王 晶，董匯標(biāo) ，周永祥，夏京亮

(1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2.北京建筑大學(xué)，北京100044)

核技術(shù)加快了人類探索自然和發(fā)展技術(shù)的速度，自誕生以來已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域[1，2]，隨著核技術(shù)的快速發(fā)展及其廣泛應(yīng)用，其安全的防護(hù)越來越受到人們的重視，尤其是日本福島核事故后，社會(huì)和公眾對(duì)核安全提出了更高的要求，放射性射線的防護(hù)問題變得更加突出，核安全在國家安全中占有重要位置，也是限制其發(fā)展的關(guān)鍵[3-7]。水泥基防輻射材料是目前使用最廣泛的輻射屏蔽材料[8-11]，而防輻射混凝土占比較高，其主要用于防護(hù)和屏蔽核輻射的工程，具有重要的工程意義，由于其自身的特殊性，除力學(xué)性能外，防輻射混凝土的耐久性能也值得關(guān)注和研究。因此，該文針對(duì)不同骨料配制的不同強(qiáng)度等級(jí)的防輻射混凝土的耐久性能進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)研究。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥為金隅P.O42.5水泥，28 d抗壓強(qiáng)度49.2 MPa。粉煤灰為Ⅰ級(jí)粉煤灰，燒失量≤5%，需水量比≤95%?？紤]目前防輻射混凝土常用的骨料類型，試驗(yàn)用粗骨料主要選取了重晶石和鐵礦石兩種進(jìn)行配制，對(duì)應(yīng)的細(xì)骨料主要為重晶砂和鐵礦砂兩種，同時(shí)選用普通石灰石和河砂配制了普通混凝土進(jìn)行對(duì)比，粗、細(xì)骨料的物理性能分別見表1和表2。外加劑采用的是聚羧酸系高性能減水劑，減水率大于30%。拌合水采用清潔的自來水。

表1 粗骨料物理性能

表2 細(xì)骨料物理性能

1.2 方法

參照國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《防輻射混凝土》GB/T34008和《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ55，利用上述原材料配制不同強(qiáng)度等級(jí)的防輻射混凝土，相同強(qiáng)度等級(jí)的混凝土所采用的水膠比參數(shù)是相同的；此外為了對(duì)比不同骨料對(duì)防輻射混凝土耐久性能的影響，還配制了同水膠比的普通混凝土進(jìn)行對(duì)比。其中采用普通石灰石和河砂配制的普通混凝土，拌合物表觀密度為2 400 kg/m3左右，采用鐵礦石和重晶石作為粗細(xì)骨料配制的防輻射混凝土的拌合物表觀密度在3 100～3 300 kg/m3范圍，防輻射混凝土拌合物表觀密度的試驗(yàn)方法參照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50080進(jìn)行，具體各編號(hào)試樣的混凝土拌合物表觀密度見表3。

表3 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的拌合物表觀密度

注：編號(hào)中F表示防輻射混凝土，30表示設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C30，60表示設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C60，后面的字母P代表普通石灰石和河砂骨料，T代表鐵礦石，Z代表重晶石。

通過進(jìn)行不同骨料防輻射混凝土的耐久性能試驗(yàn)，分別對(duì)比研究了不同骨料防輻射混凝土的抗水滲透性能、抗氯離子滲透性能、抗碳化性能、抗凍性能和非接觸法測試早期收縮性能。具體的耐久性試驗(yàn)參照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土耐久性能和長期性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50082中的對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方法進(jìn)行。

2 耐久性能研究

2.1 抗水滲透性能

抗水滲透試驗(yàn)參照《普通混凝土耐久性能和長期性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082中的逐級(jí)加壓法進(jìn)行。由于該試驗(yàn)對(duì)低強(qiáng)度等級(jí)混凝土具有較好的區(qū)分度，故對(duì)強(qiáng)度等級(jí)C30的各組試件進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。每組試驗(yàn)采用六塊上表面直徑175 mm，下表面直徑185 mm，高150 mm的圓臺(tái)形試件，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d齡期后，按標(biāo)準(zhǔn)要求處理和密封試件后進(jìn)行試驗(yàn)。從試件底部施加0.1 MPa水壓開始，每隔8 h增加水壓0.1 MPa，并隨時(shí)觀察試件端面的滲水情況，并按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求根據(jù)試驗(yàn)的最大水壓計(jì)算混凝土的抗?jié)B等級(jí)?？紤]到試驗(yàn)周期較長，最大抗?jié)B等級(jí)測試超過P12后停止試驗(yàn)?？?jié)B等級(jí)結(jié)果如表4所示。

表4 不同編號(hào)混凝土的抗?jié)B等級(jí)

混凝土的抗水滲透性能是指在靜水壓力作用下，阻止水滲透、遷移的性能，混凝土的抗?jié)B性能與其自身的密實(shí)性、內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)和微觀缺陷密切相關(guān)，尤其是混凝土內(nèi)部的連通孔直接決定了混凝土整體的抗?jié)B性能。由表4的試驗(yàn)結(jié)果可知，普通石灰石混凝土的抗?jié)B等級(jí)達(dá)到了P10，重晶石防輻射混凝土的抗?jié)B等級(jí)最差，僅為P4，鐵礦石防輻射混凝土的抗?jié)B等級(jí)最高，大于P12。這主要是由于鐵礦石吸水率較高，而且鐵礦砂也具有較高的MB值，導(dǎo)致鐵礦石防輻射混凝土的有效水膠比較低，混凝土整體較為密實(shí)；根據(jù)不同骨料混凝土的力學(xué)性能也可推斷[12]，重晶石組則密實(shí)性較差，內(nèi)部缺陷較多，所配制的混凝土的抗水滲透性能最差。

2.2 抗氯離子滲透性能

2.2.1 電通量法

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082中電通量試驗(yàn)方法進(jìn)行試件制作和養(yǎng)護(hù)。試件成型后，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下分別養(yǎng)護(hù)至28 d和84 d齡期后進(jìn)行試驗(yàn)。不同編號(hào)、不同齡期混凝土的6 h電通量試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

根據(jù)圖1的不同強(qiáng)度等級(jí)、不同骨料類別和不同齡期的電通量試驗(yàn)結(jié)果可知，不論強(qiáng)度等級(jí)C30還是C60，利用鐵礦石配制的混凝土的各齡期的電通量值均為最大，各齡期各組混凝土試件的6 h電通量值由大到小為F30T>F30Z>F30P，84 d時(shí)各組電通量均相較28 d電通量大幅下降，這是因?yàn)殡S著齡期增長，膠凝材料水化更充分，使得硬化水泥石內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，因此大幅提高了混凝土的抗氯離子滲透性能。

2.2.2 RCM法

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082中RCM試驗(yàn)方法的規(guī)定進(jìn)行試件制作和養(yǎng)護(hù)。試件成型后，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下分別養(yǎng)護(hù)至28 d、56 d和84 d齡期后進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)后按照標(biāo)準(zhǔn)要求測試氯離子在混凝土中的滲透深度，并計(jì)算不同編號(hào)、不同齡期混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2結(jié)果可知，同一編號(hào)的混凝土試件隨著齡期的增長，氯離子擴(kuò)散系數(shù)顯著降低， 84 d齡期時(shí)的氯離子擴(kuò)散系數(shù)最小，這主要是隨著齡期的增長，膠凝材料水化更加充分，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，使抗氯離子滲透性能得到進(jìn)一步提高。

而不同齡期的不同骨料混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)所表現(xiàn)出的規(guī)律與電通量試驗(yàn)結(jié)果完全一致，各齡期各組混凝土試件的氯離子滲透系數(shù)由大到小為F30T>F30Z>F30P。這主要是由于電通量和RCM試驗(yàn)都是電化學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)的混凝土試件電導(dǎo)率高必然會(huì)提高氯離子透過混凝土的電量值和滲透深度，而鐵礦石本身電導(dǎo)率最大，因此在電壓作用下鐵礦石防輻射混凝土的6 h電通量值和氯離子擴(kuò)散系數(shù)最大。

2.3 抗碳化性能

防輻射混凝土屏蔽結(jié)構(gòu)由混凝土和鋼筋組成，防輻射混凝土除屏蔽輻射外，在結(jié)構(gòu)上主要承受荷載并保護(hù)內(nèi)部鋼筋不發(fā)生銹蝕，因此其抗碳化性能也值得研究。試驗(yàn)按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082中的碳化試驗(yàn)方法進(jìn)行。試驗(yàn)至3 d、7 d、14 d和28 d齡期時(shí)，按照標(biāo)準(zhǔn)要求，分別對(duì)不同編號(hào)防輻射混凝土進(jìn)行破型，測定其不同試驗(yàn)齡期的碳化深度。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 不同編號(hào)的混凝土的碳化試驗(yàn)結(jié)果

由表5的試驗(yàn)結(jié)果可知，不同骨料的防輻射混凝土的經(jīng)過3 d碳化試驗(yàn)時(shí)均未出現(xiàn)明顯的碳化，經(jīng)過28 d試驗(yàn)后，利用鐵礦石配制的防輻射混凝土的碳化深度值相對(duì)較小，但整體上不同骨料配制的防輻射混凝土的碳化深度值相差不大，基本相當(dāng)。

2.4 抗凍性能

抗凍性能按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082中的快凍法進(jìn)行試驗(yàn)，按照標(biāo)準(zhǔn)要求成型尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的混凝土棱柱體試件，每組3個(gè)；養(yǎng)護(hù)達(dá)到規(guī)定齡期后進(jìn)行飽水處理后進(jìn)行快速凍融試驗(yàn)。并根據(jù)最終的快速凍融試驗(yàn)結(jié)果，按照《混凝土耐久性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T193進(jìn)行了抗凍等級(jí)評(píng)定。圖3是不同編號(hào)混凝土的快速凍融試驗(yàn)結(jié)果。

由圖3的快速凍融試驗(yàn)結(jié)果可知，快速凍融試驗(yàn)結(jié)果與抗水滲透性能的規(guī)律一致，鐵礦石組的抗凍性能最優(yōu)，重晶石組最差，而普通石灰石組介于兩者之間。F60組整體的抗凍等級(jí)要高于F30組，而F60組不同骨料混凝土的抗凍等級(jí)表現(xiàn)規(guī)律與F30的一致，抗凍等級(jí)由高到低分別為：鐵礦石組>石灰石組>重晶石組。

根據(jù)混凝土凍融破壞的機(jī)理，混凝土的密實(shí)度、內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)、內(nèi)部缺陷數(shù)量以及飽水程度等是影響抗凍性能的重要因素，因此，混凝土的抗?jié)B性能與抗凍性能密切相關(guān)。在凍融試驗(yàn)過程中，抗?jié)B性能最差的重晶石組混凝土飽水程度最高，當(dāng)溫度降低至冰點(diǎn)以下時(shí)，自由水結(jié)晶發(fā)生體積膨脹產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力最大，從而對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成的破壞作用也最大，導(dǎo)致其凍融循環(huán)過程中最早發(fā)生破壞，抗凍等級(jí)最低，抗凍性能最差；而鐵礦石組相對(duì)密實(shí)，其抗凍性能較優(yōu)。

2.5 早期收縮性能

早期非接觸收縮試驗(yàn)按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082中的非接觸收縮試驗(yàn)方法進(jìn)行?；炷翉臄嚢杓铀饺肽ｉ_始測試時(shí)間控制在20 min內(nèi)，非接觸收縮試驗(yàn)測試總時(shí)長為72 h，測試儀器每隔一定時(shí)間自動(dòng)測量并記錄一次對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)的收縮變形和環(huán)境參數(shù)。不同編號(hào)的防輻射混凝土的非接觸收縮結(jié)果如圖4所示。

由圖4的試驗(yàn)結(jié)果可知，鐵礦石防輻射混凝土的早期收縮發(fā)展最快，在開始測試12 h時(shí)，基本完成的超過85%的收縮，而重晶石組的早期收縮變形發(fā)展最慢，在測試的24 h時(shí)才幾乎達(dá)到72 h全部收縮變形的85%，而且從最終的收縮變形值來看，鐵礦石組最大，重晶石組最小。在24 h之后測試時(shí)間內(nèi)，混凝土試件的收縮率仍有一定幅度的增加，但收縮率總體呈現(xiàn)平穩(wěn)增長，最后收縮率基本保持穩(wěn)定，結(jié)合混凝土初凝時(shí)間可判斷出，在初凝后各編號(hào)混凝土收縮率增長速度和幅度相對(duì)較小[13]。

之所以出現(xiàn)圖4的試驗(yàn)結(jié)果，主要是由于鐵礦石骨料本身吸水率較高，而且經(jīng)破碎后的鐵礦砂MB值高達(dá)2.8，因此在同水膠比條件下，由于鐵礦石吸水較快、混凝土水化硬化過程中鐵礦石防輻射混凝土整體失水量也最大，最終導(dǎo)致鐵礦石組防輻射混凝土的早期收縮變形發(fā)展較快，最終的收縮變形值最大。

3 結(jié) 論

a.28 d齡期、強(qiáng)度等級(jí)C30的鐵礦石混凝土的抗?jié)B等級(jí)最高，大于P12；重晶石組的抗?jié)B等級(jí)最低，僅為P4；石灰石組的抗?jié)B等級(jí)為P10。

b.隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，不同骨料類別的混凝土的抗氯離子滲透性能有明顯提高；相同水膠比、相同齡期的不同類別的防輻射混凝土的電通量結(jié)果與氯離子滲透系數(shù)規(guī)律一致，鐵礦石組最大，重晶石次之，普通骨料組最小。

c.強(qiáng)度等級(jí)C30的不同骨料類別的防輻射混凝土的28 d碳化深度差異不大，基本相當(dāng)。

d.相同水膠比參數(shù)條件下，不同骨料類別的防輻射混凝土的抗凍等級(jí)的規(guī)律為：鐵礦石組>石灰石組>重晶石組。

e.采用普通骨料、重晶石、鐵礦石分別配制的防輻射混凝土的早期72 h收縮率由高到低依次為，鐵礦石防輻射混凝土、普通混凝土和重晶石防輻射混凝土。