一种可泵送防辐射高性能混凝土及其制备方法与流程

1.本发明涉及混凝土技术领域，具体涉及一种可泵送防辐射高性能混凝土及其制备方法。


背景技术：

2.防辐射混凝土又称为防射线混凝土、原子能防护混凝土、屏蔽混凝土、重混凝土或核反应堆混凝土，它能有效屏蔽辐射，是原子能反应堆、粒子加速器及其它含放射源装置常用的防护材料，主要用于α、β、χ、γ射线和中子流的屏蔽防护。
3.目前，国内外防辐射混凝土技术路线主要有以下两种：一是采用磁铁矿、褐铁矿石或重晶石作粗细集料配制屏蔽混凝土，该技术目前使用最为广泛；二是应用高性能混凝土技术，因未采用密度大的防辐射集料，必须通过增加混凝土厚度才能达到屏蔽射线的目的。如对于同一γ源，要使其辐射强度衰减一半，对于普通混凝土需5.95cm厚，而对防辐射混凝土则只需3.93-3.97cm厚即可。
4.总结国内防辐射混凝土设计和生产技术，主要存在以下问题：一是采用赤铁矿设计的防辐射混凝土容重虽可达到3500kg/m3，但混凝土中fe元素和结晶水含量较难达到设计要求，对热中子的屏蔽防护效果不佳，且因水泥用量大，水化放热速率高，存在收缩率大，易产生早期温度裂缝的问题；二是从提高赤铁矿防辐射混凝土中铁元素含量考虑，主要采取掺加钢锻、钢珠的方法，但过多铁质骨料的使用，导致防辐射混凝土的施工性能大幅降低；三是采用褐铁矿配制的防辐射混凝土虽可大幅提高混凝土中结晶水和铁元素含量，若不添加铁砂或钢锻，容重和铁元素含量易出现不满足设计要求的情况，且抗氯离子渗透性能普遍较低；四是在国内已建或在建核电工程防辐射混凝土施工中，由于集料的特重原因，运输和浇筑过程中混凝土易产生离析，且基本均采用非泵送方式，该浇筑方式均匀性较好，但存在施工振捣密实难度大、施工效率低等问题。
5.基于以上分析，研发一种可泵送的防辐射高性能混凝土，同步解决防辐射混凝土施工性能、综合力学性能、长期耐久性和长期屏蔽稳定性的综合技术难题，对于提高防辐射混凝土施工效率，确保防辐射混凝土结构工程施工质量，保证其设计寿命期内结构的屏蔽性能具有重大意义。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本发明提供一种可泵送防辐射高性能混凝土及其制备方法。
7.本发明采用的技术方案是：
8.一种可泵送防辐射高性能混凝土，包括以下重量份原料：
9.水160～175份；水泥290～320份；褐铁矿碎石900～1100份；褐铁矿砂900～980份；粉煤灰50～65份；硅灰30～50份；钢纤维80～200份；铁砂850～920份；减水剂6～9份；褐铁矿碎石及褐铁矿砂均为饱和面干状态，褐铁矿碎石与褐铁矿砂的混合比例在40～50％。
10.进一步地，水胶比为0.42～0.45，混凝土配合比的干砂浆体积为465～475l；坍落度不小于180mm。进一步地，混凝土总质量密度不低于3500kg/m3；h元素等效质量密度不小于30kg/m3，o元素等效质量密度不小于1120kg/m3；fe元素等效质量密度总和不小于1.8
×
103kg/m3。
11.进一步地，所述水泥为p
·
ii 42.5水泥，碱含量不大于0.6％，c3a含量小于5％，c3s含量小于55％，28d抗压强度不低于49mpa，比表面积300m2/kg～390m2/kg。
12.进一步地，所述褐铁矿碎石的粒径为5～25mm，fe2o3含量不低于70％，结晶水含量不少于10％，吸水率不高于10％，表观密度不小于3700kg/m3；所述褐铁矿砂为ii区中砂，fe2o3含量不低于60％，结晶水含量不少于10％，吸水率不高于10％，表观密度不小于3700kg/m3；所述铁砂为ⅱ区中砂，含铁量不低于85％。
13.进一步地，所述粉煤灰为f类ⅰ级粉煤灰，28d活性指数不低于70％
14.进一步地，所述硅灰中中无定形sio2含量占总质量的90％以上。
15.进一步地，所述钢纤维为镀铜微细钢纤维，纤维长度12～6mm，直径0.18～0.22mm，抗拉强度不低于2000mpa。
16.进一步地，所述铁砂为ⅱ区中砂要求，且含铁量不低于85％。
17.上述减水剂为聚羧酸高性能减水剂，减水率不低于30％，且具有良好的保坍效果。
18.上述p
·
ii 42.5水泥，因具有相对较小的比表面积，且严格控制c3a和c3s含量，可保证所生产防辐射高性能混凝土出机后拌合物具有良好的和易性，且可有效降低水泥的早期水化速度，减少早期混凝土温升，避免温度裂缝的产生。
19.上述褐铁矿碎石和褐铁矿砂，fe2o3含量分别不低于70％和60％，因具有较高的铁元素含量，在混凝土基体中充当骨架的同时，可引入大量的fe元素，从而具有良好的屏蔽高速中子的作用。
20.上述褐铁矿碎石和褐铁矿砂，骨料表面疏松多孔，具有极强的吸附性，表面会吸附着大量的水分，其饱和面干吸水率一般较大，为保证新拌混凝土具有良好的和易性，饱和面干吸水率不得大于5％；从提高混凝土配合比设计的准确性和技术经济性考虑，配合比设计时提前对骨料进行预湿，使其达到饱和面干状态，避免骨料吸水后导致拌合物工作性能降低。
21.上述铁砂，fe元素含量不低于80％，可大幅提高设计防辐射高性能混凝土中的铁元素含量，以达到设计技术指标要求。铁砂级配满足ⅱ区中砂要求，同质量替代褐铁矿碎石和砂，可在一定程度上改善混凝土的流动性。
22.上述粉煤灰和硅灰，因细度显著大于水泥，可有效填充基体混凝土中水泥石的孔隙，提高结构的密实度；且粉煤灰和硅灰表观密度均小于水泥，同质量取代水泥后，可显著提高拌合物中浆体体积，提高新拌混凝土的施工性能；另，浆体体积的提高，可对褐铁矿碎石和砂表面的孔隙进行封闭，提高混凝土的抗氯离子渗透能力。
23.上述镀铜微细钢纤维，具有很高的弹性模量和抗拉强度，在混凝土中呈三维分布，可显著提高混凝土的抗抗折强度和抗压强度，改善混凝土的脆性；表面的铜镀层，可以对纤维起到保护层的作用，提高钢纤维的抗腐蚀能力；因铁砂与褐铁矿粗细骨料密度相差较大，混凝土基体中乱向分布的钢纤维，可起到一定的支撑作用，避免铁砂和褐铁矿粗细骨料在混凝土浇筑初期向底部沉降，缓解防辐射混凝土结构存在的上下分层，提高结构的匀质性。
24.上述任意一种可泵送防辐射高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：：
25.1)、首先将褐铁矿石及褐铁矿砂预湿至饱和面干状态后按比例混合，得混合骨料；
26.2)、按配合比称取各原料，在搅拌机中按照水泥
→
粉煤灰
→
硅灰
→
混合骨料
→
铁砂
→
钢纤维
→
70％拌合水的顺序先后投放各原料，搅拌30～90s；
27.3)、再投放剩余拌合水和减水剂，搅拌90s以上，制得可泵送防辐射高性能混凝土。
28.进一步地，钢纤维由布料机均匀投入处于拌合状态的搅拌机中。
29.褐铁矿石及褐铁矿砂的最佳混合比例通过试验确定，应保证混合后骨料的紧密堆积密度最大，且空隙率最小，进一步优选褐铁矿石及褐铁矿砂的混合比例为1：1或3：2；
30.本发明的有益效果：
31.1、通过对褐铁矿石与褐铁矿砂的预湿，使其达到饱和面干状态，基于最紧密堆积选定二者混合比例，并严格控制防辐射混凝土中浆体含量，可有效改善设计防辐射混凝土的工作性能，降低基体内空隙率，所设计的防辐射高性能混凝土拌合物出机坍落度(180～195mm)、扩展度(425～470mm)，具有良好的可泵送施工性能。振捣成型后，整体混凝土中骨料分布的均匀性良好、热稳定性较好、质量损失率不大于0.9％。
32.2、通过褐铁矿粗细骨料、铁砂和钢纤维的复合使用，重核元素和轻核元素顺利引入到混凝土中，其中引入的h元素、o元素、fe质元素含量理论计算值分别为(129.4～129.4kg/m3、1300.0～1300.2kg/m3、1886～1887kg/m3)，所设计的防辐射混凝土具有很好的伽马射线、高速中子、中速中子和慢速中子屏蔽效果。
33.3、在防辐射混凝土中掺入体积分数为1％～3％的镀铜微细钢纤维，通过其三维乱向分布在混凝土中形成支撑骨架，可有效解决防辐射混凝土中屏蔽骨料和铁砂因自重产生的下沉问题，提高防辐射混凝土密度的匀质性，并通过发挥钢纤维的增强、增韧效用可提高防辐射混凝土的耐高温能力，抵抗持续高温下混凝土内部温度应力对水泥石的破坏。
34.4、通过硅灰、粉煤灰的复合使用，可显著提高防辐射混凝土的抗氯离子渗透性能，并通过同质量取代水泥，可有效减少防辐射混凝土早期水化热释放，降低大体积混凝土结构早期温度裂缝和塑性收缩裂缝产生的概率。
具体实施方式
35.下面结合具体实例对本发明作进一步说明，以便于对本发明的理解，但并不因此而限制本发明。
36.以下实施例所用各原料的来源为：
37.水泥：芜湖瑞信水泥有限公司生产的p
·
ii 42.5水泥；
38.粉煤灰：和益(福建)粉煤灰开发有限公司生产的f类i级粉煤灰；
39.褐铁矿石(5～25mm)/砂(ii区中砂)：上海龙核国际贸易有限公司；
40.铁砂(ii区中砂)：巩义市常宏铸造厂；
41.镀铜微细钢纤维：河北宇森网类有限公司；
42.硅灰：成都东南星科技发展有限公司。
43.以下实施中所用搅拌机为强制式双卧轴搅拌机，所用布料机为本技术的申请人自己研发的专利号为2020210281572的纤维给料机。
44.实施例1
45.一种可泵送防辐射高性能混凝土，包括以下重量份原料：水170份，水泥295份，褐铁矿碎石1032份，褐铁矿砂929份，粉煤灰58份，硅灰35份，铁砂870份，镀铜微细钢纤维195份，减水剂6.9份。
46.上述可泵送防辐射高性能混凝土的制备方法为：
47.1.1首先将褐铁矿石及褐铁矿砂预湿至饱和面干状态混合，得混合骨料；
48.1.2按比例称取各原料，在强制式双卧轴搅拌机中按照水泥
→
粉煤灰
→
硅灰
→
混合骨料
→
铁砂
→
镀铜微细钢纤维
→
70％拌合水的顺序先后投放各原材料，搅拌90s；钢纤维由布料机均匀投入处于拌合状态的搅拌机中；
49.1.3再投放剩余拌合水和减水剂，搅拌120s，制得可泵送防辐射高性能混凝土。
50.实施例2
51.一种可泵送防辐射高性能混凝土，包括以下重量份原料：水170份，水泥295份，褐铁矿碎石1013份，褐铁矿砂949份，粉煤灰58份，硅灰35份，铁砂887份，镀铜微细钢纤维178份，减水剂6.7份。
52.上述可泵送防辐射高性能混凝土的制备方法为：
53.1.1首先将褐铁矿石及褐铁矿砂预湿至饱和面干状态后混合，得混合骨料；
54.1.2按比例称取各原料，在强制式双卧轴搅拌机中按照水泥
→
粉煤灰
→
硅灰
→
混合骨料
→
铁砂
→
镀铜微细钢纤维
→
70％拌合水的顺序先后投放各原材料，搅拌30s；钢纤维由布料机均匀投入处于拌合状态的搅拌机中；
55.1.3再投放剩余拌合水和减水剂，搅拌90s以上，制得可泵送防辐射高性能混凝土。
56.实施例3
57.一种可泵送防辐射高性能混凝土，包括以下重量份原料：水170份，水泥295份，褐铁矿碎石994份，褐铁矿砂968份，粉煤灰58份，硅灰35份，铁砂909份，镀铜微细钢纤维156份，减水剂6.5份。
58.上述可泵送防辐射高性能混凝土的制备方法为：
59.1.1首先将褐铁矿石及褐铁矿砂预湿至饱和面干状态混合，得混合骨料；
60.1.2在强制式双卧轴搅拌机中按照水泥
→
粉煤灰
→
硅灰
→
混合骨料
→
铁砂
→
镀铜微细钢纤维
→
70％拌合水的顺序先后投放各原材料，搅拌50s；钢纤维由布料机均匀投入处于拌合状态的搅拌机中；
61.1.3再投放剩余拌合水和减水剂，搅拌120，制得可泵送防辐射高性能混凝土。
62.实施例1～3所得可泵送防辐射高性能混凝土密度测试
63.1)混凝土出机容重测试：混凝土出机后，用10l的容量桶(提前用水标定容量)测试混凝土拌合物的出机容重，即出机混凝土密度ρ0。
64.2)标准养护混凝土试块(拆模、2d、28d)密度测试：在混凝土试块脱模或标养至(2d、28d)时，从标准养护室中取出试块，静置1h(待表面晾干或擦干)后称量混凝土试块重量，并用排水法测试混凝土试块体积，分别计算硬化混凝土密度ρ2d、ρ28d，结果详见表1。
65.表1各实施例混凝土密度检测结果
[0066][0067]
实施例1～3所得可泵送防辐射高性能混凝土核素含量试验
[0068]
防辐射混凝土中h元素的引入，主要来源于拌合水、褐铁矿石骨料；o元素的引入，主要来源于胶凝材料(水泥、粉煤灰)、拌合水(h2o)和褐铁矿石骨料；fe质元素的引入，主要来源于铁砂(fe含量按85％计)、褐铁矿石骨料(fe2o3含量按70％计)和钢纤维(fe元素含量按98％计)。
[0069]
在不考虑胶凝材料(水泥、粉煤灰)引入的h/o元素和重核元素含量前提下，本发明防辐射混凝土中引入的h/o元素和重核元素含量理论计算值结果详见表2
[0070]
表2各实施例混凝土中h、o、fe元素等效质量密度理论计算结果计量单位：kg/m3[0071][0072]
实施例1～3所得可泵送防辐射高性能混凝土力学、工作性能试验
[0073]
根据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(gb/t 50080-2016)中坍落度试验方法和坍落扩展度试验方法检测实施例1～3的工作性能；采用拌制的防辐射高性能混凝土制备150mm*150mm*150mm的标准立方体试件，标准养护3d、7d、28d和56d后，检测对应龄期的抗压强度，测试结果详见表3。
[0074]
表3各实施例混凝土工作性能和各龄期抗压强度检测结果
[0075][0076]
实施例1～3所得可泵送防辐射混凝土均匀性试验
[0077]
制备φ100*300mm的圆柱体混凝土试块，在混凝土试块养护至7d龄期后，切割成大致相等的(上、中、下)三等份。再继续养护至28d龄期后，分别测试切割后(上部、中部、下部)混凝土的密度，并同基准混凝土(28d)试块密度进行对比，分析各部分混凝土块的密度偏差，以评价振捣成型后混凝土中重骨料分布的均匀性，测试结果详见表4。
[0078]
表4各实施例混凝土密度偏差检测结果
[0079][0080]
实施例1～3所得可泵送防辐射混凝土长期耐久性和稳定性试验
[0081]
将防辐射混凝土试块(标养28d)进行抗压试验破碎，取破碎后的混凝土块研成粉末置于烘箱中烘干后，称取一定数量的防辐射混凝土分末，置于高温电阻炉中，分别在(200℃、400℃、600℃、800℃)下灼烧1h，冷却后称量，计算防辐射混凝土粉末不同温度下灼烧后的质量损失率，分析防辐射混凝土在高温条件下，内部结晶水的损失情况，试验结果详见表5。
[0082]
表5各实施例不同温度下质量损失率检测结果
[0083][0084]
实施例1～3所得可泵送防辐射混凝土的抗氯离子渗透性能测试
[0085]
参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》gb/t 50082—2009第7章“快速氯离子迁移系数法(rcm法)”，分别测试了防辐射混凝土(标养28d)抗氯离子渗透性能，测试结果详见表6。
[0086]
表6各实施例氯离子渗透系数检测结果
[0087][0088]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。