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(shè)計(jì)的試驗(yàn)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(guò)對(duì)重晶石混凝土的配合比設(shè)計(jì)，得出不同容重的重晶石混凝土，具有不同的防輻射等級(jí)，在條件限制的情況下，選取最經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)性，對(duì)實(shí)際施工具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

重晶石；防輻射；混凝土；配合比設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代社會(huì)，由于核工業(yè)的發(fā)展和放射性同位素在工業(yè)、醫(yī)療及科研實(shí)驗(yàn)室等各方面的廣泛應(yīng)用，如何屏蔽輻射保護(hù)工作人員不受傷害，成為當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。大多數(shù)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(yīng)的衰減效率，大致上與在輻射路線上材料的質(zhì)量或密度成正比。現(xiàn)有防護(hù)方法中，以混凝土最為經(jīng)濟(jì)，通常將普通混凝土通過(guò)澆筑成具有一定厚度的大體積的墻體，來(lái)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(guò)增加混凝土的表觀密度來(lái)提高對(duì)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(lái)減小屏蔽輻射混凝土的厚度而不降低屏蔽效果。針對(duì)此種情況，防輻射重晶石混凝土的制備研究對(duì)實(shí)際應(yīng)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(gè)適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量或密度充分的吸收掉。大多數(shù)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(yīng)的衰減效率，大致上與在輻射路線上材料的質(zhì)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(zhì)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(zhì)量或密度較高，才能具有較好的防御能力[1,2]。

針對(duì)混凝土對(duì)γ射線的吸收規(guī)律式[3]：

式中：I0、I——射線通過(guò)混凝土前后強(qiáng)度；

a——材料對(duì) γ 射線的質(zhì)量吸收系數(shù)，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(duì)相同 γ 射線，混凝土的厚度 y 一定時(shí)，混凝土的表觀密度ρ越大，通過(guò)混凝土后射線的強(qiáng)度越小，即混凝土對(duì)射線的吸收能力越強(qiáng)。因此，防射線要求防輻射混凝土的表觀密度要高，達(dá)到一定厚度。

對(duì)于中子射線，要求含有氫原子等輕元素的材料，以通過(guò)彈性碰撞減慢中速運(yùn)動(dòng)中的中子，硬化混凝土中含有大量結(jié)晶水，對(duì)中子有較強(qiáng)的防御能力。

2 試驗(yàn)原材

按照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50557—2010《重晶石防輻射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，選取硅酸鹽水泥、?；郀t礦渣粉、Ⅱ級(jí)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(chǎn)的 P·O42.5 級(jí)水泥。

粉煤灰：選取河北西柏坡發(fā)電有限責(zé)任公司生產(chǎn)的F 類Ⅱ級(jí)粉煤灰。

礦粉：選取邢臺(tái)超巖建材有限公司生產(chǎn)的 S95 級(jí)礦粉。

重晶石石粉：山東濰坊生產(chǎn)，比重 4.0，BaSO4含量 80%。

2.2 細(xì)骨料

（1）重晶石細(xì)骨料：山東濰坊生產(chǎn)，性能指標(biāo)見表 1。

表 1 重晶石細(xì)骨料性能指標(biāo)

（2）天然砂：正定產(chǎn)天然砂，性能指標(biāo)見表 2、表 3。

表 2 天然砂的篩分記錄

表 3 天然砂性能指標(biāo)

2.3 粗骨料

（1）重晶石粗骨料：山東濰坊生產(chǎn)，性能指標(biāo)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(biāo)

（2）普通碎石：贊皇金隅水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)，性能指標(biāo)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(biāo)

2.4 外加劑

金隅科技聚羧酸高性能減水劑，根據(jù)需要調(diào)整各組分比例。

3 重晶石混凝土配合比設(shè)計(jì)及性能

3.1 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)思路

重晶石混凝土配合比設(shè)計(jì)主要考慮兩方面：（1）因?yàn)楣橇媳碛^密度大，混凝土容易出現(xiàn)離析；重晶石性質(zhì)較脆，破碎而成的集料顆粒的形狀和結(jié)構(gòu)粗糙，混凝土狀態(tài)趨于干硬。為了克服這個(gè)問(wèn)題，采取的措施是提高砂率和增加使用重晶石石粉來(lái)調(diào)整細(xì)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(diào)整混凝土容重。

3.2 試驗(yàn)方法

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

3.3 配合比設(shè)計(jì)

重晶石混凝土配合比設(shè)計(jì)參照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50557—2010《重晶石防輻射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)參考標(biāo)準(zhǔn) JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，考慮到容重問(wèn)題，選擇使用體積法設(shè)計(jì)。

重晶石防輻射混凝土的配合比應(yīng)根據(jù)其表觀密度和強(qiáng)度等設(shè)計(jì)要求選擇原材料進(jìn)行計(jì)算，并經(jīng)試驗(yàn)室試配，調(diào)整后確定。

3.3.1 重晶石防輻射混凝土的性能指標(biāo)

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(yīng)用技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定分為五個(gè)等級(jí)，見表 8。

表 8 重晶石防輻射混凝土表觀密度等級(jí)

本次試驗(yàn)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(zhì)量比）。

3.3.1.2 強(qiáng)度

重晶石防輻射混凝土的強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)按立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值確定，按標(biāo)準(zhǔn) GB/T 50557—2010《重晶石防輻射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》其強(qiáng)度等級(jí)可劃分為 C20、C25、C30、C35、C40 五個(gè)等級(jí)。

3.3.2 配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)過(guò)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(qiáng)度要滿足設(shè)計(jì)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(tài)是否滿足實(shí)際施工的泵送要求。設(shè)計(jì)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(wú)流動(dòng)性。

由表 9 數(shù)據(jù)可以分析出：狀態(tài)相對(duì)較好的 C30-3 早期強(qiáng)度為 21.3 MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)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(qiáng)度，進(jìn)行配合比調(diào)整。

（2）配合比調(diào)整。

配合比調(diào)整，總膠材由 310kg 調(diào)整至 345kg，水泥用量由 230kg 調(diào)整至 265kg，同時(shí)調(diào)整外加劑組分，提高與重晶石混凝土的適應(yīng)性。做 C30-1 試配，混凝土保坍效果較差，重新調(diào)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(tài)。由表 10 可分析出：外加劑一開始和重晶石混凝土不適應(yīng)，不能很好的保坍，僅只能保證出機(jī)狀態(tài)良好。調(diào)整外加劑組分后可以讓重晶石混凝土的狀態(tài)很好地滿足施工性能要求。

（3）試驗(yàn)各強(qiáng)度等級(jí)重晶石混凝土配合比。

配合比設(shè)計(jì)見表 11。由表可以看出，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的C30狀態(tài)滿足施工性能要求，其余強(qiáng)度重晶石混凝土也可以有很好的狀態(tài)，僅只需要在適當(dāng)?shù)那闆r下調(diào)整外加劑用量即可，且設(shè)計(jì)的各強(qiáng)度容重均在 3200kg/m3 以上，滿足設(shè)計(jì)容重要求。

（4）試驗(yàn)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(xiàng)設(shè)計(jì)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(jīng)達(dá)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(qiáng)度等級(jí)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(tài)直接離析；C30-2 調(diào)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(tài)較好，但是一小時(shí)后失去流動(dòng)性。C30-3 在 C30-2 基礎(chǔ)上調(diào)整外加劑組分，摻量仍為 1.5%，初始狀態(tài)較好，但是 1h 后狀態(tài)仍不能滿足性能設(shè)計(jì)要求。C30-4 重新調(diào)整外加劑，摻量為1.7%，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，但是比較粘稠，對(duì)實(shí)際施工有影響；在 C30-4 基礎(chǔ)上調(diào)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(dòng)性好于C30-4，完全滿足實(shí)際施工性能要求。而且各配比容重均在 3000kg/m3 以上，滿足設(shè)計(jì)的容重 2800kg/m3 的要求。

C30-5 配合比基本滿足設(shè)計(jì)要求。選定此外加劑，再經(jīng)過(guò)試驗(yàn)確定其他強(qiáng)度等級(jí)重晶石混凝土配合比。

（6）配制表觀密度為 2800kg/m3的各強(qiáng)度等級(jí)重晶石防輻射混凝土。

其余試配各強(qiáng)度等級(jí)重晶石混凝土性能均滿足設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的容重在 2800kg/m3以上的要求。各強(qiáng)度等級(jí)重晶石混凝土配合比及狀態(tài)見表 14。

（7）表觀密度為 2800kg/m3各強(qiáng)度等級(jí)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(qiáng)度等級(jí)重晶石混凝土在復(fù)配的專用外加劑下，各項(xiàng)性能均滿足設(shè)計(jì)施工性能要求。

4 結(jié)論

通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)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(jié)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(chǎn)的基礎(chǔ)上，均具備實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)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(zhì)，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(shí)摻加比例為 7:3 的重晶石骨料與普通骨料就能達(dá)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(diào)整外加劑，和普通混凝土使用的外加劑有一定的區(qū)別，但和易性均能滿足施工要求：出機(jī)坍落度在 210mm 以上，擴(kuò)展度在 600mm 以上，1h 損失在 20mm 以內(nèi)。

（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(qiáng)度比純重晶石配制的混凝土強(qiáng)度高，這是因?yàn)橹鼐再|(zhì)較脆，壓碎值較大，制成的混凝土強(qiáng)度低于碎石和天然砂配制的混凝土[5]。

[1]李繼業(yè)、劉福勝．新型混凝土實(shí)用技術(shù)手冊(cè)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)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(jié)構(gòu)、性能和材料[M]．北京：中國(guó)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(xué)武，陳朝輝，徐剡源．重晶石防輻射混凝土的制備與應(yīng)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(shè)計(jì)及性能研究[J]．混凝土，2013(1): 156-158．

李富海（1967—），男，從事預(yù)拌混凝土生產(chǎn)管理工作。

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