重晶石在泵送混凝土中的試驗研究及應用

徐武洪 李麗霞

重晶石是以硫酸鋇(BaSO4)為主要成分的非金屬礦產品,其化學性質穩定,不溶于水、無磁性和毒性,可用在混凝土中作為建筑材料投入使用。用于混凝土的重晶石,材質要求BaSO4含量應不低于80%[1]。采用硅酸鹽水泥等材料可與重晶石配制成均勻、密實的防X射線混凝土;在選擇一定的配比參數后,其可以滿足泵送混凝土的技術要求。

1 重晶石簡介

重晶石主要成分為硫酸鋇,純重晶石顯白色、有光澤,多呈白色或黃色晶狀,由于雜質及混入物的影響也常呈灰色、淺紅色、淺黃色等,結晶情況相當好的重晶石還可呈透明晶體出現。容重一般在 3 000 kg/m3～4 700 kg/m3,具有比重大、硬度低、性脆的特點。重晶石主要用于石油、化工、油漆、填料等工業部門,其中80%～90%用作石油鉆井中的泥漿加重劑。重晶石可按照混凝土中骨料的要求,破碎篩分為5 mm～25 mm和0 mm～5 mm等多種粒級;因礦源有差別,壓碎值一般在15%～35%范圍內。

2 重晶石在混凝土中的作用

將重晶石用于混凝土中一般稱為重晶石混凝土,它是防輻射混凝土中的一種,主要是利用其硫酸鋇成分屏蔽實驗室內產生的X射線等[2]。目前作為防射線的遮蔽體,大多數情況均采用重骨料配成重質混凝土,達到防射線的目的。一般用于醫院存放放射性醫療設備實驗室的墻板梁等工程部位。在采用防X射線的建筑材料中,重晶石混凝土是目前混凝土施工市場的首選。

3 試驗內容

選擇具有代表性的不同礦源重晶石進行試驗,按照泵送混凝土對骨料的要求進行破碎篩分,并測試物理性能;不僅將重晶石作為全部粗細骨料用于混凝土試驗,而且嘗試將其與普通碎石和黃砂進行不同比例混合的混凝土試驗;在試驗中以常用的最具有代表性的C30強度等級為主,開展混凝土物理性能試驗。

3.1 骨料

根據重晶石的分布情況,分別收集了礦石含量較多地區的重晶石作為試驗對象;普通骨料選擇泵送混凝土中常用的河砂和天然碎石。

3.2 其他原材料

1)水泥。選擇上海海豹水泥集團公司生產的普通42.5級水泥。

2)外加劑。選擇高效減水劑和高性能減水劑兩種。

3)摻合料。選擇泵送混凝土常用的粉煤灰和礦粉作為摻合料。

4 配比確定

1)泵送混凝土強度等級為C30,將重晶石的不同粒級分別作混凝土的粗細骨料,考慮到重晶石密度及壓碎值較大,配比中膠凝材料用量較普通泵送混凝土用量多一些,以保證混凝土強度滿足要求。在配比計算中,分別考慮選用兩種減水劑,并根據其不同的減水率確定最終用水量;礦粉和粉煤灰這兩種摻合料總量不大于20%。配比設計中要求漿體積不小于30%,骨料體積不大于70%;按照標準JGJ 55-2000普通混凝土配合比設計規程采用體積法計算配比各數據,見表1。

表1 骨料為重晶石的混凝土配比參數

2)按照上述配比內容分別進行混凝土試驗。試驗過程與普通混凝土相同,試驗方法執行GB/T 50080普通混凝土拌合物性能試驗方法標準,試驗結果見表2。

表2 各配比試驗結果

3)重晶石與普通砂石混合試驗。考慮到部分重晶石的粗骨料壓碎值較大、細骨料顆粒較多等特點,從改善上述混凝土中出現的和易性小、強度低等情況作為出發點,嘗試將重晶石骨料與普通砂石按一定比例混合使用,對配比進行調整。

同時根據重晶石混凝土在工程中應具備防輻射性能的這一要求,從重晶石容重的角度進行考慮[2],普通碎石黃砂的用量不宜超過30%。根據重晶石①,②,③具體的級配情況,分別用普通砂石替代后進行試驗。

結果表明:a.使用部分普通砂石明顯改善了重晶石混凝土的和易性,混凝土坍落度都有了一定的增加,可以滿足混凝土泵送的要求。b.普通砂石的使用,還使混凝土強度有了一定的改善,最低的強度也達到了設計值的118%,較全部使用重晶石的混凝土強度提高了28%。骨料改變前后的28 d齡期混凝土強度值比較見圖1。c.使用部分普通砂石后,由于其表觀密度均比重晶石小,所以混凝土容重都有一定量減少,從試驗結果看出,使用30%普通砂石后,重晶石混凝土的容重在2 980 kg/m3～3 160 kg/m3之間,較全部使用重晶石的混凝土容重相應減少2.9%～5.5%。

5 工程應用

5.1 工程簡介

上海某人民醫院擴建工程中地下室1層的兩個直線加速器機房的墻、頂板和底板設計為重晶石混凝土。設計強度等級為C30,密度不小于3 200 kg/m3,混凝土方量共約1 200 m3。分兩次施工,全部在晚上澆筑。該工程距攪拌站37 km。運輸距離較遠。醫用直線加速器是放射性較強的醫用設備,在使用中如果防護不當,其發出的射線會給周邊人員造成傷害。為了防止射線的泄漏,其周邊混凝土在成型后不應鉆孔,更不能有穿透的施工縫。

5.2 遠距離施工模擬試驗

1)按照工程中對混凝土容重的要求,選用重晶石④作為此次工程應用的粗細骨料及其相應混凝土配比;2)在攪拌站內實際生產時,考慮到混凝土密度較大,因此每一盤攪拌方量為0.6 m3;3)為防止重晶石骨料在攪拌過程中過粘,攪拌時間定為20 s;4)根據攪拌車的載重量,每車運輸方量定為5 m3;5)考慮到該重晶石混凝土的密度達到普通混凝土密度的1.36倍,同時此次運輸距離為40 km,因此選擇使用上海施維英機械制造有限公司的固定式輸送泵;6)模擬現場施工條件,鋪設泵管70 m及設置4個彎頭;7)現場振搗時要求振到即可,振搗時間不宜長,避免骨料較重產生下沉現象;8)澆筑完畢后,及時進行覆蓋養護;9)模擬試驗中混凝土計劃方量為10 m3,澆筑處為一塊500 mm厚的地坪。

混凝土運至模擬現場后,和易性良好,泵送過程順利。卸料后,局部振搗,目測表面沒有外露碎石即可。該混凝土第2天全部凝固,隨即進行灑水養護。7天后觀察側面沒有開裂等現象。混凝土性能檢測結果見表3。

表3 混凝土現場模擬試驗結果

5.3 實際應用

2009年4月1日和5月3日共供應重晶石混凝土1 300 m3,配備固定泵兩臺,采用試驗時使用的固定泵,其中一臺備用;攪拌車20臺,施工時間選擇在晚上。生產中全部按照模擬試驗中的技術要求進行,即攪拌時間為20 s,每輛攪拌車內裝5 m3。供應過程順利,現場泵送沒有發生堵泵堵管現象;出場坍落度控制在180 mm～200 mm,到現場后實測為160 mm。每小時實際泵送30 m3。施工單位進行了覆蓋灑水養護,混凝土硬化后表面平整,沒有裂縫,混凝土強度等情況見表4。

表4 生產的混凝土質量情況

6 結語

1)該礦石易與其他較輕礦石混長,在應用于工程時要嚴格執行表觀密度等項目的檢測,減少材料不均質可能產生的不良影響。

對不同產地材料都應試驗后才可根據其具體性能運用到工程中。2)由于重晶石壓碎值偏大,運輸過程中易粉碎,儲備材料時5 mm以上顆粒應適當增加數量,5 mm以下的則應適當減少;并且在混凝土配比設計及試驗中注意砂率和用水量的調整,通過測試坍落度值和倒坍時間等,控制和易性可以滿足泵送商品混凝土的要求。3)以混凝土滿足泵送要求為著眼點,配比設計應考慮以下幾個因素:水泥漿體積不應小于30%;混凝土密度的滿足主要通過重晶石解決;當密度指標很高時,應考慮膠凝材料的更換;混凝土和易性應反復驗證后方可應用于泵送施工中。4)宜選擇固定式泵,泵送量宜控制在30 m3/h～45 m3/h。泵送時坍落度宜控制在140 mm～160 mm。5)由于重晶石混凝土較重,在施工時應組織好施工隊伍及時處理排管接管拆管等工作,不能因此而耽誤混凝土澆筑時間。

[1] 李繼業,劉福圣.新型混凝土實用技術手冊[M].北京:化學工業出版社,2005:330-344.

[2] 雍 本.特種混凝土配合比手冊[M].北京:科學技術出版 社,2003:372-376.