李富海，周金金，李海增，楊建寧

（石家莊金隅旭成混凝土有限公司，河北 石家莊 051430）

防輻射重晶石混凝土配合比設(shè)計的試驗研究

李富海，周金金，李海增，楊建寧

（石家莊金隅旭成混凝土有限公司，河北 石家莊 051430）

本文通過對重晶石混凝土的配合比設(shè)計，得出不同容重的重晶石混凝土，具有不同的防輻射等級，在條件限制的情況下，選取最經(jīng)濟(jì)的防輻射重晶石混凝土，既可以保證防輻射的安全性也可以兼顧經(jīng)濟(jì)性，對實(shí)際施工具有很強(qiáng)的實(shí)用價值。

重晶石；防輻射；混凝土；配合比設(shè)計

在現(xiàn)代社會，由于核工業(yè)的發(fā)展和放射性同位素在工業(yè)、醫(yī)療及科研實(shí)驗室等各方面的廣泛應(yīng)用，如何屏蔽輻射保護(hù)工作人員不受傷害，成為當(dāng)前迫切需要解決的問題。大多數(shù)的材料減弱這些高能量高頻電磁波主要是依照康普頓散射效應(yīng)的衰減效率，大致上與在輻射路線上材料的質(zhì)量或密度成正比?，F(xiàn)有防護(hù)方法中，以混凝土最為經(jīng)濟(jì)，通常將普通混凝土通過澆筑成具有一定厚度的大體積的墻體，來屏蔽輻射。

重晶石防輻射混凝土是一種以重晶石為骨料的混凝土，它通過增加混凝土的表觀密度來提高對輻射的屏蔽能力，在可利用空間有限的情況下，可以采取澆筑重晶石混凝土來減小屏蔽輻射混凝土的厚度而不降低屏蔽效果。針對此種情況，防輻射重晶石混凝土的制備研究對實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

1 重晶石混凝土防輻射原理

一般常碰到的射線有 χ、γ、中子射線及 α、β 射線等幾種，其中 α、β 射線比較弱，墻上粉刷防輻射材料即可屏蔽，χ、γ 射線擁有較高的穿透能力，但能被任何材料的一個適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量或密度充分的吸收掉。大多數(shù)材料減弱這些高能量高頻電磁波主要是依照康普頓散射效應(yīng)的衰減效率，大致上與在輻射路線上材料的質(zhì)量或密度成正比，且由于衰減不受材料類型影響，不同材料但是具有相同質(zhì)量或密度，就具有相同的防御 χ、γ射線的能力。這就要求材料質(zhì)量或密度較高，才能具有較好的防御能力[1,2]。

針對混凝土對γ射線的吸收規(guī)律式[3]：

式中：I0、I——射線通過混凝土前后強(qiáng)度；

a——材料對 γ 射線的質(zhì)量吸收系數(shù)，取決于射線的能量；

ρ ——混凝土材料表觀密度；

y——混凝土材料所需厚度。

由公式可知，對相同 γ 射線，混凝土的厚度 y 一定時，混凝土的表觀密度ρ越大，通過混凝土后射線的強(qiáng)度越小，即混凝土對射線的吸收能力越強(qiáng)。因此，防射線要求防輻射混凝土的表觀密度要高，達(dá)到一定厚度。

對于中子射線，要求含有氫原子等輕元素的材料，以通過彈性碰撞減慢中速運(yùn)動中的中子，硬化混凝土中含有大量結(jié)晶水，對中子有較強(qiáng)的防御能力。

2 試驗原材

按照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50557—2010《重晶石防輻射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，選取硅酸鹽水泥、?；郀t礦渣粉、Ⅱ級及以上粉煤灰、惰性摻合料重晶石石粉、重晶石骨料及普通碎石及天然砂、高性能聚羧酸減水劑。

2.1 粉料的選擇

水泥：選用水化熱較低的贊皇金隅水泥有限公司生產(chǎn)的 P·O42.5 級水泥。

粉煤灰：選取河北西柏坡發(fā)電有限責(zé)任公司生產(chǎn)的F 類Ⅱ級粉煤灰。

礦粉：選取邢臺超巖建材有限公司生產(chǎn)的 S95 級礦粉。

重晶石石粉：山東濰坊生產(chǎn)，比重 4.0，BaSO4含量 80%。

2.2 細(xì)骨料

（1）重晶石細(xì)骨料：山東濰坊生產(chǎn)，性能指標(biāo)見表 1。

表 1 重晶石細(xì)骨料性能指標(biāo)

（2）天然砂：正定產(chǎn)天然砂，性能指標(biāo)見表 2、表 3。

表 2 天然砂的篩分記錄

表 3 天然砂性能指標(biāo)

2.3 粗骨料

（1）重晶石粗骨料：山東濰坊生產(chǎn)，性能指標(biāo)見表 4、表 5。

表 4 重晶石粗骨料篩分記錄

表 5 重晶石粗骨料性能指標(biāo)

（2）普通碎石：贊皇金隅水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)，性能指標(biāo)見表 6、表 7。

表 6 普通碎石篩分記錄

表 7 普通碎石的性能指標(biāo)

2.4 外加劑

金隅科技聚羧酸高性能減水劑，根據(jù)需要調(diào)整各組分比例。

3 重晶石混凝土配合比設(shè)計及性能

3.1 試驗配合比設(shè)計思路

重晶石混凝土配合比設(shè)計主要考慮兩方面：（1）因為骨料表觀密度大，混凝土容易出現(xiàn)離析；重晶石性質(zhì)較脆，破碎而成的集料顆粒的形狀和結(jié)構(gòu)粗糙，混凝土狀態(tài)趨于干硬。為了克服這個問題，采取的措施是提高砂率和增加使用重晶石石粉來調(diào)整細(xì)集料以及提高膠材用量[4]等；（2）考慮到不同的工程需要不同容重的重晶石混凝土，摻加普通碎石和天然砂調(diào)整混凝土容重。

3.2 試驗方法

重晶石混凝土試驗方法參照 GB 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法》進(jìn)行，混凝土試塊采用100mm×100mm×100mm 的立方體試塊。

3.3 配合比設(shè)計

重晶石混凝土配合比設(shè)計參照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50557—2010《重晶石防輻射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計，同時參考標(biāo)準(zhǔn) JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》，考慮到容重問題，選擇使用體積法設(shè)計。

重晶石防輻射混凝土的配合比應(yīng)根據(jù)其表觀密度和強(qiáng)度等設(shè)計要求選擇原材料進(jìn)行計算，并經(jīng)試驗室試配，調(diào)整后確定。

3.3.1 重晶石防輻射混凝土的性能指標(biāo)

3.3.1.1 表觀密度

重晶石防輻射混凝土表觀密度（ρb）可按 GB/T 50557—2010《重晶石防輻射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定分為五個等級，見表 8。

表 8 重晶石防輻射混凝土表觀密度等級

本次試驗主要配制表觀密度為 3200kg/m3和2800kg/m3的兩種防輻射混凝土。

表觀密度為 3200kg/m3的防輻射混凝土全部采用重晶石骨料，表觀密度為 2800kg/m3的防輻射混凝土中重晶石骨料與普通骨料比例為 7:3（質(zhì)量比）。

3.3.1.2 強(qiáng)度

重晶石防輻射混凝土的強(qiáng)度等級應(yīng)按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定，按標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50557—2010《重晶石防輻射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》其強(qiáng)度等級可劃分為 C20、C25、C30、C35、C40 五個等級。

3.3.2 配合比設(shè)計試驗過程

（1）配制表觀密度為 3200kg/m3的 C30 重晶石防輻射混凝土。

重晶石混凝土除了強(qiáng)度要滿足設(shè)計要求外，還要考慮重晶石混凝土的表觀密度要求，混凝土狀態(tài)是否滿足實(shí)際施工的泵送要求。設(shè)計配制的混凝土配合比見表9。

C30 重晶石防輻射混凝土 1h 混凝土無流動性。

由表 9 數(shù)據(jù)可以分析出：狀態(tài)相對較好的 C30-3 早期強(qiáng)度為 21.3 MPa，達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的 71%，考慮到石粉為惰性材料，活性較差，為了保證混凝土強(qiáng)度，進(jìn)行配合比調(diào)整。

（2）配合比調(diào)整。

配合比調(diào)整，總膠材由 310kg 調(diào)整至 345kg，水泥用量由 230kg 調(diào)整至 265kg，同時調(diào)整外加劑組分，提高與重晶石混凝土的適應(yīng)性。做 C30-1 試配，混凝土保坍效果較差，重新調(diào)整外加劑，降低減水組分，提高降粘組分，拌合配合比不變，提高外加劑用量，配合比見表 10，觀察混凝土狀態(tài)。由表 10 可分析出：外加劑一開始和重晶石混凝土不適應(yīng)，不能很好的保坍，僅只能保證出機(jī)狀態(tài)良好。調(diào)整外加劑組分后可以讓重晶石混凝土的狀態(tài)很好地滿足施工性能要求。

（3）試驗各強(qiáng)度等級重晶石混凝土配合比。

配合比設(shè)計見表 11。由表可以看出，因為設(shè)計的C30狀態(tài)滿足施工性能要求，其余強(qiáng)度重晶石混凝土也可以有很好的狀態(tài)，僅只需要在適當(dāng)?shù)那闆r下調(diào)整外加劑用量即可，且設(shè)計的各強(qiáng)度容重均在 3200kg/m3 以上，滿足設(shè)計容重要求。

（4）試驗表觀密度為 3200kg/m3的重晶石混凝土配合比及性能。

滿足表觀密度 3200kg/m3的重晶石混凝土配合比及性能見表 12，各項設(shè)計施工性能均滿足要求。

（5）配制表觀密度為 2800kg/m3的 C30 重晶石防輻射混凝土。

純重晶石集料配制出的混凝土容重已經(jīng)達(dá)到3200kg/m3以上，配制容重 2800 kg/m3的重晶石混凝土需要摻加部分的普通碎石和天然砂降低容重。

配制表觀密度為 2800kg/m3的 C30 重晶石防輻射混凝土配合比見表 13。

表 9 C30 重晶石防輻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 表觀密度為 3200kg/m3 的重晶石防輻射混凝土配合比及性能

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

表 14 各強(qiáng)度等級重晶石混凝土配合比及性能

C30-1 在使用容重 3200kg/m3的外加劑，狀態(tài)直接離析；C30-2 調(diào)整外加劑用量，由摻量 1.5% 降低到1.3%，用水量減少 5kg，初始狀態(tài)較好，但是一小時后失去流動性。C30-3 在 C30-2 基礎(chǔ)上調(diào)整外加劑組分，摻量仍為 1.5%，初始狀態(tài)較好，但是 1h 后狀態(tài)仍不能滿足性能設(shè)計要求。C30-4 重新調(diào)整外加劑，摻量為1.7%，各項指標(biāo)滿足設(shè)計要求，但是比較粘稠，對實(shí)際施工有影響；在 C30-4 基礎(chǔ)上調(diào)整外加劑組分，C30-5 增加降粘組分，降低保水成分，混凝土流動性好于C30-4，完全滿足實(shí)際施工性能要求。而且各配比容重均在 3000kg/m3 以上，滿足設(shè)計的容重 2800kg/m3 的要求。

C30-5 配合比基本滿足設(shè)計要求。選定此外加劑，再經(jīng)過試驗確定其他強(qiáng)度等級重晶石混凝土配合比。

（6）配制表觀密度為 2800kg/m3的各強(qiáng)度等級重晶石防輻射混凝土。

其余試配各強(qiáng)度等級重晶石混凝土性能均滿足設(shè)計施工性能要求，容重均在 3000kg/m3 以上，干表觀密度均在 2800kg/m3以上，均滿足設(shè)計的容重在 2800kg/m3以上的要求。各強(qiáng)度等級重晶石混凝土配合比及狀態(tài)見表 14。

（7）表觀密度為 2800kg/m3各強(qiáng)度等級重晶石防輻射混凝土配合比及性能匯總。

表觀密度為 2800kg/m3的重晶石防輻射混凝土配合比見表 15，各強(qiáng)度等級重晶石混凝土在復(fù)配的專用外加劑下，各項性能均滿足設(shè)計施工性能要求。

4 結(jié)論

通過設(shè)計試驗容重為 3200kg/m3的重晶石防輻射混凝土和容重為 2800kg/m3的重晶石混凝土可以得到以下結(jié)論：

（1）選用合適的原材料可以配制出不同表觀密度的防輻射重晶石混凝土，各公司在普通混凝土生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，均具備實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用條件。

（2）配制理論表觀密度為 3200kg/m3的重晶石防輻射混凝土需要的骨料全部要求為重晶石材質(zhì)，配制理論表觀密度為 2800kg/m3的重晶石防輻射混凝土則需要同時摻加比例為 7:3 的重晶石骨料與普通骨料就能達(dá)到。

表 15 表觀密度為 2800kg/m3 的重晶石防輻射混凝土配合比及性能

（3）配制的重晶石防輻射混凝土需要專門調(diào)整外加劑，和普通混凝土使用的外加劑有一定的區(qū)別，但和易性均能滿足施工要求：出機(jī)坍落度在 210mm 以上，擴(kuò)展度在 600mm 以上，1h 損失在 20mm 以內(nèi)。

（4）同樣用量的膠材和水灰比等情況下，摻加普通碎石和天然砂的重晶石混凝土容重雖然降低，但強(qiáng)度比純重晶石配制的混凝土強(qiáng)度高，這是因為重晶石性質(zhì)較脆，壓碎值較大，制成的混凝土強(qiáng)度低于碎石和天然砂配制的混凝土[5]。

[1]李繼業(yè)、劉福勝．新型混凝土實(shí)用技術(shù)手冊[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005, 2: 330-344．

[2]P.Kumar Mehta、Paulo J.M.Monteiro著．覃維祖，王棟民，丁建彤譯．混凝土：微觀結(jié)構(gòu)、性能和材料[M]．北京：中國電力出版社，2008．

[3]徐鵬雄．防輻射重晶石大體積混凝土的施工[J]．西部探礦工程，2006,18(2): 54-56．

[4]郭學(xué)武，陳朝輝，徐剡源．重晶石防輻射混凝土的制備與應(yīng)用[J]．新型建筑材料，2007(6): 8-10．

[5]佘子盈．重晶石防輻射混凝土設(shè)計及性能研究[J]．混凝土，2013(1): 156-158．

李富海（1967—），男，從事預(yù)拌混凝土生產(chǎn)管理工作。

［通訊地址］河北省石家莊市欒城竇嫗工業(yè)區(qū)石家莊金隅旭成混凝土有限公司（051430）