新型核電站赤鐵礦屏蔽混凝土試驗研究

劉元秀 張建平 張會玲

（四川中核艾瑞特工程檢測有限公司，四川 綿陽 621000）

1 前言

某新型核電站建造過程中，應用了大量的屏蔽混凝土和不銹鋼制作的水池，應該將本工程比較成熟的屏蔽混凝土工程建造技術推廣應用，新型核電站建設過程中有大量的不銹鋼水箱需要進行X射線檢測，射線設備的存放必須放置在具有屏蔽效果的混凝土構筑物中。為保證射線設備存儲及試驗的安全可靠，本公司開展了新型核電站屏蔽混凝土應用的研究，開展了混凝土配合比的研究、混凝土模塊化制作的研究，并對屏蔽混凝土的屏蔽效果進行了射線比對試驗。

本混凝土建造模塊適用于防止射線輻射構筑物的建造，主要用于防X射線的混凝土構筑物，如需防止γ射線應適當增加混凝土模塊的厚度，屬于防輻射工程建造技術領域，涉及《核電廠屏蔽混凝土配合比設計規程》、《混凝土工程生物防護用重混凝土》、《普通混凝土配合比設計規程》等。

2 背景技術

鋼結構技術的成熟運用極大的推進了無損檢測技術的發展，射線檢測是無損檢測技術中應用較為廣泛的檢測技術，并且射線檢測存在一定的輻射隱患。新型核電站建設過程中有大量的不銹鋼水箱需要進行X射線檢測。射線設備的存放必須放置在具有屏蔽效果的混凝土構筑物中，此前存放射線設備的曝光室房間墻壁為普通混凝土，厚度不小于80cm，占地面積較大，施工周期長較繁瑣。采用屏蔽混凝土的建造模塊后，屏蔽射線效果相同的條件下，可減小混凝土墻體的體積，縮短施工周期。該防輻射混凝土構筑物建造模塊可用于醫院、學校、無損檢測機構的射線檢測室的建造。

赤鐵礦混凝土屏蔽機理：現有技術中較少使用由赤鐵礦細骨料、赤鐵礦粗骨料、水泥、水、外加劑組成的屏蔽混凝土，本課題研究的屏蔽混凝土基于赤鐵礦具有天然屏蔽射線輻射的效果。赤鐵礦的化學成分為α-Fe2O3，晶體屬六方晶系的氧化物礦物。赤鐵礦，是氧化鐵的主要礦物形式。赤鐵礦密度大硬度高。赤鐵礦內的鐵含量高達70%，因其鐵的產出量高，量大便于開采，所以是重要的鐵礦石。結晶水中氫原子核對高速中子具有良好的防護作用，而結晶水中含有較多的氫元素。赤鐵礦的結晶水含量較少，占2%左右，褐鐵礦結晶水含量較高，占11%左右。而防護γ射線、X射線可以選用高密度高硬度的赤鐵礦，因此，本防輻射混凝土研究主要采用密度較高的赤鐵礦制作。

防輻射混凝土又稱屏蔽混凝土，容重較大，約為普通混凝土的1.5倍，對X射線、γ射線以及中子輻射具有屏蔽能力，射線穿透的混凝土阻力較大。本次研究的混凝土膠凝材料采用硅酸鹽水泥，赤鐵礦屏蔽混凝土，可以有效地減弱中子流的穿透強度。赤鐵礦屏蔽混凝土可用作鉛、鋼等昂貴防射線材料的替代品，是應用較廣的用于屏蔽X射線、中子和γ射線輻射作用的混凝土，可以用于核輻射防護廠房、核島反應堆、粒子加速器、醫院射線室等工程設施的防護。

3 研究內容

本研究涉及赤鐵礦屏蔽混凝土配合比2項。

利用赤鐵礦石和礦砂配制出兩種強度的具有屏蔽射線效果的混凝土配合比C40、C60，該配合比坍落度可調整至混凝土便于施工的區間，混凝土密度達到3500kg/m3至3800kg/m3。

赤鐵礦石、礦砂：礦石、礦砂作為混凝土的粗細骨料，是混凝土的主要成分。在混凝土中起骨架或填充作用的粒狀松散材料，級配優良、質地堅硬的骨料有利于提高混凝土的強度。赤鐵礦砂、礦石另一個主要作用是屏蔽射線和輻射，赤鐵礦的化學成分為α-Fe2O3，晶體屬六方晶系的氧化物礦物，可以減弱中子流的穿透強度，用于屏蔽X射線、γ射線和中子輻射。

圖1 C40屏蔽混凝土坍落度120mm

圖2 C60屏蔽混凝土坍落度125mm

圖3 X射線對比試驗1-1左邊屏蔽右邊普通

本次試驗使用的赤鐵礦砂為2區中砂的機制砂，細度模數2.9，表觀密度4220kg/m3，堆積密度2360kg/m3。赤鐵礦石為5-25mm連續級配碎石，表觀密度4280kg/m3，堆積密度2290kg/m3。

通過對赤鐵礦混凝土配合比的研究和使用，確定了赤鐵礦屏蔽混凝土配合比2個，混凝土和易性、施工效果良好；通過屏蔽混凝土模塊進行X射線檢測對比試驗，找到該屏蔽混凝土與普通混凝土防輻射的比例關系。

赤鐵礦屏蔽混凝土的優勢：經實驗室內X射線輻射對比試驗，赤鐵礦混凝土的屏蔽效果是普通混凝屏蔽效果的3倍，但赤鐵礦混凝土密度（3600kg/m3）只有普通混凝土密度（2400kg/m3）的1.5倍。由此得出，如果想要達到相同的屏蔽效果，使用屏蔽混凝土的質量只有普通混凝土的1/2。赤鐵礦屏蔽混凝土采用的是赤鐵礦作為粗骨料和細骨料，未添加其他硬質骨料（鐵質、鉛質），便于加工，避免攪拌設備的過早老化。

選擇兩種不同類型的材料及各自占比的優勢：選擇兩種不同類型的骨料，使混凝土骨料能相互填充，充分混合。選擇合理砂率（砂占砂、石總質量的百分率），使兩種骨料混合后密度最大，利于混凝土的拌合物性能（混凝土坍落度、經時損失等）的提高，可使屏蔽效果達到最佳。赤鐵礦石級配可為5-25mm連續粒級，赤鐵礦砂為Ⅱ區中砂。赤鐵礦也可按0-8、8-25級配供貨。

4 關鍵措施方法

柱和梁可采用C40-C60屏蔽混凝土配合比制作（也可現澆），樓板或墻板可采用C25-C45屏蔽混凝土配合比制作，配合比分別見表1。

表1 赤鐵礦混凝土原材料摻量及坍落度建議范圍

屏蔽（赤鐵礦）混凝土配合比攪拌工藝，根據試驗赤鐵礦容易吸附外加劑且吸水效果不同于普通混凝土骨料，攪拌工藝如下：

第一步，將粗骨料、細骨料、水泥加入攪拌機內，攪拌5-20s。

第二步，將拌合水和外加劑總量的各60%-90%加入到攪拌機內，攪拌50-360min。

第三步，將剩余的拌合水和外加劑加入攪拌機內，攪拌10-120s。卸料。

5 分析結論

通過對防輻射混凝土配合比試驗及研究，兩個區段的配合比2種，混凝土配合比經現場檢驗效果良好，具有較高的實用性和推廣性；制作了防輻射模塊的模擬件，經曝光室內的輻射對比試驗屏蔽混凝土屏蔽效果良好，達到屏蔽的目的，該模塊化制作具有科學依據、合理，可減少不必要的浪費。

通過對比試驗，證明了屏蔽混凝土模塊的屏蔽效果，具有良好的實用性。對防輻射混凝土配合比及防輻射構筑物建造模塊的試驗，規定了赤鐵礦防輻射混凝土的配比和施工時的建議坍落度，便于施工。該屏蔽混凝土的屏蔽效果良好，實用性強。

通過屏蔽混凝土拌合物性能研究，證明混凝土坍落度為60-150mm時，混凝土拌合物性能無泌水離析情況出現，混凝土澆筑密實、均勻，無骨料下沉等嚴重狀況出現。此坍落度情況下，較好的實現混凝土的輸送和運輸。