防輻射重晶石混凝土配合比設計的試驗研究

李富海，周金金，李海增，楊建寧

（石家莊金隅旭成混凝土有限公司，河北 石家莊 051430）

防輻射重晶石混凝土配合比設計的試驗研究

李富海，周金金，李海增，楊建寧

（石家莊金隅旭成混凝土有限公司，河北 石家莊 051430）

本文通過對重晶石混凝土的配合比設計，得出不同容重的重晶石混凝土，具有不同的防輻射等級，在條件限制的情況下，選取最經濟的防輻射重晶石混凝土，既可以保證防輻射的安全性也可以兼顧經濟性，對實際施工具有很強的實用價值。

重晶石；防輻射；混凝土；配合比設計

在現代社會，由于核工業的發展和放射性同位素在工業、醫療及科研實驗室等各方面的廣泛應用，如何屏蔽輻射保護工作人員不受傷害，成為當前迫切需要解決的問題。大多數的材料減弱這些高能量高頻電磁波主要是依照康普頓散射效應的衰減效率，大致上與在輻射路線上材料的質量或密度成正比。現有防護方法中，以混凝土最為經濟，通常將普通混凝土通過澆筑成具有一定厚度的大體積的墻體，來屏蔽輻射。

重晶石防輻射混凝土是一種以重晶石為骨料的混凝土，它通過增加混凝土的表觀密度來提高對輻射的屏蔽能力，在可利用空間有限的情況下，可以采取澆筑重晶石混凝土來減小屏蔽輻射混凝土的厚度而不降低屏蔽效果。針對此種情況，防輻射重晶石混凝土的制備研究對實際應用具有重要意義。

1 重晶石混凝土防輻射原理

一般常碰到的射線有 χ、γ、中子射線及 α、β 射線等幾種，其中 α、β 射線比較弱，墻上粉刷防輻射材料即可屏蔽，χ、γ 射線擁有較高的穿透能力，但能被任何材料的一個適當的質量或密度充分的吸收掉。大多數材料減弱這些高能量高頻電磁波主要是依照康普頓散射效應的衰減效率，大致上與在輻射路線上材料的質量或密度成正比，且由于衰減不受材料類型影響，不同材料但是具有相同質量或密度，就具有相同的防御 χ、γ射線的能力。這就要求材料質量或密度較高，才能具有較好的防御能力[1,2]。

針對混凝土對γ射線的吸收規律式[3]：

式中：I0、I——射線通過混凝土前后強度；

a——材料對 γ 射線的質量吸收系數，取決于射線的能量；

ρ ——混凝土材料表觀密度；

y——混凝土材料所需厚度。

由公式可知，對相同 γ 射線，混凝土的厚度 y 一定時，混凝土的表觀密度ρ越大，通過混凝土后射線的強度越小，即混凝土對射線的吸收能力越強。因此，防射線要求防輻射混凝土的表觀密度要高，達到一定厚度。

對于中子射線，要求含有氫原子等輕元素的材料，以通過彈性碰撞減慢中速運動中的中子，硬化混凝土中含有大量結晶水，對中子有較強的防御能力。

2 試驗原材

按照標準 GB/T 50557—2010《重晶石防輻射混凝土應用技術規范》規定，選取硅酸鹽水泥、粒化高爐礦渣粉、Ⅱ級及以上粉煤灰、惰性摻合料重晶石石粉、重晶石骨料及普通碎石及天然砂、高性能聚羧酸減水劑。

2.1 粉料的選擇

水泥：選用水化熱較低的贊皇金隅水泥有限公司生產的 P·O42.5 級水泥。

粉煤灰：選取河北西柏坡發電有限責任公司生產的F 類Ⅱ級粉煤灰。

礦粉：選取邢臺超巖建材有限公司生產的 S95 級礦粉。

重晶石石粉：山東濰坊生產，比重 4.0，BaSO4含量 80%。

2.2 細骨料

（1）重晶石細骨料：山東濰坊生產，性能指標見表 1。

表 1 重晶石細骨料性能指標

（2）天然砂：正定產天然砂，性能指標見表 2、表 3。

表 2 天然砂的篩分記錄

表 3 天然砂性能指標

2.3 粗骨料

（1）重晶石粗骨料：山東濰坊生產，性能指標見表 4、表 5。

表 4 重晶石粗骨料篩分記錄

表 5 重晶石粗骨料性能指標

（2）普通碎石：贊皇金隅水泥有限責任公司生產，性能指標見表 6、表 7。

表 6 普通碎石篩分記錄

表 7 普通碎石的性能指標

2.4 外加劑

金隅科技聚羧酸高性能減水劑，根據需要調整各組分比例。

3 重晶石混凝土配合比設計及性能

3.1 試驗配合比設計思路

重晶石混凝土配合比設計主要考慮兩方面：（1）因為骨料表觀密度大，混凝土容易出現離析；重晶石性質較脆，破碎而成的集料顆粒的形狀和結構粗糙，混凝土狀態趨于干硬。為了克服這個問題，采取的措施是提高砂率和增加使用重晶石石粉來調整細集料以及提高膠材用量[4]等；（2）考慮到不同的工程需要不同容重的重晶石混凝土，摻加普通碎石和天然砂調整混凝土容重。

3.2 試驗方法

重晶石混凝土試驗方法參照 GB 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法》進行，混凝土試塊采用100mm×100mm×100mm 的立方體試塊。

3.3 配合比設計

重晶石混凝土配合比設計參照標準 GB/T 50557—2010《重晶石防輻射混凝土應用技術規范》進行設計，同時參考標準 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》，考慮到容重問題，選擇使用體積法設計。

重晶石防輻射混凝土的配合比應根據其表觀密度和強度等設計要求選擇原材料進行計算，并經試驗室試配，調整后確定。

3.3.1 重晶石防輻射混凝土的性能指標

3.3.1.1 表觀密度

重晶石防輻射混凝土表觀密度（ρb）可按 GB/T 50557—2010《重晶石防輻射混凝土應用技術規范》的規定分為五個等級，見表 8。

表 8 重晶石防輻射混凝土表觀密度等級

本次試驗主要配制表觀密度為 3200kg/m3和2800kg/m3的兩種防輻射混凝土。

表觀密度為 3200kg/m3的防輻射混凝土全部采用重晶石骨料，表觀密度為 2800kg/m3的防輻射混凝土中重晶石骨料與普通骨料比例為 7:3（質量比）。

3.3.1.2 強度

重晶石防輻射混凝土的強度等級應按立方體抗壓強度標準值確定，按標準 GB/T 50557—2010《重晶石防輻射混凝土應用技術規范》其強度等級可劃分為 C20、C25、C30、C35、C40 五個等級。

3.3.2 配合比設計試驗過程

（1）配制表觀密度為 3200kg/m3的 C30 重晶石防輻射混凝土。

重晶石混凝土除了強度要滿足設計要求外，還要考慮重晶石混凝土的表觀密度要求，混凝土狀態是否滿足實際施工的泵送要求。設計配制的混凝土配合比見表9。

C30 重晶石防輻射混凝土 1h 混凝土無流動性。

由表 9 數據可以分析出：狀態相對較好的 C30-3 早期強度為 21.3 MPa，達到設計強度的 71%，考慮到石粉為惰性材料，活性較差，為了保證混凝土強度，進行配合比調整。

（2）配合比調整。

配合比調整，總膠材由 310kg 調整至 345kg，水泥用量由 230kg 調整至 265kg，同時調整外加劑組分，提高與重晶石混凝土的適應性。做 C30-1 試配，混凝土保坍效果較差，重新調整外加劑，降低減水組分，提高降粘組分，拌合配合比不變，提高外加劑用量，配合比見表 10，觀察混凝土狀態。由表 10 可分析出：外加劑一開始和重晶石混凝土不適應，不能很好的保坍，僅只能保證出機狀態良好。調整外加劑組分后可以讓重晶石混凝土的狀態很好地滿足施工性能要求。

（3）試驗各強度等級重晶石混凝土配合比。

配合比設計見表 11。由表可以看出，因為設計的C30狀態滿足施工性能要求，其余強度重晶石混凝土也可以有很好的狀態，僅只需要在適當的情況下調整外加劑用量即可，且設計的各強度容重均在 3200kg/m3 以上，滿足設計容重要求。

（4）試驗表觀密度為 3200kg/m3的重晶石混凝土配合比及性能。

滿足表觀密度 3200kg/m3的重晶石混凝土配合比及性能見表 12，各項設計施工性能均滿足要求。

（5）配制表觀密度為 2800kg/m3的 C30 重晶石防輻射混凝土。

純重晶石集料配制出的混凝土容重已經達到3200kg/m3以上，配制容重 2800 kg/m3的重晶石混凝土需要摻加部分的普通碎石和天然砂降低容重。

配制表觀密度為 2800kg/m3的 C30 重晶石防輻射混凝土配合比見表 13。

表 9 C30 重晶石防輻射混凝土配合比及性能

表 10 C30-1 重晶石混凝土配合比及性能

表 11 C20、C25、C35、C40 重晶石混凝土配合比及性能

表 12 表觀密度為 3200kg/m3 的重晶石防輻射混凝土配合比及性能

表 13 容重 2800kg/m3 的 C30 重晶石防輻射混凝土配合比及性能

表 14 各強度等級重晶石混凝土配合比及性能

C30-1 在使用容重 3200kg/m3的外加劑，狀態直接離析；C30-2 調整外加劑用量，由摻量 1.5% 降低到1.3%，用水量減少 5kg，初始狀態較好，但是一小時后失去流動性。C30-3 在 C30-2 基礎上調整外加劑組分，摻量仍為 1.5%，初始狀態較好，但是 1h 后狀態仍不能滿足性能設計要求。C30-4 重新調整外加劑，摻量為1.7%，各項指標滿足設計要求，但是比較粘稠，對實際施工有影響；在 C30-4 基礎上調整外加劑組分，C30-5 增加降粘組分，降低保水成分，混凝土流動性好于C30-4，完全滿足實際施工性能要求。而且各配比容重均在 3000kg/m3 以上，滿足設計的容重 2800kg/m3 的要求。

C30-5 配合比基本滿足設計要求。選定此外加劑，再經過試驗確定其他強度等級重晶石混凝土配合比。

（6）配制表觀密度為 2800kg/m3的各強度等級重晶石防輻射混凝土。

其余試配各強度等級重晶石混凝土性能均滿足設計施工性能要求，容重均在 3000kg/m3 以上，干表觀密度均在 2800kg/m3以上，均滿足設計的容重在 2800kg/m3以上的要求。各強度等級重晶石混凝土配合比及狀態見表 14。

（7）表觀密度為 2800kg/m3各強度等級重晶石防輻射混凝土配合比及性能匯總。

表觀密度為 2800kg/m3的重晶石防輻射混凝土配合比見表 15，各強度等級重晶石混凝土在復配的專用外加劑下，各項性能均滿足設計施工性能要求。

4 結論

通過設計試驗容重為 3200kg/m3的重晶石防輻射混凝土和容重為 2800kg/m3的重晶石混凝土可以得到以下結論：

（1）選用合適的原材料可以配制出不同表觀密度的防輻射重晶石混凝土，各公司在普通混凝土生產的基礎上，均具備實際生產應用條件。

（2）配制理論表觀密度為 3200kg/m3的重晶石防輻射混凝土需要的骨料全部要求為重晶石材質，配制理論表觀密度為 2800kg/m3的重晶石防輻射混凝土則需要同時摻加比例為 7:3 的重晶石骨料與普通骨料就能達到。

表 15 表觀密度為 2800kg/m3 的重晶石防輻射混凝土配合比及性能

（3）配制的重晶石防輻射混凝土需要專門調整外加劑，和普通混凝土使用的外加劑有一定的區別，但和易性均能滿足施工要求：出機坍落度在 210mm 以上，擴展度在 600mm 以上，1h 損失在 20mm 以內。

（4）同樣用量的膠材和水灰比等情況下，摻加普通碎石和天然砂的重晶石混凝土容重雖然降低，但強度比純重晶石配制的混凝土強度高，這是因為重晶石性質較脆，壓碎值較大，制成的混凝土強度低于碎石和天然砂配制的混凝土[5]。

[1]李繼業、劉福勝．新型混凝土實用技術手冊[M]．北京：化學工業出版社，2005, 2: 330-344．

[2]P.Kumar Mehta、Paulo J.M.Monteiro著．覃維祖，王棟民，丁建彤譯．混凝土：微觀結構、性能和材料[M]．北京：中國電力出版社，2008．

[3]徐鵬雄．防輻射重晶石大體積混凝土的施工[J]．西部探礦工程，2006,18(2): 54-56．

[4]郭學武，陳朝輝，徐剡源．重晶石防輻射混凝土的制備與應用[J]．新型建筑材料，2007(6): 8-10．

[5]佘子盈．重晶石防輻射混凝土設計及性能研究[J]．混凝土，2013(1): 156-158．

李富海（1967—），男，從事預拌混凝土生產管理工作。

［通訊地址］河北省石家莊市欒城竇嫗工業區石家莊金隅旭成混凝土有限公司（051430）