锂辉石粉对防辐射超高性能混凝土性能的影响研究

2022-08-12胡利李娟丁庆军龚金华周鹏章毅

新型建筑材料 2022年7期

胡利，李娟，丁庆军，龚金华，周鹏，章毅

（1.军事科学院国防工程研究院，北京 100850；2.武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北武汉 430070）

0 引言

当今社会，核技术被广泛应用于农业、医疗[1]以及核电等领域，但其安全性也是一个值得注意的问题。核工程产生的核辐射会对人类的生命健康产生不利的影响[2]。核辐射主要包含α射线、β射线、γ射线以及中子射线。其中，中子射线具有很强的穿透力，且对人体的伤害更大，是最难屏蔽的射线之一。中子射线屏蔽材料一般有水、混凝土、石蜡等，其中混凝土是当前使用最广泛、价格最便宜的防辐射材料[3]。但普通混凝土应用到核工程中存在以下问题：（1）屏蔽性能不够[4]；（2）冻融破坏、有害离子侵蚀、钢筋锈蚀，都会对普通防中子射线混凝土的耐久性能造成严重影响；（3）普通混凝土强度较低，限制了其在特殊工程的应用[5-6]；（4）由于采用了很多重骨料，其自重大，容易产生离析的现象，导致施工困难[7]。防辐射混凝土作为核工程中的主要结构材料，其力学性能、耐久性能是核工程安全的重要影响因素，不仅应具有屏蔽射线功能，还应具有良好的力学性能和耐久性能。因此，亟需研发出高强度、高耐久性能的防辐射混凝土，以满足我国核工程安全防护的重大需求。超高性能混凝土（UHPC）具有超高抗压强度、超高韧性和超高耐久性，在核废料容器和核反应堆防护罩等核工程中应用前景广阔[8]，可解决普通混凝土强度较低、耐久性较差等问题。而将UHPC应用于核工程，还需关注其防辐射性能。混凝土中加入对中子吸收能力较好的氢、硼、锂、镉等元素材料，可使其屏蔽性能有较大提高。Morioka等[9]采用辐射能量为2.45、14 MeV的中子，研究了含硼混凝土的中子屏蔽性能，发现硼是一种较好的慢中子吸收材料。Korkut等[10]在重晶石混凝土中掺入硬硼酸钙石，利用241Am-Be中子源测试其中子屏蔽性能，结果显示，掺硬硼酸钙石混凝土的中子屏蔽性能远优于普通混凝土。伍崇明等[11]研究了结晶水含量较多的钛铁矿、蛇纹石混凝土，结果表明，两者都可屏蔽快中子辐射。梁威等[12]、刘显坤等[13]的研究发现，含锂元素的材料如氟化锂、氢氧化锂等是优良的慢中子吸收物质。曾小义和黎泽伟[14]的研究表明，含锂、硼等的单质或化合物材料具有很大的中子吸收截面，能很好地吸收慢中子；但防中子射线元素材料的引入使得混凝土屏蔽性增强的同时材性也发生改变。Callan[15]的研究表明，将1%的硼元素材料掺入混凝土中，可使混凝土吸收热中子的能力提高100倍，但是硼元素材料掺量及掺入方式会严重影响混凝土的力学性能[16]。韩建军等[17]的研究发现，采用磁铁矿完全取代河砂制备UHPC，其γ射线屏蔽性能明显增强，半值层、十值层均下降23.85%，但其力学性能有所降低。陆建兵等[2]在防辐射砂浆中加入铅粉，掺量较少时，其在体系中起到细集料填充作用，可改善孔结构，进而提高强度；但掺量过多时会破坏水化过程，严重影响其强度及耐久性能。

基于上述研究成果，将含锂元素材料掺入UHPC中可提升其防中子性能，但锂元素对UHPC强度等性能方面的影响少有研究。本文选取来源较广、含有较多锂元素[18]的锂辉石粉，部分取代粉煤灰微珠掺入UHPC中，研究锂辉石粉掺量对UHPC力学性能、工作性能以及耐久性能的影响，并给出建议的锂辉石粉掺量，供实际工程应用参考。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：洋房牌P·Ⅱ52.5水泥；硅灰：四川某公司，比表面积21 000 m2/kg；粉煤灰微珠：天津某公司，非晶态结构，比表面积≥1300 m2/kg。水泥、硅灰和粉煤灰微珠的主要化学成分见表1。

表1 水泥、硅灰和粉煤灰微珠的主要化学成分 %

（2）锂辉石粉：灵寿县某公司，将锂辉石破碎、粉磨成200目左右的粉状料，外观形貌见图1，主要化学成分见表2。锂辉石母岩的莫氏硬度为6.5～7.0，表观密度为3.03～3.22g/cm3。

表2 锂辉石粉的主要化学成分 %

（3）高钛重矿渣砂：四川某集团产，表观密度3200 kg/m3，外观形貌见图2，主要化学成分见表3。

表3 高钛重矿渣砂的主要化学成分 %

（4）膨胀剂：CaO-MgO复合型膨胀剂，比表面积3220cm2/g，水中7 d限制膨胀率为0.062%；减水剂：聚羧酸型高效减水剂，固含量50%，减水率30%～35%；钢纤维：长度13 mm、直径0.25 mm的平直镀铜钢纤维。

（5）拌合水：自来水。

1.2 试验方案

本试验采用最紧密堆积法进行UHPC配合比设计：去除粗骨料，掺入超细活性矿物掺合料，可使UHPC内部分子排列规律，内部孔隙及裂缝大幅度减少，进而增强UHPC的屏蔽性能[19]。采用锂辉石粉等质量取代粉煤灰微珠，锂辉石粉掺量分别为0、10%、20%、30%、40%（1#～5#），配合比见表4。为保证多孔、高强的高钛重矿渣砂内养护效果，在试验之前先将其浸泡在水中预湿至饱水状态。

表4 UHPC的配合比 kg/m3

1.3 试验方法

根据GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测试UHPC的扩展度和坍落度；按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》和GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》测试UHPC的力学性能；按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试UHPC的耐久性能。

2 结果与分析

2.1 锂辉石粉掺量对UHPC工作性能的影响（见表5）

表5 锂辉石粉掺量对UHPC工作性能的影响

由表5可以看出，随着锂辉石粉掺量的增加，UHPC的坍落度和扩展度均逐渐减小。这是因为：锂辉石粉的粒径远小于粉煤灰微珠，在胶凝体系中能起到密实填充作用，使得胶凝浆体更为稠密，导致拌合物流动性明显降低，而粉煤灰微珠粒径更大一些，且为玻璃态球状物质，在浆体中的滚珠效果可减小摩擦作用，增大拌合物流动性。掺加0～40%锂辉石粉不会对UHPC的坍落度产生不利影响。但当锂辉石粉掺量为40%时，UHPC的扩展度仅为470 mm，施工性能严重下降。根据GB 50164—2011《混凝土质量控制标准》，泵送高强混凝的扩展度不宜低于500 mm，且在满足施工要求的前提下，应尽可能采用较小的坍落度。因此，为保证UHPC具有较好的工作性能，建议锂辉石粉掺量不超过30%。

2.2 锂辉石粉掺量对UHPC力学性能的影响（见表6）

表6 锂辉石粉掺量对UHPC力学性能的影响

由表6可以看出，随着锂辉石粉掺量的增加，UHPC的抗压和抗弯拉强度均先提高后降低。锂辉石粉掺量为30%时，抗压强度和抗弯拉强度最高，28 d抗压强度为152.9 MPa、28 d抗弯拉强度为25.5 MPa；随着锂辉石粉掺量继续增大至40%，UHPC的抗压和抗弯拉强度明显下降，与掺量为30%时相比，抗压和抗弯拉强度分别降低了12.1%、7.8%。这是由于锂辉石粉的粒径远小于粉煤灰，可进入到界面过渡区，起到密实填充作用，从而改善界面过渡区的微结构，使UHPC的力学性能得到提高。但锂辉石粉掺量过多时，由于其比表面积过大，不具有粉煤灰微珠的“滚珠效应”，且活性相对粉煤灰微珠更低，不参与后期的水化反应，导致UHPC的力学性能降低。

2.3 锂辉石粉对UHPC耐久性能的影响

UHPC的耐久性能反映其服役能力，主要指标包括：抗氯离子渗透性能、抗渗性能、抗硫酸盐侵蚀性能和碳化深度等。对不同锂辉石粉掺量UHPC的耐久性能进行测试，并将测试结果与文献[20]中C50高钛重矿渣砂混凝土（6#）进行对比，测试结果见表7。其中，在使用电通法测试时，考虑到钢纤维具有导电性能，因此采用无纤维砂浆试块进行测试。

表7 锂辉石粉掺量对UHPC耐久性能的影响

由表7可以看出：（1）各组UHPC的氯离子渗透系数均＜1.5×10-12m2/s，RCM评定等级均达到了RCM-Ⅴ，抗氯离子渗透性能优于C50高钛重矿渣砂混凝土；（2）各组UHPC抗渗等级均为P28，远高于抗渗等级为P20的C50高钛重矿渣砂混凝土；（3）经150次干湿循环后，各组UHPC抗压强度基本不变，评定等级均能达到KS150，与C50高钛重矿渣砂混凝土相比，抗硫酸盐侵蚀性能优异；（4）在内部结构致密的UHPC试件中，CO2的扩散受到阻碍，各组试件碳化深度都为0，抗碳化性能良好。

本研究制备的UHPC耐久性能明显优于C50高钛重矿渣砂混凝土的原因在于：在UHPC材料组分中，活性硅灰的填充密实作用使其内部结构非常致密，且本文试验所使用的砂为多孔高钛重矿渣砂，具有“缓释水”作用，可改善界面过渡区，在水化后期补偿收缩，使结构更为致密。采用不同比例锂辉石粉取代粉煤灰微珠对UHPC长期耐久性能几乎没有影响。综合力学性能、工作性能和耐久性能，为获得更好的中子射线屏蔽效果，建议以锂辉石粉取代30%粉煤灰微珠。