高H元素含量防辐射混凝土制备与性能研究

徐高友 张辉赤 张建平 吴明菊 曾莉媛 田明

（四川中核艾瑞特工程检测有限公司，四川 绵阳 621000）

0 前言

防辐射混凝土又称为重混凝土、屏蔽混凝土，由于其自重较大，内含部分重核元素，可以有效屏蔽核辐射，相比于铅板等金属材料具有显著的经济优异性，因而被广泛用于核反应堆、粒子加速器及其他放射源的屏蔽介质。原子核辐射一般包括α 射线、β 射线、γ 射线、X射线和中子等，其中γ 射线和中子的穿透能力最强，因而也是辐射防护领域的主要防护对象[1-3]。

γ 射线是由强光子流组成的电磁辐射，静止质量为零，不带电荷，与物质作用时不像带电粒子那样多次逐渐消耗其能量，而是一次作用就可能把大部分甚至全部能量传递给次级带电粒子和次级光子，再经电离、激发把能量传给介质。其穿透力极强，一般常用原子序数大、密度大的重核材料对其进行屏蔽，如Pb等[1-2，4]。

中子不带电荷，穿透力极强，按能量大小可分为快中子、中速中子、慢中子。快中子主要通过在物质中与原子核碰撞而损失能量，并产生核反应或使某些原子核裂变为有放射性的原子核。而中速中子和慢中子只有与轻核元素作用才可被吸收，如含较多氢元素的石蜡、水等[2]。因此，用于屏蔽γ射线和中子流的防辐射混凝土不仅要具有较大的表观密度，也要含有足够数量的结晶水，才能起到较好的辐射屏蔽效果[3，5-6]。

核化工工程相比核电工程因防辐射混凝土使用功能不同，在防辐射混凝土设计上有很大区别，核电工程对防辐射混凝土一般仅提出混凝土强度等级和密度要求，而核化工工程的防辐射混凝土既有混凝土强度等级和密度要求，又有核素组分技术指标。例如，某核化工工程中防辐射混凝土技术要求是服役寿期内防辐射混凝土总质量密度不小于3.5g/cm3、H元素的等效质量密度不小于0.03g/cm3，则混凝土中结晶水需达到270kg/m3，而以往可参考的资料有20世纪70年代初某室内小型堆体工程用防辐射混凝土结晶水含量为180kg/m3（大量结晶水是通过石膏矾土膨胀水泥使用引入的，石膏矾土膨胀水泥因其具有凝结快、水化热高的特点，给施工带来极大困难），2000年绵阳某核工程防辐射混凝土结晶水含量仅为90kg/m3。

本文研究制备了56d抗压强度＞C40，密度＞3500kg/m3，坍落度（170～190）mm，H元素含量＞30kg/m3的防辐射混凝土，同时研究确定了温度、水灰比、用水量对防辐射混凝土性能的影响，供后续研究参考。

1 高H元素含量防辐射混凝土制备

1.1 原材料的选用

为保证防辐射混凝土中拥有足够的H元素，需要防辐射混凝土中具有足够含量的结晶水，因此进行原材料选择时需同时考虑密度和结晶水含量两个指标。

1）水泥：采用P.O52.5普通硅酸盐水泥，结晶水＞13%，主要物理性能指标如表1所示。

表1 水泥主要物理性能指标

2）掺合料：采用CEA-MF90混凝土用氧化镁膨胀剂，M型。

3）水：采用饮用水。

4）外加剂：采用缓凝型HP-Re聚羧酸高性能减水剂，减水率30%以上。

5）细骨料：采用褐铁矿砂、钢丸。褐铁矿砂表观密度3660kg/m3、结晶水含量14.23%、Fe2O3含量75.03%，其余性能符合JGJ 52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》要求。钢丸粒径（0～5）mm、表观密度7500kg/m3。

6）粗骨料：采用（5～25）mm褐铁矿石、钢锻。褐铁矿石表观密度3670kg/m3、结晶水含量14.18%、Fe2O3含量70.23%，其余性能符合JGJ 52-2006 要求。钢锻粒径满足5-25连续级配，表观密度7850kg/m3。

1.2 高H元素含量防辐射混凝土制备工艺

由于本配合比中使用了大量的钢丸，搅拌时一次投料容易造成搅拌机叶片卡住，因此搅拌时采用多次投料，其制备工艺如图1所示[7]。

图1 防辐射混凝土制备工艺流程图

1.3 防辐射混凝土配合比设计

1.3.1 配合比设计思路

高H元素含量防辐射泵送混凝土需满足以下要求：1）表观密度≥3500kg/m3；2）设计28d抗压强度≥C40；3）H元素质量密度≥30kg/m3；4）拌合物和易性和坍落度满足泵送施工要求，坍落度设计值（160±30）mm。

制备高H元素含量防辐射泵送混凝土，需在满足设计强度要求的同时满足混凝土密度、H元素质量密度、坍落度及和易性要求。因此，首先测试水泥、褐铁矿石、褐铁矿砂、MgO中的H元素含量，设计密度3570kg/m3，在进行配合比理论计算时，在满足H元素质量密度的基础上确定材料用量，在试算基础上进行试拌，测试防辐射混凝土的坍落度、表观密度、和易性，当实测拌合物表观密度与计算值之差绝对值超过2%时，应进行材料用量修正，经反复试拌及性能测试，从防辐射混凝土的技术性能、可施工性、经济性等方面进行系列的推演、优化试验，最终确定符合设计要求的最佳配合比[8]。

1.3.2 最佳配合比

依据NB/T 20378-2016《核电厂屏蔽混凝土配合比设计规程》进行配合比设计，在试拌、性能表征的基础上确定最佳配合比，如表2所示。

表2 高H元素含量防辐射混凝土配合比原材料用量一览表

PB1、PB2、PB3的和易性均满足施工要求，但PB3的坍落度不满足设计要求，PB2的胶凝材料用量低于PB1，因此优选PB2作为最佳配合比。

2 防辐射混凝土性能检测

2.1 防辐射混凝土密度均匀性

按GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法》进行防辐射混凝土拌合物制备，防辐射混凝土拌合物密度均匀性检测方法依据NB/T 20378-2016，结果见表3。

表3 防辐射混凝土拌合物密度均匀性检测结果

从表3可以看出，随着水胶比的增大，防辐射混凝土拌合物密度呈下降趋势，同时，防辐射混凝土密度均匀性下降趋势较明显。这是由于防辐射混凝土中使用的都是密度较高的骨料，水灰比超过一定范围会造成骨料下沉，影响防辐射混凝土均匀性。

2.2 高温稳定性

要求在80℃下处置24h后抗压强度、H元素质量密度能继续满足设计要求。

由于配合比中含有部分金属骨料，存在无法研磨至检测要求的可能，因此在进行H元素含量试件制备时采用GB/T 34008-2017《防辐射混凝土》附录D中方法进行元素分析试件制备，试件尺寸（70.7×70.7×70.7）mm。此次验证试验中防辐射混凝土检测龄期为56d，高温处理试件（以下简称GY试件）与基准试件（以下简称JZ试件）同时制作，在相同条件下进行养护，在GY试件进行80℃处置24h时，GY试件置于与JZ试件同一检测室内。

2.2.1 抗压强度

检测结果如表4所示。

表4 防辐射混凝土抗压强度检测结果

2.2.2 H元素质量密度

高温处置完成后同时使用无水乙醇终止水化，在50℃烘干，磨样。根据元素分析试件中实测H元素含量计算防辐射混凝土中H元素质量密度，结果如表5所示。

表5 防辐射混凝土中H元素质量密度检测结果

从表5可以看出，随着胶凝材料用量的减少，防辐射混凝土中H元素含量下降趋势明显，这是由于含有较多结晶水的水泥用量减少，因此进行高H元素含量防辐射混凝土制备时，在满足耐久性、最高胶凝材料用量、拌合物性能的前提下，宜选择较高的胶凝材料用量。经80℃高温处置24h后，防辐射混凝土中H元素含量降低，这是由于防辐射混凝土长时间处于高温环境下造成结晶水损失，因此服役环境处于高温状态下的防辐射混凝土应选择高温稳定性能优异的骨料，才能降低温度对防辐射混凝土屏蔽性能的影响。

2.3 用水量对密度影响

防辐射混凝土在搅拌站生产过程中，由于骨料含水量波动，常出现防辐射混凝土密度达不到设计要求的情况。在PB2最优配比基础上，调节不同用水量，研究用水量对防辐射混凝土密度的影响。见表6。

表6 不同用水量配合比情况

从图2可以看出，随着防辐射混凝土中用水量的增大，拌合物密度下降较快，这是由于相对于相同质量的水和重骨料而言，水占的体积远高于重骨料体积，单位体积质量下降。因此，防辐射混凝土生产过程中应严格按照上机配比控制用水量，确保满足设计要求。

图2 用水量和防辐射混凝土拌合物密度关系曲线

3 结论

1）随着水胶比的增大，会造成骨料下沉，影响防辐射混凝土均匀性。

2）进行高H元素含量防辐射混凝土制备时，在满足耐久性、最高胶凝材料用量、拌合物性能的前提下，宜选择较高的胶凝材料用量。同时，服役环境处于高温状态下的防辐射混凝土应选择高温稳定性能优异的骨料，以降低温度对防辐射混凝土屏蔽性能的影响。

3）随着防辐射混凝土中用水量的增大，拌合物密度下降较快，因此，防辐射混凝土生产过程中应严格按照上机配比控制用水量，确保满足设计要求。