一种基于防辐射功能集料的防γ射线超高性能混凝土及其制备方法

一种基于防辐射功能集料的防
γ
射线超高性能混凝土及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种基于防辐射功能集料的防γ射线超高性能混凝土及其制备方法。


背景技术：

2.防辐射混凝土是目前使用最为广泛、经济的核辐射防护材料，其相比金属和有机聚合物防护材料具有原材料来源广、便于施工和制造成本低等优点，在核能发电压力容器、加速器与放射化学装置防护等结构中应用广泛。
3.核工程设施作为国家安全和发展的关键设施，其破坏和损毁(可能遭受高技术武器精确打击、爆炸袭击和地震等破坏)会造成巨大的国民财产损失和环境安全损害。防辐射混凝土作为核工程建筑的主要结构材料，既承担着屏蔽射线的任务，又是核设施的重要安全保障，其力学性能事关整个核工程的安危。然而，当前已有防辐射混凝土的设计强度普遍不高，多数不超过c60，难以抵抗爆炸冲击荷载或重大地质灾害引发的高强度动载，为核工程留下安全隐患。此外，随着医疗放射科室建筑的老化，部分早期兴建的射线屏蔽墙体需进行维修加固，若采用已有防辐射混凝土(力学性能不高)，为了达到补强效果只能增加屏蔽墙体厚度，导致加固墙体大量占用室内面积。因此，迫切需要研发具有高强度、优异抗冲击和防辐射性能的混凝土。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提出了一种基于防辐射功能集料的防γ射线超高性能混凝土及其制备方法，以解决或部分解决现有技术中存在的技术问题。
5.第一方面，本发明提供了一种防辐射功能集料，所述防辐射功能集料包括核层和包覆于所述核层外的壳层，其中，所述核层包括以下原料：铅粉、重晶石粉、胶凝材料，所述胶凝材料包括硅酸盐水泥和粒化高炉矿渣，所述铅粉、重晶石粉、胶凝材料的质量比为(10～50)：(30～70)：(10～25)；所述壳层为碳化后的γ-c2s。
6.优选的是，所述的防辐射功能集料，所述核层的直径为3～8mm，所述防辐射功能集料的直径为5～10mm。
7.第二方面，本发明还提供了一种所述的防辐射功能集料的制备方法，包括以下步骤：
8.将铅粉、重晶石粉和胶凝材料混合后搅拌，再加入水，造粒，得到第一坯体；
9.将第一坯体固化后置于温度为200～220℃、压力为0.5～2mpa的压蒸条件下养护6～8h成型，即得核层；
10.将γ-c2s、水以及造孔剂混合后搅拌，得到胶凝浆体；
11.将核层置于胶凝浆体中进行二次造粒得到第二坯体，使核层表面覆盖壳层胶凝浆体，再将第二坯体置于碳化装置碳化1～3h，即得防辐射功能集料。
12.第三方面，本发明还提供了一种防γ射线超高性能混凝土，包括以下原料：水泥700～900kg/m3，粉煤灰微珠150～250kg/m3，硅灰150～250kg/m3，防辐射功能集料500～1500kg/m3，镀铜钢纤维100～250kg/m3，减水剂20～35kg/m3，膨胀剂60～85kg/m3，水170～220kg/m3；
13.其中，防辐射功能集料为所述的防辐射功能集料。
14.优选的是，所述的防γ射线超高性能混凝土，所述水泥为p
·
o52.5或p
·
ii 52.5硅酸盐水泥。
15.优选的是，所述的防γ射线超高性能混凝土，所述粉煤灰微珠烧失量≤5.0％，需水量比≤90％，球形颗粒体积率≥95％。
16.优选的是，所述的防γ射线超高性能混凝土，所述硅灰中sio2质量含量≥95％，比表面积≥15500m2/kg，28d活性指数≥100％。
17.优选的是，所述的防γ射线超高性能混凝土，所述镀铜钢纤维的断裂强度≥3000mpa，弹性模量为40～60gpa。
18.优选的是，所述的防γ射线超高性能混凝土，所述减水剂为聚羧酸减水剂。
19.第四方面，本发明还提供了一种所述的防γ射线超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
20.将防辐射功能集料放入水中浸泡至饱水状态；
21.再将浸泡后的防辐射功能集料、水泥、硅灰、粉煤灰微珠、膨胀剂混合搅拌，然后加入水和减水剂再次搅拌，最后加入镀铜钢纤维继续搅拌均匀，进行装模、振捣、成型后，进行薄膜养护，然后拆模，最后进行标准养护或蒸汽养护，即得防γ射线超高性能混凝土
22.本发明的一种防辐射功能集料、防γ射线超高性能混凝土及其制备方法相对于现有技术具有以下有益效果：
23.1、本发明的防辐射功能集料，一方面可有效提升uhpc材料中pb、ba等重元素的含量，改善uhpc材料的γ射线屏蔽性能；另一方面，防辐射功能集料外壳结构有大量微细连通孔，该结构不仅提高了防辐射功能集料与水泥砂浆之间的粘结强度，且防辐射功能集料具有内养护作用，经过清水浸泡后的预湿防辐射功能集料在混凝土成型后会随着时间的延长缓慢释放出内部水分，使混凝土得到充分的内养护，大幅降低混凝土的自收缩和干燥收缩，同时提高混凝土的密实性和强度；
24.2、本发明的防γ射线超高性能混凝土的制备方法，通过采用预湿防辐射功能集料制备超高性能混凝土，可利用其内养护作用可一定程度改善目前超高性能混凝土收缩大的问题，同时结合预拌工艺促进防辐射功能集料周围浆体形成高强、致密的界面过渡区，提高了防辐射超高性能混凝土的力学性能和耐久性能；此外，可有效解决目前市面上防辐射集料短缺及天然防辐射集料防辐射效果不足、破碎值较低的问题；本技术的制备方法，采用聚羧酸减水剂和粉煤灰微珠等矿物掺合料，优化混凝土拌合物的工作性能，改善混凝土的密实性和均质性，并进一步降低混凝土的收缩量，提高轻质超高性能混凝土的力学性能和体积稳定性能；本技术结合膨胀剂补偿收缩以及预湿防辐射功能集料的内养护作用，有效提升超高性能混凝土的抗裂性能和体积稳定性，同时可优化混凝土的孔结构，改善混凝土的耐久性能；本技术采用的防辐射功能集料中ba元素及 pb元素的总含量占集料总元素含量的40％以上，防辐射功能集料的掺入能够有效提升uhpc的防γ辐射性能；本技术制备得到
的防辐射超高性能混凝土的表观密度为2500～2800kg/m3，同时抗压强度等级可达c100以上，并具有良好的工作性能、力学性能以及体积稳定性，可有效提升混凝土构件的韧性、抗冲击性能、耐久性能及防γ射线辐射性能，具有重要的实际应用价值。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
26.本技术实施例提供了一种防辐射功能集料，其由内部的核层和包覆于核层外的壳层两部分构成，其中，核层包括以下原料：铅粉、重晶石粉、胶凝材料，所述胶凝材料包括硅酸盐水泥和粒化高炉矿渣，铅粉、重晶石粉、胶凝材料的质量比为(10～50)：(30～70)：(10～25)；壳层为碳化后的γ-c2s。
27.在一些实施例中，核层的直径为3～8mm，防辐射功能集料的直径为5～10mm。
28.需要说明的是，本技术的防辐射功能集料为一种具有核壳结构的免烧型球型集料，由核层和壳层两部分组成，其表观密度为2500kg/m3，饱和面干吸水率为5％～15％。
29.在一些实施例中，胶凝材料中硅酸盐水泥和粒化高炉矿渣的质量比为： (60～80):(20～40)。
30.基于同一发明构思，本技术实施例还提供了一种防辐射功能集料的制备方法，包括以下步骤：
31.s1、将铅粉、重晶石粉和胶凝材料混合后搅拌，再加入水，造粒，得到第一坯体；
32.s2、将坯体固化后置于温度为200～220℃、压力为0.5～2mpa的压蒸条件下养护6～8h成型，即得核层；
33.s3、将γ-c2s、水以及造孔剂混合后搅拌，得到胶凝浆体；
34.s4、将核层置于s3形成的胶凝浆体中进行二次造粒得到第二坯体，使核层表面覆盖壳层胶凝浆体，再将第二坯体置于碳化装置碳化1～3h，即得防辐射功能集料。
35.具体的，步骤s1中，将铅粉、重晶石粉和胶凝材料混合后搅拌，再加入水，造粒，得到第一坯体，控制第一胚体粒径小于4.75mm；其中，水的质量为铅粉、重晶石粉和胶凝材料三者质量之和的5～9％。
36.步骤s3中，造孔剂的质量为γ-c2s和造孔剂质量之和的3～8％；将γ-c2s、水以及造孔剂混合后搅拌，其中，水的质量为γ-c2s和造孔剂质量之和的5～9％。
37.具体的，γ-c2s按照常规方法制备得到，具体的，将caco3、sio2按c2s 的组成混后煅烧得到。
38.造孔剂包括caco3和mgco3的混合物，其中，caco3和mgco3的质量比为(1～3):(1～3)。基于同一发明构思，本技术实施例还提供了一种防γ射线超高性能混凝土，包括以下原料：水泥700～900kg/m3，粉煤灰微珠150～250kg/m3，硅灰150～250kg/m3，防辐射功能集料500～1500kg/m3，镀铜钢纤维100～250kg/m3，减水剂20～35kg/m3，膨胀剂60～85kg/m3，水170～220kg/m3；
39.其中，防辐射功能集料为所述的防辐射功能集料。
40.本技术采用采用防辐射功能集料制备防γ射线辐射超高性能混凝土，一方面可有效提升uhpc材料中pb、ba等重元素的含量，改善uhpc材料的γ射线屏蔽性能；另一方面，防辐射功能集料外壳结构有大量微细连通孔，该结构不仅提高了防辐射功能集料与水泥砂浆之间的粘结强度，且防辐射功能集料具有内养护作用，经过清水浸泡后的预湿防辐射功能集料在混凝土成型后会随着时间的延长缓慢释放出内部水分，使混凝土得到充分的内养护，大幅降低混凝土的自收缩和干燥收缩，同时提高混凝土的密实性和强度。此外，在混凝土制备过程中，提前在预湿防辐射功能集料表面包覆一层水泥、硅灰，可在防辐射功能集料与胶凝浆体结合处形成高强、致密的界面区，提升水泥浆体与防辐射功能集料的界面粘结强度，并且阻止有害离子在硬化浆体毛细孔中迁移，提高了防辐射超高性能混凝土的力学性能和抗渗性能。
41.在一些实施例中，水泥为p
·
o52.5或p
·
ii 52.5硅酸盐水泥。
42.在一些实施例中，粉煤灰微珠烧失量≤5.0％，需水量比≤90％，球形颗粒体积率≥95％。
43.在一些实施例中，硅灰中sio2质量含量≥95％，比表面积≥15500m2/kg，28d 活性指数≥100％。
44.上述实施例中，硅灰中sio2质量含量在95％以上，而且绝大多数是无定型 sio2，具有高的火山灰活性；同时，硅灰颗粒主要为非晶态的球形颗粒，平均粒径在0.1～0.2μm级别，硅灰黏滞阻力大，显著改善新拌混凝土的离析泌水，但同时增大了新拌混凝土的粘度；本发明通过掺入粉煤灰微珠，利用超细粉煤灰微珠自身的滚珠效应、填充和减水作用，可以有效改善新拌混凝土流动性和匀质性，同时也可以填充和“细化”混凝土中的空隙和毛细孔，提高混凝土的力学性能和耐久性能。
45.在一些实施例中，镀铜钢纤维的公称长度为10～16mm，当量直径为 0.18～0.35mm，断裂强度≥3000mpa，弹性模量为40～60gpa。
46.在一些实施例中，减水剂为聚羧酸减水剂。
47.在一些实施例中，所用的水为普通自来水，符合《混凝土用水标准》jgj63 的要求。
48.基于同一发明构思，本技术实施例还提供了一种防γ射线超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
49.s1、将防辐射功能集料放入水中浸泡至饱水状态；
50.s2、再将浸泡后的防辐射功能集料、水泥、硅灰、粉煤灰微珠、膨胀剂混合搅拌，然后加入水和减水剂再次搅拌，最后加入镀铜钢纤维继续搅拌均匀，进行装模、振捣、成型后，进行薄膜养护，然后拆模，最后进行标准养护或蒸汽养护，即得防γ射线超高性能混凝土。
51.具体的，在一些实施例中，将浸泡后的防辐射功能集料、水泥、硅灰、粉煤灰微珠、膨胀剂加入至混凝土搅拌机预拌1～3min，然后加入70％～90％质量的水和减水剂再次搅拌3～5min，最后加入镀铜钢纤维后后再加入剩下的水继续搅拌均匀，进行装模、振捣、成型后，进行薄膜养护，然后拆模，最后进行标准养护或蒸汽养护至规定龄期，即得防γ射线超高性能混凝土。
52.本技术的防γ射线超高性能混凝土的制备方法，通过采用预湿防辐射功能集料制备超高性能混凝土，可利用其内养护作用可一定程度改善目前超高性能混凝土收缩大的问题，同时结合预拌工艺促进防辐射功能集料周围浆体形成高强、致密的界面过渡区，提高了
防辐射超高性能混凝土的力学性能和耐久性能；此外，可有效解决目前市面上防辐射集料短缺及天然防辐射集料防辐射效果不足、破碎值较低的问题；本技术的制备方法，采用聚羧酸减水剂和粉煤灰微珠等矿物掺合料，优化混凝土拌合物的工作性能，改善混凝土的密实性和均质性，并进一步降低混凝土的收缩量，提高轻质超高性能混凝土的力学性能和体积稳定性能；本技术结合膨胀剂补偿收缩以及预湿防辐射功能集料的内养护作用，有效提升超高性能混凝土的抗裂性能和体积稳定性，同时可优化混凝土的孔结构，改善混凝土的耐久性能；本技术采用的防辐射功能集料中ba元素及pb元素的总含量占集料总元素含量的40％以上，防辐射功能集料的掺入能够有效提升uhpc的防γ辐射性能；本技术制备得到的防辐射超高性能混凝土的表观密度为2500～2800kg/m3，同时抗压强度等级可达c100以上，并具有良好的工作性能、力学性能以及体积稳定性，可有效提升混凝土构件的韧性、抗冲击性能、耐久性能及防γ射线辐射性能，具有重要的实际应用价值。
53.以下进一步以具体实施例说明本技术的防辐射功能集料、防γ射线超高性能混凝土及其制备方法。本部分结合具体实施例进一步说明本发明内容，但不应理解为对本发明的限制。如未特别说明，实施例中所采用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本领域常规试剂、方法和设备。
54.以下实施例和对比例中，水泥采用华新p
·
o52.5普通硅酸盐水泥；硅灰由四川朗天资源综合利用公司提供，sio2质量含量为95％，比表面积19000m2/kg， 28d活性指数105％；粉煤灰微珠由天津筑成新材料科技有限公司提供，比表面积1200m2/kg，28d活性指数＞90％，非晶态；镀铜钢纤维由武汉新途工程新材料科技有限公司生产，公称长度13mm，当量直径0.20mm，断裂强度3500mpa 左右，弹性模量52gpa左右；膨胀剂采用江苏博特新材料公司生产的hme型膨胀剂，比表面积为3220kg/m3，水中7d限制膨胀率为0.062％；减水剂采用江苏苏博特某新材料有限工程生产的固含量为50％的高减水率、低引气量的聚羧酸高性能减水剂；水为普通自来水；造孔剂包括caco3和mgco3的混合物，其中，caco3和mgco3的质量比为1:1。
55.以下实施例中所用的防辐射功能集料的制备方法，包括以下步骤：
56.s1、按配比称取各原料，各组分及其质量含量包括：铅粉30％，胶凝材料 15％，重晶石粉55％；胶凝材料中硅酸盐水泥和粒化高炉矿渣的质量比为70:30；
57.s2、将称取好的铅粉、胶凝材料、重晶石粉混合均匀，再投入成球机中，然后在成球机中加入水进行造粒，得到第一球形胚体，控制第一球形胚体粒径为4.5mm；其中，水的质量为铅粉、胶凝材料、重晶石粉质量之和的8％
58.s3、将步骤s2制得的球形胚体固化后置于温度为210℃、压力为1mpa的压蒸条件下养护8h成型，即得核层；
59.s4、将γ-c2s与造孔剂混合均匀(造孔剂的质量为γ-c2s和造孔剂质量之和的5％)，再加入水混合后搅拌得到胶凝浆体；其中，水的质量为γ-c2s和造孔剂质量之和的7％；
60.s5、将步骤s3中核层置于s4形成的胶凝浆体中进行二次造粒得到第二球形坯体，使核层表面覆盖壳层胶凝浆体，再将第二球形坯体置于碳化装置碳化 2h，即得防辐射功能集料。
61.实施例1
62.本技术实施例还提供了一种防γ射线超高性能混凝土，包括以下原料：水泥767kg/m3，粉煤灰微珠180kg/m3，硅灰180kg/m3，防辐射功能集料887kg/m3，镀铜钢纤维200kg/m3，减水剂30kg/m3，膨胀剂72kg/m3，水204kg/m3；
63.本技术实施例还提供了一种防γ射线超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
64.s1、将887kg/m3的防辐射功能集料放入水中浸泡至饱水状态；
65.s2、再将浸泡后的防辐射功能集料、767kg/m3的水泥，180kg/m3的粉煤灰微珠，180kg/m3的硅灰，72kg/m3的膨胀剂加入至混凝土搅拌机预拌3min，然后加入164kg/m3的水和30kg/m3的减水剂再次搅拌5min，再加入200kg/m3的镀铜钢纤维、40kg/m3的水继续搅拌均匀，进行装模、振捣、成型后，进行薄膜养护，然后拆模，最后进行标准养护或蒸汽养护至规定龄期，即得防γ射线超高性能混凝土。
66.实施例2
67.本技术实施例还提供了一种防γ射线超高性能混凝土，包括以下原料：水泥816kg/m3，粉煤灰微珠192kg/m3，硅灰192kg/m3，防辐射功能集料887kg/m3，镀铜钢纤维200kg/m3，减水剂30kg/m3，水204kg/m3；
68.本技术实施例还提供了一种防γ射线超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
69.s1、将887kg/m3的防辐射功能集料放入水中浸泡至饱水状态；
70.s2、再将浸泡后的防辐射功能集料、816kg/m3的水泥，192kg/m3的粉煤灰微珠，192kg/m3的硅灰加入至混凝土搅拌机预拌3min，然后加入164kg/m3的水和 30kg/m3的减水剂再次搅拌5min，再加入200kg/m3的镀铜钢纤维、40kg/m3的水继续搅拌均匀，进行装模、振捣、成型后，进行薄膜养护，然后拆模，最后进行标准养护或蒸汽养护至规定龄期，即得防γ射线超高性能混凝土。
71.实施例3
72.本技术实施例还提供了一种防γ射线超高性能混凝土，包括以下原料：水泥800kg/m3，粉煤灰微珠150kg/m3，硅灰180kg/m3，防辐射功能集料948kg/m3，镀铜钢纤维200kg/m3，减水剂28.25kg/m3，水192kg/m3；
73.本技术实施例还提供了一种防γ射线超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
74.s1、将948kg/m3的防辐射功能集料放入水中浸泡至饱水状态；
75.s2、再将浸泡后的防辐射功能集料、800kg/m3的水泥，150kg/m3的粉煤灰微珠，180kg/m3的硅灰加入至混凝土搅拌机预拌3min，然后加入154kg/m3的水和 28.25kg/m3的减水剂再次搅拌5min，再加入200kg/m3的镀铜钢纤维、38kg/m3的水继续搅拌均匀，进行装模、振捣、成型后，进行薄膜养护，然后拆模，最后进行标准养护或蒸汽养护至规定龄期，即得防γ射线超高性能混凝土。
76.对比例1
77.本对比例还提供了一种防γ射线超高性能混凝土，包括以下原料：水泥 816kg/m3，粉煤灰微珠192kg/m3，硅灰192kg/m3，镀铜钢纤维200kg/m3，石英砂869kg/m3，减水剂30kg/m3，水204kg/m3；
78.本对比例还提供了一种防γ射线超高性能混凝土的制备方法，包括以下步骤：
79.s1、将869kg/m3的石英砂、816kg/m3的水泥，192kg/m3的粉煤灰微珠， 192kg/m3的硅灰加入至混凝土搅拌机预拌3min，然后加入164kg/m3的水和 30kg/m3的减水剂再次搅拌5min，再加入200kg/m3的镀铜钢纤维、40kg/m3的水继续搅拌均匀，进行装模、振捣、成型后，进行薄膜养护，然后拆模，最后进行标准养护或蒸汽养护至规定龄期，即得防γ射线超高性能混凝土。
80.性能测试
81.测试实施例1～3以及对比例1中制备得到的防γ射线超高性能混凝土的性能，结果如表1所示。
82.表1-实施例1～3以及对比例1中防γ射线超高性能混凝土的性能
[0083][0084]
测试实施例1～3以及对比例1中制备得到的防γ射线超高性能混凝土的对 co60源γ射线屏蔽效果，结果如表2所示。
[0085]
表2-不同实施例中防γ射线超高性能混凝土的对co60源γ射线屏蔽效果
[0086]
实施例μ拟合结果(cm-1
)半值层厚度hvt(cm)十值层厚度tvt(cm)实施例10.115016.0320.02实施例20.113496.1120.29实施例30.116405.9519.78对比例10.096247.2023.93
[0087]
从表1～2中可以看出，本发明所得防γ射线超高性能混凝土具有良好的工作性能、力学性能及γ射线屏蔽性能，所得防辐射超高性能混凝土的表观密度在2500kg/m3以上，较一般轻集料超高性能混凝土增加自重14％以上，抗压强度等级可达c120以上，且具有高韧性和良好的工作性能(坍落度/扩展度)、抗裂性能以及抗渗等级。
[0088]
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。