一种防辐射超高性能混凝土及其制备方法与流程

[0001]
本发明涉及混凝土技术领域，具体涉及一种防辐射超高性能混凝土及其制备方法。


背景技术：

[0002]
核能被越来越广泛的被应用，主要应用于民用和军事两方面。在民用方面，主要应用于核能发电方面，全世界大概16％的电能是由核反应堆生产的，有9个国家近40％多的能源生产来自核能。核电站所产生的能源主要是通过核裂变进行的，虽然核电站拥有最高级别的防护措施，但是在人类历史上，也有过核电站事故的典型实例，核电站事故产生了严重核泄漏，对周围环境和人类生活带来了较大的影响。由于核电站核泄漏最主要的破坏形式为核辐射污染，附带的还可能会有一定规模的核爆炸，因此需要一定的预防护措施来应对这些突发情况。在军事方面，核爆炸具有非常大的威胁，核爆炸会产生强烈的冲击波和核辐射，对军用、民事设施和人民生命财产安全造成极大的破坏。所以对核破坏进行防护在核工程和军事上具有十分重要的意义。
[0003]
混凝土是一种很好的防辐射材料，能够有效的屏蔽大部分辐射射线，但是还是具有一定的局限性，例如现有技术中的防辐射混凝土的强度都比较低，在面临爆炸冲击的期间容易受到破坏，导致混凝土的防护性降低，如何能够制备一种具有防辐射并且拥有高强度的混凝土是我们目前待解决的一个问题。


技术实现要素：

[0004]
为解决上述技术问题，本发明利用破碎后的赤铁矿，对超高性能混凝土中的天然河砂进行了比例替换，制备了一种具有防辐射并且拥有高强度的混凝土，克服现有技术中防辐射混凝土强度都比较低，在面临爆炸冲击的期间容易受到破坏的技术问题。
[0005]
本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：
[0006]
一种防辐射超高性能混凝土，其特征在于，以质量份数计，原料包括：微硅灰130-160份、水泥700-750份、粉煤灰150-200份、河砂600-1200份、赤铁矿50-800份、水180-200份、减水剂40-50份、钢纤维130-170份。
[0007]
进一步地，所述水泥为po52.5水泥，所述粉煤灰为一级粉煤灰，所述减水剂为30％固化量减水剂，所述钢纤维规格13mm*0.22mm。
[0008]
进一步地，所述河砂由粒径为0.6-1.18mm的天然河砂和粒径小于0.6mm的天然河砂混合而成。
[0009]
进一步地，粒径为0.6-1.18mm的天然河砂和粒径小于0.6mm的天然河砂的混合质量为(1-3)：(4-7)。
[0010]
进一步地，所述赤铁矿粒径小于1.18mm。
[0011]
进一步地，所述赤铁矿包括粒径为0.6-1.18mm的赤铁矿和粒径小于0.6mm的赤铁矿。
[0012]
进一步地，所述粒径小于0.6mm的赤铁矿用量粒径为0.6-1.18mm的赤铁矿用量的2.5-3倍。
[0013]
进一步地，所述赤铁矿粒径小于0.6mm。
[0014]
在本发明技术方案中，首先进行粒径测试，然后根据粒径分布，采用修正后的a&a模型进行优化求解，得到各种粒径的最佳分布，超高性能混凝土具有最大的密实度，从而保证具有很好的耐久性和力学性能。
[0015]
进一步地，所述赤铁矿fe
2
o
3
占比60.7％，sio
2
占比26.14％，密度为5100kg/m
3
。
[0016]
本发明还提供上述防辐射超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
[0017]
(1)取原料水泥、赤铁矿、微硅灰、粉煤灰、河砂混合搅拌均匀；
[0018]
(2)投加减水剂和原料70％的水，搅拌混合均匀；
[0019]
(3)投加剩余水搅拌；
[0020]
(4)加钢纤维搅拌混匀得浆体，浇筑养护得所述防辐射超高性能混凝土。
[0021]
进一步地，所述步骤(1)搅拌转速140
±
5r/min，搅拌时间2min；所述步骤(2)搅拌转速140
±
5r/min，搅拌时间2min；所述步骤(3)搅拌转速280
±
10r/min，搅拌时间2min；所述步骤(4)搅拌转速140
±
5r/min，搅拌时间2min。
[0022]
进一步地，所述步骤(4)氧化条件在温度20
±
1℃、湿度95％的条件下进行养护。
[0023]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0024]
现有技术中防辐射超高性能混凝土技术主要分为两个方面：(1)采用磁铁矿石、褐铁矿石或重晶石作粗细集料，同时引入充分数量的结晶水和含硼、锂等轻元素的化合物及其掺和料。该方法是目前使用最为广泛的一种，其特点是密度高的粗细集料可以屏蔽γ射线，含轻元素的化合物能有效捕捉中子且不形成二次γ射线，射线屏蔽作用较好。但是由于采用密度大的材料做集料，易离析，混凝土施工性能差，水泥水化热大，混凝土易开裂，耐久性差，核废料的固化安全效果差。而在本发明技术方案中，利用超高性能混凝土的制备理论，并采用防辐射材料对混凝土中的骨料进行替换，制备出一种具有超高强度和耐久性并具有防辐射性能的混凝土，对核事故中的冲击破坏和辐射伤害进行有效的防护，成为一种较为理想的防护材料。在所制备的赤铁矿超高性能混凝土中，伽马射线的吸收量随着赤铁矿掺入量的增加而增加，所得试块强度最高可达130mpa，与在相同密度范围内开发的其他屏蔽材料相比，当对0-1.18粒径赤铁矿进行40％替换的超高性能混凝土是屏蔽伽马射线的最优选择。
[0025]
本发明制备的赤铁矿超高性能混凝土具有极高的强度，养护7天强度可达109mpa，氧化28天强度可达132mpa，远高于现有技术中其他文献的防辐射混凝土，可满足防辐射混凝土的防护需求。
附图说明
[0026]
图1为本发明实施例选用的赤铁矿物质形态图；
[0027]
图2为本发明实施例选用的赤铁矿的xrd图；
[0028]
图3为本发明实施例原料配比的目标、优化后的曲线及粒径分布图；
[0029]
图4为本发明实施例防辐射超高性能混凝土制备过程中的搅拌流程图；
[0030]
图5为本发明实施例防辐射超高性能混凝土进行辐射射线的检测的伽马射线试验
装置图；
[0031]
图6为不同赤铁矿替换比例制备的混凝土流动度结果图；
[0032]
图7为本发明实施例混凝土中赤铁矿粒径为0-0.6mm的抗压有效强度图；
[0033]
图8为本发明实施例混凝土中赤铁矿粒径为0.6-1.18mm的抗压有效强度图；
[0034]
图9为本发明实施例混凝土中赤铁矿粒径为0-1.18mm的抗压有效强度图；
[0035]
图10为本发明实施例混凝土线性衰减系数图；
[0036]
图11为本发明实施例制备的混凝土和现有技术中的防辐射超高性能混凝土衰减系数和强度之间的关系图；
[0037]
图12为本发明用0％、10％、20％、30％、40％的赤铁矿制备的混凝土试样的半值层数值图。
具体实施方式
[0038]
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
[0039]
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
[0040]
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
[0041]
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
[0042]
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
[0043]
实施例
[0044]
1.1原料
[0045]
本发明实施例中，所使用的材料是一级粉煤灰(荣昌盛环保材料厂)、微硅灰(绿明源环保材料厂)、水泥(博爱金隅po52.5)、30％固化量减水剂(苏博特)、天然河砂、赤铁矿(灵寿县锦铂矿产品加工厂)和钢纤维(史尉克工程纤维13mm*0.22mm)，使用的赤铁矿如图1所示，经过分析发现，赤铁矿中主要的氧化物为fe
2
o
3
，占比60.7％，其次为石英成分，主要氧化物为sio
2
，占比26.14％，除此之外，还有少量的cao，al
2
o
3
以及p
2
o
5
氧化物，表1为赤铁矿中所含的主要化合物(xrf)，图2为赤铁矿xrd示意图。其原产地为灵寿县，密度为5100kg/m
3
。实验原材料为赤铁矿石块，经过多次破碎后得到颗粒大小不一的赤铁矿材料，然后利用振筛机进行颗粒筛分，分为大粒径(0.6-1.18mm)与小粒径(0-0.6mm)两种不同的形式。
[0046]
表1赤铁矿中所含的主要化合物
[0047][0048]
1.2原料配比
[0049]
由于致密的堆积结构是开发具有超高性能uhpc的最关键因素之一，所以本发明利用修正后的a&a模型进行超高性能防辐射超高性能混凝土的配合比设计，原料配比的目标、优化后的曲线及粒径分布图见图3，公式(1)计算所得的配合比如表2所示。利用赤铁矿对超高性能混凝土中的天然河砂进行不同比例(粒径)的替换，进行超高性能防辐射超高性能混凝土的制备，首先制备了一组基本组，基本组中不添加赤铁矿，然后分别制备了替换率为10％、20％、30％、40％的混凝土试块，每一种替换率都分为0-0.6mm粒径替换、0.6-1.18mm粒径替换、0-0.6mm和0.6-1.18mm粒径同时替换三种情况，这样做可以充分对比每种替换情况下粒径对于防辐射uhpc的影响。
[0050][0051]
其中，d是颗粒粒径(μm)，p(d)是总颗粒粒径的一部分，其粒径尺寸范围小于d，d
max
是最大粒径(μm)，d
min
是最小粒径(μm)，q是分布模量。
[0052]
表2配合比设计(kg/m
3
)
[0053][0054][0055]
(h：赤铁矿；10：替换率为10％；20：替换率为20％；30：替换率为30％；1：0.6-1.18mm粒径赤铁矿替换；2：0-0.6mm粒径赤铁矿替换；3：0-0.6mm和0.6-1.18mm粒径同时替换。上述替换率是对河砂的相应的粒径进行替换，小粒径替换小粒径(0～0.6mm)，大粒径替换大粒径(0.6～1.18mm)，全尺寸替换全尺寸(0～1.18mm))，替换时采用等体积替换，河砂的表观密度为2600kg/m
3
，而赤铁矿的表观密度为5100kg/m
3
)
[0056]
1.3性能测试
[0057]
1.3.1流动性
[0058]
流动性的测定按en1015-3《测流动度规范》进行。图4为uhpc混凝土搅拌流程，在实验的过程中，将浆体倒入圆模中，定量后提起圆模，震动后静置，待浆体不再自由流动时，测量两个相互垂直的直径后取两者的平均值，用来计算相对流动度，以评估uhpc的工作性。
[0059]
1.3.2抗压强度
[0060]
抗压强度的测定按gb/t 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》进行，将制备好的浆体浇筑在40mm*40mm*160mm试件中，并在温度20
±
1℃、湿度95％的条件下进行养护，在养护7d、28d后，分别测量三个样品的强度值并取平均值。
[0061]
1.3.3防辐射性能
[0062]
1.3.3.1伽马射线衰减研究的实验装置
[0063]
使用了伽马射线光谱仪进行辐射射线的检测，每种替换率的试块仅测试替换最多的一组，每组中有5种不同厚度的试块，方便测试进行自由组合。如图5所示，光谱仪中有铯-137放射源，能量为662kev，放射源被放置在一个铅屏蔽盒中，铅屏蔽盒一端有开孔，对准被测物体，在被测物体后对应屏蔽盒开孔的位置，有一个辐射射线接收装置。
[0064]
1.3.3.2线性衰减系数
[0065]
线性衰减系数用于描述给定材料中辐射量子相互作用的研究，定义为在单位长度下，辐射量子间相互作用。这对于辐射屏蔽非常重要，并且以cm-1
为单位进行测量。
[0066]
1.3.3.3半值层(hvl)
[0067]
半值层指的是辐射射线在强度减弱到初始值的一半时，所需要的物质厚度，其计量单位为cm，计算如下
[0068][0069]
1.4性能测试结果
[0070]
1.4.1流动性
[0071]
图6是不同赤铁矿替换比例制备的混凝土流动度结果图，从图中可以分析看出，当使用赤铁矿替换河砂时，流动性都有所降低。全尺寸粒径进行替换时(0-1.18)，流动性降低最为明显，而仅大粒径赤铁矿(0.6-1.18)对赤铁矿替换时，流动性降低并不明显，单独小粒径替换时流动性降低介于两者之间。其主要的原因是赤铁矿相比较河砂来说，粒径更小，比表面积变大，与自由水接触的面积更广，能吸收更多的水，从而降低浆体的流动度。
[0072]
1.4.2抗压强度
[0073]
制备的不同赤铁矿粒径掺杂制备的防辐射超高性能混凝土抗压强度如图7、图8、图9所示，对制备的试块分别进行了养护7天和28天的抗压强度测试。总体来看，随着大小粒径赤铁矿的替换，超高性能混凝土的28天抗压强度均在110mpa以上，7天抗压强度也在94以上。此外，由于大粒径(0.6-1.18mm)赤铁矿的硬度相比于河砂的硬度更低，大粒径(0.6-1.18mm)赤铁矿的掺入会显著降低uhpc的抗压强度，而小粒径(0-0.6mm)赤铁矿的掺入对uhpc的抗压强度影响较小。但在所有工况下，当赤铁矿替换率在20％时，uhpc的抗压强度都会达到最大值。
[0074]
一般情况下，超高性能混凝土最关键的因素就是致密的颗粒堆积骨架，颗粒堆积密度会直接影响到试块的抗压强度。在本发明技术方案中，由于替换了一些细骨料，添加的赤铁矿会影响超高性能混凝土的内部颗粒堆积系统，从而影响超高性能混凝土的抗压性能，小粒径的赤铁矿替换河砂可以在极大程度上保证超高性能混凝土的内部颗粒堆积系统，从而使其具有更佳的抗压性能。
[0075]
1.4.3辐射相关测试
[0076]
在没有混凝土试样的情况下，伽马探测器所测得的剂量率约为4006μsv/h，入射辐射量与给定材料中单位路径长度之间的关系，通常用线性衰减系数来解释，我们比较了试块之间的线性衰减系数，以及对比了本文和其他研究人员衰减系数和强度之间的关系(图10、图11、表3)，h10-3试块的线性衰减系数为0.1645cm-1
，h20-3试块的线性衰减系数为0.1764cm-1
，h30-3和h40-3试块的线性衰减系数分别为0.1751cm-1
与0.1837cm-1
，本发明制作的赤铁矿uhpc与蛇纹石混凝土、重晶石混凝土、普通混凝土的线性衰减系数是不一样的，结果表明，在赤铁矿uhpc中，伽马射线的吸收量随着赤铁矿掺入量的增加而增加，所得试块强度最高可达130mpa，高于其他研究人员的试块强度。
[0077]
图中“[1]”防辐射混凝土方法、原料选自丁庆军,王承,刘凯,孙华,黄修林,利用富含重金属污泥制备防辐射功能集料,武汉理工大学学报,37(12)(2015)17-22；
[0078]“[2]”防辐射混凝土方法、原料选自肖莉芳,铅锌尾矿砂混凝土屏蔽性能试验研究与数值模拟,硕士,南华大学,2019；
[0079]“[3]”防辐射混凝土方法、原料选自m.alwaeli,investigation ofgamma radiation shielding and compressive strength properties ofconcrete containing scale and granulated lead-zinc slag wastes,journal ofcleaner production,166(2017)157-162(含水垢和粒状铅锌渣废料混凝土的γ辐射屏蔽和抗压强度性能研究)；
[0080]“[4]”防辐射混凝土方法、原料选自o.gencel,a.bozkurt,e.kam,t.korkut,determination and calculation ofgamma andneutron shielding characteristics of concretes containing different hematite proportions,annals ofnuclear energy,38(12)(2011)2719-2723(不同赤铁矿配比混凝土γ和中子屏蔽特性的测定与计算)；
[0081]“[5]”防辐射混凝土方法、原料选自j.baalamurugan,v.ganesh kumar,s.chandrasekaran,s.balasundar,b.venkatraman,r.padmapriya,v.k.bupesh raja,utilization ofinduction furnace steel slag in concrete as coarse aggregate for gamma radiation shielding,journal ofhazardous materials,369(2019)561-568.(混凝土中感应炉钢渣作为γ射线屏蔽粗骨料的应用)；
[0082]“[6]”防辐射混凝土方法、原料选自姚娅,掺杂氧化铋的γ射线屏蔽材料的设计及效果评价,硕士,南华大学,2017；
[0083]“[7]”防辐射混凝土方法、原料选自任婷,利用富含ni、fe的电镀污泥制备防辐射集料的研究,硕士,武汉理工大学,2016；
[0084]“[8]”为本发明方法制备的混凝土。
[0085]
hvl是指辐射射线强度减弱到初始值的一半时，所需要的物质厚度。图12显示了用0％、10％、20％、30％、40％的赤铁矿制备的混凝土试样的半值层数值。对于常规混凝土来说，hvl值为5.382cm；对于h10-3来说，hvl值为4.213cm；对于h20-3来说，hvl值为3.928cm；对于h30-3来说，hvl值为3.957cm；对于h40-3来说，hvl值为3.772cm。结果表明，与在相同密度范围内开发的其他屏蔽材料相比，当对0-1.18粒径赤铁矿进行40％替换的uhpc是屏蔽伽马射线的最优选择。
[0086]
表3混凝土密度、线性衰减系数、hvl的比较
[0087][0088]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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