工程档案：重晶石防辐射混凝土制备及性能研究
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本文选自《商品混凝土》杂志2024年第2期
重晶石防辐射混凝土制备及性能研究
程国财，张萌
［摘 要］本文通过掺入不同性能指标的骨料，改善重晶石骨料的颗粒级配不良、压碎值偏大等特性，设计并配制了满足表观密度等级 3 级、4 级要求，强度等级为 C40～C50 的重晶石防辐射混凝土。并且通过优化骨料级配，提高了混凝土抗压强度及耐久性能。
［关键词］重晶石；防辐射混凝土；颗粒级配；表观密度
0 前言
随着经济的快速发展，大量核电项目如核电站、原子能工业、医院等的快速发展，辐射逐渐对人类的生活造成了威胁[1]。为防止射线对人体的伤害，在建造有辐射的建筑时，必须设置防护体。传统的防辐射材料有钢板、铅板、水和混凝土等[2]。防辐射混凝土是一种能够有效防护对人体有害射线辐射的新型混凝土，在不同的领域也称之为防射线混凝土、屏蔽混凝土、原子能防护混凝土、核反应堆混凝土等，是目前使用最为广泛、经济的防辐射材料。本研究通过对重晶石防辐射混凝土的制备及性能测试，系统地介绍了重晶石防辐射混凝土原材料的选择及配比优化，对重晶石防辐射混凝土的原材料选择与混凝土配制起到引导性作用。
1 重晶石防辐射混凝土概念
重晶石防辐射混凝土是一种新型高性能防辐射混凝土，它是以具有结合水含量的硫酸钡矿石作为主要骨料来源，通过配合比设计制备出的特殊混凝土。根据规范要求，重晶石防辐射混凝土表观密度不小于2800kg/m³。它既有足够高的密度，还含有一定量的结合水含量。能有效屏蔽X射线、射线和中子辐射，同时又要求具有普通混凝土拌合物高流动性、黏聚性，不出现泌水和离析现象等和易性好的特点。
根据标准规范和相关文献，重晶石混凝土强度一般可到C40，由于重晶石物理特性，其压碎值与坚固性都比普通骨料差，重晶石混凝土高于C40强度等级较难达到。通过掺入普通骨料，优化骨料级配、调整配合比设计，在满足GB/T 50557—2010《重晶石防辐射混凝土应用技术规范》要求上，尽可能提高混凝土强度，在满足混凝土强度与性能基础上，尽可能满足经济性。
2 重晶石防辐射混凝土原材料选择
2.1 胶凝材料的选用及性能
结合重晶石防辐射混凝土性能要求及生产成本的控制，选用以下胶凝材料：
（1）水泥：水热化适中的PO42.5唐县金隅冀东水泥，表观密度为3050kg/m³，3d抗压强度30.5MPa，28天抗压强度51.6MPa。
（2）粉煤灰：保定大唐电厂F类Ⅱ级粉煤灰，细度24.0%，烧失量3.5%。
（3）矿粉：选用平山敬业S95级矿粉，比表面积420m/kg，7d活性指数85%，28d活性指数101%。
2.2 骨料的选用及性能
重晶石的主要成分为含有结晶水的硫酸钡，是防辐射的核心材料。本次试验选用两个不同厂家的重晶石骨料进行比对，其主要性能如表1和表2。
重晶石碎石一般采用人工破碎的方法，形状不规则，粒径大小不一。因破碎工艺以及重晶石自身节理限制，成型骨料颗粒级配往往不是很理想，因此在其自身级配基础上需要和其他骨料以不同的比例混合来达到最优级配要求。同时重晶石价格较普通原材料要高，以致纯重晶石配制混凝土成本高，所以配制时尝试掺入普通骨料，以达到降本目的，又能使混凝土达到性能要求。选用普通骨料性能如表3和表4。
2.3 其他原材料选用
（1）外加剂：外加剂选用保定慕湖恒源复合型MZY-A5聚羧酸减水剂，减水率27%。
（2）水：混凝土拌合用水为城市自来水。
3 骨料级配优化方案
通过试验得知，重晶石砂本身级配不良，晶体状节理明显，且压碎值指标较高，需要对其物理指标干预调整，放弃将之全部用作细骨料进行混凝土配合比设计的思路。经过比对试验，确定出两种普通细骨料与重晶石砂的最优掺配比例，使其颗粒级配能够达到Ⅱ区中砂，0.315mm以下颗粒含量高于15%，达到理想状态。适宜用作泵送混凝土生产；通过试验确定出青碎石与两种重晶石的合理搭配，使其表观密度、压碎值指标及颗粒级配达到相对平衡。掺配比例及性能指标如表5和表6。
4 重晶石防辐射混凝土设计思路及试验方法
重晶石防辐射混凝土的设计方法遵循JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》及GB/T 50557—2010《重晶石防辐射混凝土应用技术规范》。重晶石防辐射混凝土多用于厚度较大或混凝土用量集中的构建浇筑，所以本次研究混凝土性能的配合比也按要求适量添加矿物掺合料，用来降低混凝土早期水化反应带来的温度增长速度。考虑一般重晶石混凝土构件内部管线错综复杂，甚至有时候对混凝土有自密实性能要求，本次设计坍落度较大，达到200～220mm。由于骨料掺配优化过程的存在，骨料的表观密度也随之变化，所以配合比设计时要采用绝对体积法。最后通过混凝土拌合物容重实测进行校核。
重晶石防辐射混凝土的工作性能试验依据GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、GB/T 50557—2010《重晶石防辐射混凝土应用技术规范》进行。
重晶石防辐射混凝土的配合比及相应拌合物性能见表7和表8。试验结果表明，使用常规密度的骨料优化重晶石防辐射混凝土骨料的颗粒级配，能够改善混凝土的和易性，但是会在一定范围内降低混凝土表观密度。35%～40%常规料取代量，已经是密度等级4级的极限。使用铁矿砂取代重晶石砂，可以增加重晶石混凝土的和易性，在改善混凝土包裹性上有明显作用，且混凝土密实度好，表观密度略有增加。
重晶石防辐射混凝土表观密度与材料本身有密切关系，随着单方混凝土用胶凝材料的增加，在一定范围内，重晶石混凝土表观密度出现滞涨甚至轻微倒缩。此与单位体积混凝土中重晶石骨料含量成正比例关系。但混凝土的和易性、坍落度、扩展度等性能指标随单方胶材用量呈正向发展趋势。
重晶石防辐射混凝土的力学性能试验依据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行，试验结果见表9和表10。
由表9、10可知，单独优化细骨料或者粗细骨料同时优化，混凝土可以正常达到C40配制强度。但是达到C50配制强度就需要粗细骨料同时进行颗粒级配及压碎值的优化，否则C50混凝土抗压强度在C45～C50之间出现增长迟滞，强度实测值较设计值偏低10%。铁矿砂的加入改善了混凝土的和易性，对其强度增长也有明显贡献。通过试验得出用上述两厂家重晶石骨料，通过加入常规密度骨料优化细骨料级配，可以配制出C45强度等级的4级表观密度重晶石防辐射混凝土。通过加入铁矿砂优化细骨料级配，在粗骨料级配良好时候，可以配制出C50强度等级的3级表观密度重晶石防辐射混凝土。
5 重晶石防辐射混凝土耐久性能检测
对上述试验组分别进行了抗碳化性能试验和抗水渗透性能试验。通过验证，试验组采用逐级加压法进行试验，全部试件达到0.8MPa压力均未出现渗水。抗碳化性能检测SP01～SP16组碳化性能符合T-Ⅳ技术要求。粗细骨料同时优化的试验组碳化值小于仅优化细骨料的试验组。铁矿砂试验组碳化值小于其他试验组。结果表明，通过级配的调整，可在一定程度上增加混凝土密实度，降低外界有害因素的侵蚀。
6 结论
基于重晶石骨料自身的特性，本研究通过试验在重晶石骨料原有级配不良的情况下，添加普通骨料调整级配，减小孔隙率，保证拌合物和易性及表观密度。
本研究通过掺入普通骨料，优化骨料级配、调整配合比设计，打破了重晶石混凝土强度一般只到C40的限制，在满足《重晶石防辐射混凝土应用技术规范》GB/T 50557—2010要求上，通过掺入铁矿砂的方式，设计并配制了强度等级达到C50的混凝土，并且可以满足密度等级3级要求。并提高了混凝土抗压强度及耐久性能。并且使用这种方式能够降低混凝土生产成本，减轻重晶石矿产开采带来的环境负荷，实现环境、经济和社会效益相统一。
参考文献
[1] 孙蓓，焦楚杰．防辐射混凝土的研究现状与发展趋势[J]．混凝土，2017,143．
[2] 叶栋，魏涛．防辐射混凝土的材料性能研究[J]．试验与研究，2015,28．
供稿人：程国财，张萌
编辑员：李海亮
审核人：孙继成，宁夏
【标准规范】
【会议培训】
第十届全国建筑固废和余泥渣土处理及资源化利用大会暨中国砂石协会建筑固废利用分会年会
2025第二十一届全国商品混凝土可持续发展论坛暨2025中国商品混凝土年会
【咨询服务】
预拌混凝土质量追溯研究
高速公路及桥涵高性能混凝土技术咨询
课题研究
研发中心建设
[绿满庭院]《HJ建筑围护结构自保温技术体系》推广等
【建材“双碳”业务】
低碳胶凝材料研发与制备
复合掺合料和再生复合掺合料研发与制备
建筑垃圾处置与资源化利用
建筑垃圾再生砂粉应用技术
建筑垃圾再生轻粗骨料技术
碳化再生骨料制备技术
【期刊著作】
《常见预拌混凝土质量事故分析百例》图书
《预拌混凝土企业标准化试验室建设指南》图书
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