防辐射混凝土的耐久性能研究

2020-05-24董汇标周永祥夏京亮

建材世界 2020年1期

王晶，董汇标，周永祥，夏京亮

(1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2.北京建筑大学，北京100044)

核技术加快了人类探索自然和发展技术的速度，自诞生以来已广泛应用于国民经济各个领域[1，2]，随着核技术的快速发展及其广泛应用，其安全的防护越来越受到人们的重视，尤其是日本福岛核事故后，社会和公众对核安全提出了更高的要求，放射性射线的防护问题变得更加突出，核安全在国家安全中占有重要位置，也是限制其发展的关键[3-7]。水泥基防辐射材料是目前使用最广泛的辐射屏蔽材料[8-11]，而防辐射混凝土占比较高，其主要用于防护和屏蔽核辐射的工程，具有重要的工程意义，由于其自身的特殊性，除力学性能外，防辐射混凝土的耐久性能也值得关注和研究。因此，该文针对不同骨料配制的不同强度等级的防辐射混凝土的耐久性能进行了系统试验研究。

1 试验

1.1 原材料

水泥为金隅P.O42.5水泥，28 d抗压强度49.2 MPa。粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，烧失量≤5%，需水量比≤95%。考虑目前防辐射混凝土常用的骨料类型，试验用粗骨料主要选取了重晶石和铁矿石两种进行配制，对应的细骨料主要为重晶砂和铁矿砂两种，同时选用普通石灰石和河砂配制了普通混凝土进行对比，粗、细骨料的物理性能分别见表1和表2。外加剂采用的是聚羧酸系高性能减水剂，减水率大于30%。拌合水采用清洁的自来水。

表1 粗骨料物理性能

表2 细骨料物理性能

1.2 方法

参照国家现行标准《防辐射混凝土》GB/T34008和《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55，利用上述原材料配制不同强度等级的防辐射混凝土，相同强度等级的混凝土所采用的水胶比参数是相同的；此外为了对比不同骨料对防辐射混凝土耐久性能的影响，还配制了同水胶比的普通混凝土进行对比。其中采用普通石灰石和河砂配制的普通混凝土，拌合物表观密度为2 400 kg/m3左右，采用铁矿石和重晶石作为粗细骨料配制的防辐射混凝土的拌合物表观密度在3 100～3 300 kg/m3范围，防辐射混凝土拌合物表观密度的试验方法参照现行国家标准《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T 50080进行，具体各编号试样的混凝土拌合物表观密度见表3。

表3 不同强度等级混凝土的拌合物表观密度

注：编号中F表示防辐射混凝土，30表示设计强度等级C30，60表示设计强度等级C60，后面的字母P代表普通石灰石和河砂骨料，T代表铁矿石，Z代表重晶石。

通过进行不同骨料防辐射混凝土的耐久性能试验，分别对比研究了不同骨料防辐射混凝土的抗水渗透性能、抗氯离子渗透性能、抗碳化性能、抗冻性能和非接触法测试早期收缩性能。具体的耐久性试验参照现行国家标准《普通混凝土耐久性能和长期性能试验方法标准》GB/T 50082中的对应的试验方法进行。

2 耐久性能研究

2.1 抗水渗透性能

抗水渗透试验参照《普通混凝土耐久性能和长期性能试验方法标准》GB/T50082中的逐级加压法进行。由于该试验对低强度等级混凝土具有较好的区分度，故对强度等级C30的各组试件进行了对比试验。每组试验采用六块上表面直径175 mm，下表面直径185 mm，高150 mm的圆台形试件，标准养护至28 d龄期后，按标准要求处理和密封试件后进行试验。从试件底部施加0.1 MPa水压开始，每隔8 h增加水压0.1 MPa，并随时观察试件端面的渗水情况，并按照相应标准要求根据试验的最大水压计算混凝土的抗渗等级。考虑到试验周期较长，最大抗渗等级测试超过P12后停止试验。抗渗等级结果如表4所示。

表4 不同编号混凝土的抗渗等级

混凝土的抗水渗透性能是指在静水压力作用下，阻止水渗透、迁移的性能，混凝土的抗渗性能与其自身的密实性、内部孔结构和微观缺陷密切相关，尤其是混凝土内部的连通孔直接决定了混凝土整体的抗渗性能。由表4的试验结果可知，普通石灰石混凝土的抗渗等级达到了P10，重晶石防辐射混凝土的抗渗等级最差，仅为P4，铁矿石防辐射混凝土的抗渗等级最高，大于P12。这主要是由于铁矿石吸水率较高，而且铁矿砂也具有较高的MB值，导致铁矿石防辐射混凝土的有效水胶比较低，混凝土整体较为密实；根据不同骨料混凝土的力学性能也可推断[12]，重晶石组则密实性较差，内部缺陷较多，所配制的混凝土的抗水渗透性能最差。

2.2 抗氯离子渗透性能

2.2.1 电通量法

按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082中电通量试验方法进行试件制作和养护。试件成型后，在标准养护条件下分别养护至28 d和84 d龄期后进行试验。不同编号、不同龄期混凝土的6 h电通量试验结果如图1所示。

根据图1的不同强度等级、不同骨料类别和不同龄期的电通量试验结果可知，不论强度等级C30还是C60，利用铁矿石配制的混凝土的各龄期的电通量值均为最大，各龄期各组混凝土试件的6 h电通量值由大到小为F30T>F30Z>F30P，84 d时各组电通量均相较28 d电通量大幅下降，这是因为随着龄期增长，胶凝材料水化更充分，使得硬化水泥石内部结构更加密实，因此大幅提高了混凝土的抗氯离子渗透性能。

2.2.2 RCM法

按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082中RCM试验方法的规定进行试件制作和养护。试件成型后，在标准养护条件下分别养护至28 d、56 d和84 d龄期后进行试验，试验后按照标准要求测试氯离子在混凝土中的渗透深度，并计算不同编号、不同龄期混凝土的氯离子扩散系数，试验结果如图2所示。

由图2结果可知，同一编号的混凝土试件随着龄期的增长，氯离子扩散系数显著降低， 84 d龄期时的氯离子扩散系数最小，这主要是随着龄期的增长，胶凝材料水化更加充分，内部结构更加密实，使抗氯离子渗透性能得到进一步提高。

而不同龄期的不同骨料混凝土的氯离子扩散系数所表现出的规律与电通量试验结果完全一致，各龄期各组混凝土试件的氯离子渗透系数由大到小为F30T>F30Z>F30P。这主要是由于电通量和RCM试验都是电化学试验，试验的混凝土试件电导率高必然会提高氯离子透过混凝土的电量值和渗透深度，而铁矿石本身电导率最大，因此在电压作用下铁矿石防辐射混凝土的6 h电通量值和氯离子扩散系数最大。

2.3 抗碳化性能

防辐射混凝土屏蔽结构由混凝土和钢筋组成，防辐射混凝土除屏蔽辐射外，在结构上主要承受荷载并保护内部钢筋不发生锈蚀，因此其抗碳化性能也值得研究。试验按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082中的碳化试验方法进行。试验至3 d、7 d、14 d和28 d龄期时，按照标准要求，分别对不同编号防辐射混凝土进行破型，测定其不同试验龄期的碳化深度。试验结果如表5所示。

表5 不同编号的混凝土的碳化试验结果

由表5的试验结果可知，不同骨料的防辐射混凝土的经过3 d碳化试验时均未出现明显的碳化，经过28 d试验后，利用铁矿石配制的防辐射混凝土的碳化深度值相对较小，但整体上不同骨料配制的防辐射混凝土的碳化深度值相差不大，基本相当。

2.4 抗冻性能

抗冻性能按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082中的快冻法进行试验，按照标准要求成型尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的混凝土棱柱体试件，每组3个；养护达到规定龄期后进行饱水处理后进行快速冻融试验。并根据最终的快速冻融试验结果，按照《混凝土耐久性检验评定标准》JGJ/T193进行了抗冻等级评定。图3是不同编号混凝土的快速冻融试验结果。

由图3的快速冻融试验结果可知，快速冻融试验结果与抗水渗透性能的规律一致，铁矿石组的抗冻性能最优，重晶石组最差，而普通石灰石组介于两者之间。F60组整体的抗冻等级要高于F30组，而F60组不同骨料混凝土的抗冻等级表现规律与F30的一致，抗冻等级由高到低分别为：铁矿石组>石灰石组>重晶石组。

根据混凝土冻融破坏的机理，混凝土的密实度、内部孔结构、内部缺陷数量以及饱水程度等是影响抗冻性能的重要因素，因此，混凝土的抗渗性能与抗冻性能密切相关。在冻融试验过程中，抗渗性能最差的重晶石组混凝土饱水程度最高，当温度降低至冰点以下时，自由水结晶发生体积膨胀产生的内应力最大，从而对混凝土内部结构造成的破坏作用也最大，导致其冻融循环过程中最早发生破坏，抗冻等级最低，抗冻性能最差；而铁矿石组相对密实，其抗冻性能较优。

2.5 早期收缩性能

早期非接触收缩试验按照现行国家标准《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》GB/T50082中的非接触收缩试验方法进行。混凝土从搅拌加水到入模开始测试时间控制在20 min内，非接触收缩试验测试总时长为72 h，测试仪器每隔一定时间自动测量并记录一次对应时间点的收缩变形和环境参数。不同编号的防辐射混凝土的非接触收缩结果如图4所示。

由图4的试验结果可知，铁矿石防辐射混凝土的早期收缩发展最快，在开始测试12 h时，基本完成的超过85%的收缩，而重晶石组的早期收缩变形发展最慢，在测试的24 h时才几乎达到72 h全部收缩变形的85%，而且从最终的收缩变形值来看，铁矿石组最大，重晶石组最小。在24 h之后测试时间内，混凝土试件的收缩率仍有一定幅度的增加，但收缩率总体呈现平稳增长，最后收缩率基本保持稳定，结合混凝土初凝时间可判断出，在初凝后各编号混凝土收缩率增长速度和幅度相对较小[13]。

之所以出现图4的试验结果，主要是由于铁矿石骨料本身吸水率较高，而且经破碎后的铁矿砂MB值高达2.8，因此在同水胶比条件下，由于铁矿石吸水较快、混凝土水化硬化过程中铁矿石防辐射混凝土整体失水量也最大，最终导致铁矿石组防辐射混凝土的早期收缩变形发展较快，最终的收缩变形值最大。