防輻射混凝土的耐久性能研究

王 晶，董匯標 ，周永祥，夏京亮

(1.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013；2.北京建筑大學，北京100044)

核技術加快了人類探索自然和發展技術的速度，自誕生以來已廣泛應用于國民經濟各個領域[1，2]，隨著核技術的快速發展及其廣泛應用，其安全的防護越來越受到人們的重視，尤其是日本福島核事故后，社會和公眾對核安全提出了更高的要求，放射性射線的防護問題變得更加突出，核安全在國家安全中占有重要位置，也是限制其發展的關鍵[3-7]。水泥基防輻射材料是目前使用最廣泛的輻射屏蔽材料[8-11]，而防輻射混凝土占比較高，其主要用于防護和屏蔽核輻射的工程，具有重要的工程意義，由于其自身的特殊性，除力學性能外，防輻射混凝土的耐久性能也值得關注和研究。因此，該文針對不同骨料配制的不同強度等級的防輻射混凝土的耐久性能進行了系統試驗研究。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥為金隅P.O42.5水泥，28 d抗壓強度49.2 MPa。粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，燒失量≤5%，需水量比≤95%。考慮目前防輻射混凝土常用的骨料類型，試驗用粗骨料主要選取了重晶石和鐵礦石兩種進行配制，對應的細骨料主要為重晶砂和鐵礦砂兩種，同時選用普通石灰石和河砂配制了普通混凝土進行對比，粗、細骨料的物理性能分別見表1和表2。外加劑采用的是聚羧酸系高性能減水劑，減水率大于30%。拌合水采用清潔的自來水。

表1 粗骨料物理性能

表2 細骨料物理性能

1.2 方法

參照國家現行標準《防輻射混凝土》GB/T34008和《普通混凝土配合比設計規程》JGJ55，利用上述原材料配制不同強度等級的防輻射混凝土，相同強度等級的混凝土所采用的水膠比參數是相同的；此外為了對比不同骨料對防輻射混凝土耐久性能的影響，還配制了同水膠比的普通混凝土進行對比。其中采用普通石灰石和河砂配制的普通混凝土，拌合物表觀密度為2 400 kg/m3左右，采用鐵礦石和重晶石作為粗細骨料配制的防輻射混凝土的拌合物表觀密度在3 100～3 300 kg/m3范圍，防輻射混凝土拌合物表觀密度的試驗方法參照現行國家標準《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》GB/T 50080進行，具體各編號試樣的混凝土拌合物表觀密度見表3。

表3 不同強度等級混凝土的拌合物表觀密度

注：編號中F表示防輻射混凝土，30表示設計強度等級C30，60表示設計強度等級C60，后面的字母P代表普通石灰石和河砂骨料，T代表鐵礦石，Z代表重晶石。

通過進行不同骨料防輻射混凝土的耐久性能試驗，分別對比研究了不同骨料防輻射混凝土的抗水滲透性能、抗氯離子滲透性能、抗碳化性能、抗凍性能和非接觸法測試早期收縮性能。具體的耐久性試驗參照現行國家標準《普通混凝土耐久性能和長期性能試驗方法標準》GB/T 50082中的對應的試驗方法進行。

2 耐久性能研究

2.1 抗水滲透性能

抗水滲透試驗參照《普通混凝土耐久性能和長期性能試驗方法標準》GB/T50082中的逐級加壓法進行。由于該試驗對低強度等級混凝土具有較好的區分度，故對強度等級C30的各組試件進行了對比試驗。每組試驗采用六塊上表面直徑175 mm，下表面直徑185 mm，高150 mm的圓臺形試件，標準養護至28 d齡期后，按標準要求處理和密封試件后進行試驗。從試件底部施加0.1 MPa水壓開始，每隔8 h增加水壓0.1 MPa，并隨時觀察試件端面的滲水情況，并按照相應標準要求根據試驗的最大水壓計算混凝土的抗滲等級。考慮到試驗周期較長，最大抗滲等級測試超過P12后停止試驗。抗滲等級結果如表4所示。

表4 不同編號混凝土的抗滲等級

混凝土的抗水滲透性能是指在靜水壓力作用下，阻止水滲透、遷移的性能，混凝土的抗滲性能與其自身的密實性、內部孔結構和微觀缺陷密切相關，尤其是混凝土內部的連通孔直接決定了混凝土整體的抗滲性能。由表4的試驗結果可知，普通石灰石混凝土的抗滲等級達到了P10，重晶石防輻射混凝土的抗滲等級最差，僅為P4，鐵礦石防輻射混凝土的抗滲等級最高，大于P12。這主要是由于鐵礦石吸水率較高，而且鐵礦砂也具有較高的MB值，導致鐵礦石防輻射混凝土的有效水膠比較低，混凝土整體較為密實；根據不同骨料混凝土的力學性能也可推斷[12]，重晶石組則密實性較差，內部缺陷較多，所配制的混凝土的抗水滲透性能最差。

2.2 抗氯離子滲透性能

2.2.1 電通量法

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T50082中電通量試驗方法進行試件制作和養護。試件成型后，在標準養護條件下分別養護至28 d和84 d齡期后進行試驗。不同編號、不同齡期混凝土的6 h電通量試驗結果如圖1所示。

根據圖1的不同強度等級、不同骨料類別和不同齡期的電通量試驗結果可知，不論強度等級C30還是C60，利用鐵礦石配制的混凝土的各齡期的電通量值均為最大，各齡期各組混凝土試件的6 h電通量值由大到小為F30T>F30Z>F30P，84 d時各組電通量均相較28 d電通量大幅下降，這是因為隨著齡期增長，膠凝材料水化更充分，使得硬化水泥石內部結構更加密實，因此大幅提高了混凝土的抗氯離子滲透性能。

2.2.2 RCM法

按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T50082中RCM試驗方法的規定進行試件制作和養護。試件成型后，在標準養護條件下分別養護至28 d、56 d和84 d齡期后進行試驗，試驗后按照標準要求測試氯離子在混凝土中的滲透深度，并計算不同編號、不同齡期混凝土的氯離子擴散系數，試驗結果如圖2所示。

由圖2結果可知，同一編號的混凝土試件隨著齡期的增長，氯離子擴散系數顯著降低， 84 d齡期時的氯離子擴散系數最小，這主要是隨著齡期的增長，膠凝材料水化更加充分，內部結構更加密實，使抗氯離子滲透性能得到進一步提高。

而不同齡期的不同骨料混凝土的氯離子擴散系數所表現出的規律與電通量試驗結果完全一致，各齡期各組混凝土試件的氯離子滲透系數由大到小為F30T>F30Z>F30P。這主要是由于電通量和RCM試驗都是電化學試驗，試驗的混凝土試件電導率高必然會提高氯離子透過混凝土的電量值和滲透深度，而鐵礦石本身電導率最大，因此在電壓作用下鐵礦石防輻射混凝土的6 h電通量值和氯離子擴散系數最大。

2.3 抗碳化性能

防輻射混凝土屏蔽結構由混凝土和鋼筋組成，防輻射混凝土除屏蔽輻射外，在結構上主要承受荷載并保護內部鋼筋不發生銹蝕，因此其抗碳化性能也值得研究。試驗按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T50082中的碳化試驗方法進行。試驗至3 d、7 d、14 d和28 d齡期時，按照標準要求，分別對不同編號防輻射混凝土進行破型，測定其不同試驗齡期的碳化深度。試驗結果如表5所示。

表5 不同編號的混凝土的碳化試驗結果

由表5的試驗結果可知，不同骨料的防輻射混凝土的經過3 d碳化試驗時均未出現明顯的碳化，經過28 d試驗后，利用鐵礦石配制的防輻射混凝土的碳化深度值相對較小，但整體上不同骨料配制的防輻射混凝土的碳化深度值相差不大，基本相當。

2.4 抗凍性能

抗凍性能按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T50082中的快凍法進行試驗，按照標準要求成型尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的混凝土棱柱體試件，每組3個；養護達到規定齡期后進行飽水處理后進行快速凍融試驗。并根據最終的快速凍融試驗結果，按照《混凝土耐久性檢驗評定標準》JGJ/T193進行了抗凍等級評定。圖3是不同編號混凝土的快速凍融試驗結果。

由圖3的快速凍融試驗結果可知，快速凍融試驗結果與抗水滲透性能的規律一致，鐵礦石組的抗凍性能最優，重晶石組最差，而普通石灰石組介于兩者之間。F60組整體的抗凍等級要高于F30組，而F60組不同骨料混凝土的抗凍等級表現規律與F30的一致，抗凍等級由高到低分別為：鐵礦石組>石灰石組>重晶石組。

根據混凝土凍融破壞的機理，混凝土的密實度、內部孔結構、內部缺陷數量以及飽水程度等是影響抗凍性能的重要因素，因此，混凝土的抗滲性能與抗凍性能密切相關。在凍融試驗過程中，抗滲性能最差的重晶石組混凝土飽水程度最高，當溫度降低至冰點以下時，自由水結晶發生體積膨脹產生的內應力最大，從而對混凝土內部結構造成的破壞作用也最大，導致其凍融循環過程中最早發生破壞，抗凍等級最低，抗凍性能最差；而鐵礦石組相對密實，其抗凍性能較優。

2.5 早期收縮性能

早期非接觸收縮試驗按照現行國家標準《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》GB/T50082中的非接觸收縮試驗方法進行。混凝土從攪拌加水到入模開始測試時間控制在20 min內，非接觸收縮試驗測試總時長為72 h，測試儀器每隔一定時間自動測量并記錄一次對應時間點的收縮變形和環境參數。不同編號的防輻射混凝土的非接觸收縮結果如圖4所示。

由圖4的試驗結果可知，鐵礦石防輻射混凝土的早期收縮發展最快，在開始測試12 h時，基本完成的超過85%的收縮，而重晶石組的早期收縮變形發展最慢，在測試的24 h時才幾乎達到72 h全部收縮變形的85%，而且從最終的收縮變形值來看，鐵礦石組最大，重晶石組最小。在24 h之后測試時間內，混凝土試件的收縮率仍有一定幅度的增加，但收縮率總體呈現平穩增長，最后收縮率基本保持穩定，結合混凝土初凝時間可判斷出，在初凝后各編號混凝土收縮率增長速度和幅度相對較小[13]。

之所以出現圖4的試驗結果，主要是由于鐵礦石骨料本身吸水率較高，而且經破碎后的鐵礦砂MB值高達2.8，因此在同水膠比條件下，由于鐵礦石吸水較快、混凝土水化硬化過程中鐵礦石防輻射混凝土整體失水量也最大，最終導致鐵礦石組防輻射混凝土的早期收縮變形發展較快，最終的收縮變形值最大。

3 結 論

a.28 d齡期、強度等級C30的鐵礦石混凝土的抗滲等級最高，大于P12；重晶石組的抗滲等級最低，僅為P4；石灰石組的抗滲等級為P10。

b.隨著養護齡期的增長，不同骨料類別的混凝土的抗氯離子滲透性能有明顯提高；相同水膠比、相同齡期的不同類別的防輻射混凝土的電通量結果與氯離子滲透系數規律一致，鐵礦石組最大，重晶石次之，普通骨料組最小。

c.強度等級C30的不同骨料類別的防輻射混凝土的28 d碳化深度差異不大，基本相當。

d.相同水膠比參數條件下，不同骨料類別的防輻射混凝土的抗凍等級的規律為：鐵礦石組>石灰石組>重晶石組。

e.采用普通骨料、重晶石、鐵礦石分別配制的防輻射混凝土的早期72 h收縮率由高到低依次為，鐵礦石防輻射混凝土、普通混凝土和重晶石防輻射混凝土。