重已经达到3200kg/m3以上，配制容重 2800 kg/m3的重晶石混凝土需要掺加部分的普通碎石和天然砂降低容重。

配制表观密度为 2800kg/m3的 C30 重晶石防辐射混凝土配合比见表 13。

表 9 C30 重晶石防辐射混凝土配合比及性能

表 10 C30-1 重晶石混凝土配合比及性能

表 11 C20、C25、C35、C40 重晶石混凝土配合比及性能

表 12 表观密度为 3200kg/m3 的重晶石防辐射混凝土配合比及性能

表 13 容重 2800kg/m3 的 C30 重晶石防辐射混凝土配合比及性能

表 14 各强度等级重晶石混凝土配合比及性能

C30-1 在使用容重 3200kg/m3的外加剂，状态直接离析；C30-2 调整外加剂用量，由掺量 1.5% 降低到1.3%，用水量减少 5kg，初始状态较好，但是一小时后失去流动性。C30-3 在 C30-2 基础上调整外加剂组分，掺量仍为 1.5%，初始状态较好，但是 1h 后状态仍不能满足性能设计要求。C30-4 重新调整外加剂，掺量为1.7%，各项指标满足设计要求，但是比较粘稠，对实际施工有影响；在 C30-4 基础上调整外加剂组分，C30-5 增加降粘组分，降低保水成分，混凝土流动性好于C30-4，完全满足实际施工性能要求。而且各配比容重均在 3000kg/m³ 以上，满足设计的容重 2800kg/m³ 的要求。

C30-5 配合比基本满足设计要求。选定此外加剂，再经过试验确定其他强度等级重晶石混凝土配合比。

（6）配制表观密度为 2800kg/m3的各强度等级重晶石防辐射混凝土。

其余试配各强度等级重晶石混凝土性能均满足设计施工性能要求，容重均在 3000kg/m³ 以上，干表观密度均在 2800kg/m³以上，均满足设计的容重在 2800kg/m³以上的要求。各强度等级重晶石混凝土配合比及状态见表 14。

（7）表观密度为 2800kg/m3各强度等级重晶石防辐射混凝土配合比及性能汇总。

表观密度为 2800kg/m3的重晶石防辐射混凝土配合比见表 15，各强度等级重晶石混凝土在复配的专用外加剂下，各项性能均满足设计施工性能要求。

4 结论

通过设计试验容重为 3200kg/m3的重晶石防辐射混凝土和容重为 2800kg/m3的重晶石混凝土可以得到以下结论：

（1）选用合适的原材料可以配制出不同表观密度的防辐射重晶石混凝土，各公司在普通混凝土生产的基础上，均具备实际生产应用条件。

（2）配制理论表观密度为 3200kg/m3的重晶石防辐射混凝土需要的骨料全部要求为重晶石材质，配制理论表观密度为 2800kg/m3的重晶石防辐射混凝土则需要同时掺加比例为 7:3 的重晶石骨料与普通骨料就能达到。

表 15 表观密度为 2800kg/m3 的重晶石防辐射混凝土配合比及性能

（3）配制的重晶石防辐射混凝土需要专门调整外加剂，和普通混凝土使用的外加剂有一定的区别，但和易性均能满足施工要求：出机坍落度在 210mm 以上，扩展度在 600mm 以上，1h 损失在 20mm 以内。

（4）同样用量的胶材和水灰比等情况下，掺加普通碎石和天然砂的重晶石混凝土容重虽然降低，但强度比纯重晶石配制的混凝土强度高，这是因为重晶石性质较脆，压碎值较大，制成的混凝土强度低于碎石和天然砂配制的混凝土[5]。

[1]李继业、刘福胜．新型混凝土实用技术手册[M]．北京：化学工业出版社，2005, 2: 330-344．

[2]P.Kumar Mehta、Paulo J.M.Monteiro著．覃维祖，王栋民，丁建彤译．混凝土：微观结构、性能和材料[M]．北京：中国电力出版社，2008．

[3]徐鹏雄．防辐射重晶石大体积混凝土的施工[J]．西部探矿工程，2006,18(2): 54-56．

[4]郭学武，陈朝辉，徐剡源．重晶石防辐射混凝土的制备与应用[J]．新型建筑材料，2007(6): 8-10．

[5]佘子盈．重晶石防辐射混凝土设计及性能研究[J]．混凝土，2013(1): 156-158．

李富海（1967—），男，从事预拌混凝土生产管理工作。

［通讯地址］河北省石家庄市栾城窦妪工业区石家庄金隅旭成混凝土有限公司（051430）