防辐射混凝土高性能化研究进展
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大体积防辐射混凝土板墙的技术应用探究大体积防辐射混凝土板墙的技术应用成果分析或技术应用研究【摘要】大体积混凝土,即体积厚大且结构实体截面厚度大于等于1m。
由于其截面大、混凝土量大、内外温差大、温度收缩应力大,控制水泥水化热大量释放,降低混凝土内部温度升高,防止混凝土结构开裂是大体积混凝土浇筑的技术难点。
防辐射混凝土系称防射线混凝土、重混凝土、核反应堆混凝土,原子能防护混凝土、屏蔽混凝土,防辐射又是一个最大技术难题,本文通过在本地区尚无先例的医技放疗楼工程实践,对该工程大体积防辐射混凝土板墙,从施工专项方案、质量预控、商品混凝土拌合、混凝土浇筑等提出了一系列技术应用措施,攻克了主题施工中的技术难题,取得了良好的效果。
【关键词】大体积防辐射混凝土板墙结构裂缝质量预控技术措施应用效果1、引言大体积混凝土与普通钢筋混凝土相比,具有结构厚、体形大、钢筋密、混凝土量大、混凝土结构容易裂缝等特点,大体积防辐射混凝土板墙的技术应用又是一个技术难题,如果水泥水化热大量释放,引起混凝土内外温差过大,形成混凝土结构性裂缝,对工程的危害及建筑物周围人群的伤害后果是无法估量的。
所以如何攻克主题技术成为本工程的重要课题。
2、现场及工程的特点平凉市第二人民医院医技放疗楼,设计地下一层、地上六层,框架结构,类别为二类医院建筑;环境类别为二类b,建筑面积m2。
地下一层混凝土现浇板最大厚度2.85m 、现浇板墙厚度2.5m,C30、S8普通混凝土。
施工现场狭小,紧靠两栋住院楼,临边是城市支路,施工安全要求高。
机房要安装一个?电子直线加速器,电子直线加速器是一种能输出高能(兆伏特级)X射线,中子射线的机器,就是一个放射源。
要求有效安全防止射线的泄漏是该工程的保证。
不仅要满足强度要求,而且要满足抗渗要求,更关键的是要防x、中子射线辐射。
结构要求不允许有蜂窝、麻面、空洞、漏筋等缺陷。
更不能出现任何裂缝现象的发生。
3、技术分析研究3.1专项施工方案的论证:3.11、浇筑时间:地处甘肃东部的平凉,2010年11月10日气温平均低于-5℃,夜间-12℃,昼夜温差较大,已正直冬期施工阶段,冬期施工确保质量难度大。
1 引 言防辐射混凝土是为有效地防御射线而设计。
伴随核工业等的发展和放射性同位素在医疗、科研试验等方面的广泛应用,χ射线、α射线、β射线、γ射线、中子射线等射线随之进入大众人群,危及民生。
对于射线的防护,其中α射线、β射线穿透力弱,容易被吸收,一般厚度的防护材料就能阻隔,因此,防辐射材料主要屏蔽的是χ射线、γ射线、中子射线。
迄今为止,人类用于防护各种射线的防护材料有铅板、钢板、铅玻璃、聚合物、水和混凝土等,其中,混凝土是目前使用最为广泛的射线防护材料。
各种防辐射材料的防辐射效果及性能比较见表1。
工程结构设计中常设计采用防辐射混凝土、防辐射砂浆,以阻隔各类射线。
一般情况下,密实混凝土均具有防御射线的能力,对于χ射线、γ射线,高密度材料具有较好防御能力;对于中子射线的防御,要求含有氢原子的材料,尤其是含有氘原子的重水才会具有较强的防御能力[1] 。
2 材料性能要求及选择防辐射混凝土的屏蔽性能主要是通过增加表观密度、密实性、提高结晶水含量及钡、硼等元素的含量获得,故而,防辐射混凝土原材料选用原则主要有以下三个方面[2]:1)材料的性能稳定、容易获得、价格低廉等。
2)在满足混凝土强度的前提下,尽可能选用放热量小、水化结合水含量高的水泥材料,尽量减少水泥用量;3)集料的密度除须满足混凝土表观密度的要求外,同时还应考虑结晶水含量、含硼量等防辐射混凝土特殊技术指标的要求;4)具有结构体所必须的强度和耐久性。
2.1 水泥水泥的选用,原则上应选用水化热低、结晶水含量较多、相对密度较大的水泥。
从减少水泥水化热,避免混凝土开裂的角度考虑,防辐射混凝土所使用的水泥宜选用水化热较低的水泥,不选用高强度等级水泥(由于太细的水泥水化速率较快,水化收缩量相对较大,易开裂,故而,水泥的强度等级一般不超过42.5级,不低于32.5级)。
水泥水化后的各种水化产物中带有一定的化学结合水,但是不同种类型的水泥水化后的结合水含量会有不同程度的差别,混凝土结合水含量越高,则其屏蔽中子射线的能力越强。
防辐射水泥的现状及发展趋势分析0引言随着现代科学技术的发展,核技术也得到飞速发展,被广泛应用于军事、医学、日常生活及其他各个领域。
特别是在能源问题己经成为世界性难题,全球推进低碳经济的背景下,核电作为一种清洁无排放的新型能源,越来越受到世界各国的重视。
目前,我国的核电事业正处在一个飞速发展的阶段,是全球核电在建规模最大的国家。
鉴于核辐射对环境和人类健康造成了极大的威胁,对环境造成长久破坏,由此核技术的安全性一直是困扰其进一步发展的关键因素。
人们对核辐射防护屏蔽做了大量的研究工作,也研制出了一系列的防护屏蔽材料。
其中,水泥、混凝土材料是目前使用最广泛的防辐射材料。
在防辐射水泥的研究利用领域,目前国内外研究和应用的主要是钡水泥、铭水泥、含硼水泥,这些水泥存在防辐射效果单一且热稳定性差的缺点。
在射线辐射条件下,对防辐射水泥的组成结构转变规律及其长期性能研究不足。
随着核技术的快速发展和广泛应用,核辐射防护屏蔽标准必然越来越高,迫切需要一种高效、全面、稳定的防辐射水泥用于核辐射防护。
在对防辐射水泥研究现状、存在问题进行总结的基础上,提出对防辐射水泥研究发展趋势的思考。
1防辐射材料研究状况1. 1防辐射材料的屏蔽机制核辐射中主要有。
p.y.X射线及中子射线。
在这些射线中。
p射线穿透力弱,很容易被吸收,一般厚度的防护材料就能屏蔽。
防核辐射材料主要屏蔽的是y.X射线和中子射线。
材料对电离辐射的屏蔽作用是通过材料中所含的吸收物质对吸收射线完成的。
物质对射线的吸收以两种方式进行,即能量吸收和粒子吸收。
能量吸收以射线粒子与物质粒子发生弹性和非弹性散射方式进行,后者如康普顿散射。
当射线能量较高时,如高能X射线或者y射线,康普顿散射是吸收射线能量的主要方式。
粒子吸收射线粒子与物质原子或原子核发生相互作用方式进行,如光电效光电效应是射线粒子与核外电子发生碰撞,射线能量全部转给电子,射线粒子被吸收。
电子获得能量后摆脱原子核的束缚,成为自由电子。
第40卷第9期2021年9月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.40㊀No.9September,2021磁铁矿防辐射超高性能混凝土制备及性能研究韩建军1,廖㊀党1,席壮民1,唐海超2,代崇阳3,吕亚军4,苗㊀壮1(1.河南工业大学土木建筑学院,郑州㊀450001;2.中核港航工程有限公司,广州㊀511458;3.中国核电工程有限公司郑州分公司,郑州㊀450052;4.华北水利水电大学建筑学院,郑州㊀450046)摘要:核技术在造福人类的同时,也产生了无处不在的核辐射,而当前的普通防辐射混凝土并不能完全满足安全防护的需要㊂本文基于最紧密堆积理论,采用不同比例的磁铁矿替换河砂,制备了防辐射超高性能混凝土(UHPC),并对其工作性能㊁力学性能㊁微观结构㊁孔结构,以及γ射线屏蔽性能进行了研究㊂结果表明,磁铁矿的加入使得UHPC 的流动性以及抗压强度略有降低,但降幅较小㊂随着磁铁矿替换比例的增加,UHPC 对γ射线的屏蔽性能明显提高㊂当磁铁矿替换率为100%(体积分数)时,UHPC 的线性衰减系数增大了31.3%,而半值层及十值层均下降了23.8%㊂与此同时,磁铁矿的加入并未改变水化产物的类型,但可改善UHPC 的孔结构,有效降低其孔隙率㊂关键词:磁铁矿;超高性能混凝土;防辐射;γ射线屏蔽;力学性能;工作性能中图分类号:TU528㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2021)09-2930-09Preparation and Properties of Ultra-High Performance Concrete for Radiation Protection of MagnetiteHAN Jianjun 1,LIAO Dang 1,XI Zhuangmin 1,TANG Haichao 2,DAI Chongyang 3,LYU Yajun 4,MIAO Zhuang 1(1.School of Civil Architecture,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China;2.China Nuclear Harbour Engineering Co.,Ltd,Guangzhou 511458,China;3.Zhengzhou Branch,China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.,Zhengzhou 450052,China;4.School of Architecture,North China University of Water Resources and Hydropower,Zhengzhou 450046,China)Abstract :While the nuclear technology benefits mankind,it also produces nuclear radiation everywhere.However,the current ordinary radiation-proof concrete cannot completely meet the needs of safety protection.In this paper,based on the tightest packing theory,the ultra-high performance concrete (UHPC)for radiation protection was prepared by replacing river sand with different proportions of magnetite,and its working performance,mechanical properties,microstructure,pore structure,and γ-ray shielding performance were studied.The results show that the fluidity and compressive strength of UHPC slightly decrease with the addition of magnetite,but the decline is small.As the replacement proportion of magnetite increases,the γ-ray shielding performance of UHPC is improved obviously.When the replacement proportion of magnetite is 100%(volume fraction),the linear attenuation coefficient of UHPC increases by 31.3%,while the half-value layer and ten-value layer all decrease by 23.8%.The addition of magnetite does not change the type of hydration products,but improves the pore structure of UHPC and effectively reduces its porosity.Key words :magnetite;ultra-high performance concrete;radiation protection;γ-ray shielding;mechanical property;working performance 收稿日期:2021-03-19;修订日期:2021-04-18基金项目:国家自然科学基金面上项目(51779096,51979169);河南省高校科技创新团队支持计划(20IRTSTHN010)作者简介:韩建军(1974 ),男,博士,副教授㊂主要从事建筑材料方面的研究㊂E-mail:hanjianjun@通信作者:吕亚军,博士,副教授㊂E-mail:darkdanking@0㊀引㊀言核技术已被广泛应用于医疗[1]㊁核电[2]及农业等领域,在造福人类的同时,其安全性也受到了公众的高㊀第9期韩建军等:磁铁矿防辐射超高性能混凝土制备及性能研究2931度关注㊂核技术在应用过程中会产生核辐射,长时间暴露于核辐射环境中,人们会出现免疫力下降㊁患癌,甚至立即死亡等问题[3],因此对核设备进行有效辐射屏蔽至关重要㊂混凝土由于具有原料丰富㊁成本较低㊁易成型等特点,成为当前应用较为广泛的辐射屏蔽材料㊂防辐射混凝土被广泛应用于核反应堆的安全壳㊁核废料的储存设施,以及军事核设施,对于保护核设施的安全以及屏蔽核辐射发挥着重要作用㊂研究[4]表明,高原子序数和高密度材料具有较好的辐射衰减效果㊂因此,硼铁㊁重晶石㊁花岗岩等高密度材料常作为骨料添加入混凝土中,用于防辐射混凝土的制备和研究㊂当前制备的防辐射混凝土普遍存在防辐射性能良好,但强度较低的问题[5-7]㊂随着核电技术的发展,核反应堆的功率更大,设计寿命更长(如我国研制的 华龙一号 反应堆设计寿命达到60年),这都对核设施的防护以及辐射屏蔽提出了更高的要求㊂因此,制备更高强度的防辐射混凝土具有重要的现实意义㊂超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)是一种新兴的水泥基复合材料,具有超高强度㊁良好的韧性和耐久性,拥有十分广阔的应用前景[8-10]㊂UHPC的优异性能得益于其最紧密堆积设计理论[11]㊂UHPC良好的级配使其密实度较大,较低的孔隙率使其能够有效抵抗有害介质的侵蚀[12],低水胶比导致其内部存在大量未水化水泥颗粒,使其具有一定的自行修复能力,能够满足各种严苛环境下工程结构的高性能要求[13]㊂国内外学者研究了机制砂㊁铅锌尾矿及礁石粉等替代骨料㊁微粉制备UHPC的相关性能㊂张志豪等[14]研究发现,使用30%(质量分数)以内的礁石粉替代水泥可以提高UHPC的抗压强度㊂赵学涛等[15]研究发现,当使用掺量为10%~20%(质量分数)的机制砂替代河砂时,UHPC的抗压㊁抗折强度有大幅提高㊂Wang等[11]研究发现,采用建筑废料替代体积分数为50%的水泥和19%的细骨料时,所制备的UHPC强度不会明显降低㊂然而,当前对于UHPC辐射屏蔽性能的研究相对匮乏㊂基于此,本文采用防辐射材料替代骨料,制备一种兼具防辐射性能的UHPC,以应对当前核防护设施面临的挑战㊂本文基于最紧密堆积设计理论,根据修正后的Andreasen and Andersen(A&A)模型进行配合比的优化设计㊂采用不同比例(0%㊁20%㊁40%㊁60%㊁80%㊁100%,体积分数,下同)的磁铁矿替代天然河砂,制备防辐射UHPC,并对其工作性能㊁力学性能㊁微观结构㊁孔结构,以及γ射线屏蔽性能进行测试和表征,分析磁铁矿的加入对UHPC性能的影响㊂1㊀实㊀验1.1㊀材㊀料水泥:河南永安水泥有限责任公司生产的P㊃Ⅱ52.5水泥;粉煤灰:荣昌盛环保材料厂生产的一级粉煤灰;硅灰:洛阳裕民微硅粉有限公司生产;砂:选用洗净的粒径范围分别为0~0.60mm㊁0.60~1.18mm的天然河砂;磁铁矿:巩义市家顺净水材料厂生产;减水剂:江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸高效减水剂,减水率30%,固含量30%;钢纤维:史尉克公司生产的长13mm㊁直径0.22mm的镀铜微钢纤维;水:自来水㊂磁铁矿形态如图1所示,其主要化学成分如表1所示㊂图2为磁铁矿X射线衍射(XRD)谱,分析结果表明,磁铁矿的主要物相包括钛铁矿㊁二氧化钛㊁堇青石㊁镁铁辉石及角闪石㊂图1㊀磁铁矿的数字图像和SEM照片Fig.1㊀Digital image and SEM image of magnetite2932㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第40卷表1㊀磁铁矿中主要化学成分Table 1㊀Main chemical composition of magnetite Composition Fe 2O 3TiO 2SiO 2Al 2O 3CaO MgOMass fraction /%49.3124.0013.80 5.52 4.15 1.991.2㊀试验方法1.2.1㊀配合比设计为了使制备的防辐射UHPC 发挥优异的性能,根据修正后的A&A 模型对其进行配合比的优化设计㊂首先,根据修正后的A&A 模型确定目标曲线,如公式(1)所示,然后通过调整混凝土中混合物的比例使其组成的粒径分布曲线接近目标曲线,获得最优配合比㊂各混合物的粒径分布㊁目标曲线以及拟合曲线如图3所示㊂P (D )=D q -D q min D q max -D q min (1)式中:D 为颗粒粒径,μm;P (D )为粒径小于D 的颗粒百分含量;D max 为最大粒径,μm;D min 为最小粒径,μm;q为分布模量,取值为0.23㊂图2㊀磁铁矿的XRD 谱Fig.2㊀XRD pattern of magnetite 图3㊀混合物的粒径分布㊁目标曲线以及拟合曲线Fig.3㊀Particle size distribution,target curve and fitting curve of mixtures㊀㊀采用0~0.60mm 和0.60~1.18mm 两种粒径的磁铁矿替换河砂,替换比例为0%㊁20%㊁40%㊁60%㊁80%㊁100%,所得UHPC 配合比见表2㊂表2㊀UHPC 配合比设计Table 2㊀Mix proportion design of UHPCGroupMix proportion /(kg㊃m -3)Silica fume Cement Fly ash River sand 0~0.60mm River sand 0.60~1.18mm Magnetite 0~0.60mm Magnetite 0.60~1.18mm Water Water reducer Steel fiber C01018031817172630020630156C2010180318157421028710520630156C4010180318143015857421020630156C6010180318128710586031620630156C8010180318114353114842120630156C10010180318100143452620630156㊀㊀注:C 表示磁铁矿;0㊁20㊁40㊁60㊁80㊁100分别表示磁铁矿对河砂的替换率为0%㊁20%㊁40%㊁60%㊁80%㊁100%,该替换为体积替换㊂1.2.2㊀流动度测试采用跳桌法,根据‘水泥胶砂流动度测定方法“(GB /T 2419 2005)进行UHPC 拌合物的流动度测试㊂将拌合物分两层装入截锥金属圆模并进行捣压,提起圆模的同时开动跳桌,在完成25次跳动后,用卡尺量取相互垂直方向的两个直径,两者平均值即为所制备UHPC 的流动度㊂㊀第9期韩建军等:磁铁矿防辐射超高性能混凝土制备及性能研究2933 1.2.3㊀抗压强度测试根据‘水泥胶砂强度检验方法(ISO法)“(GB/T17671 1999)进行抗压强度测试㊂所制备试块规格为40mmˑ40mmˑ160mm,待脱模后置于温度(20ʃ1)ħ㊁湿度95%的标准养护箱中养护3d㊁7d和28d,取每组3个试块抗压强度的平均值作为测试值㊂1.2.4㊀微观结构表征使用D8ADVANCE X射线衍射仪(布鲁克公司)对粉末样品(<75μm)进行XRD分析,样品扫描角度范围为5ʎ~70ʎ,样品取自固化28d的C0㊁C20㊁C40㊁C60㊁C80㊁C100组试块㊂采用日立S4800场发射扫描电镜进行UHPC微观形貌分析,加速电压为15kV,测试样品取自固化28d的C100组UHPC试块,测试前先放入50ħ的烘箱中干燥2h㊂1.2.5㊀孔结构测试采用麦克Auto Pore V9600压汞仪,对固化28d的C0㊁C20㊁C40㊁C60㊁C80㊁C100组UHPC试块进行孔结构测试,最大压力为421MPa,接触角为130ʎ㊂1.2.6㊀γ射线屏蔽测试采用γ射线光谱仪(铯-137作为放射源,能量为662keV)对制备的防辐射试块进行γ射线屏蔽性能测试,如图4所示㊂制成截面尺寸为150mmˑ150mm,厚度分别为1cm㊁2cm㊁3cm㊁4cm㊁5cm的试块㊂通过对试块进行叠加,测试不同磁铁矿掺量以及厚度的防辐射试块对于γ射线的屏蔽情况㊂图4㊀防辐射试块及测试装置Fig.4㊀Radiation-proof specimen and test apparatus采用线性衰减系数(μ)㊁质量衰减系数(μm)㊁半值层(H VL)㊁十值层(T VL)及平均自由程(λ)5个指标对所制备防辐射UHPC的γ射线屏蔽性能进行评价㊂其中,μ表示射线在材料中穿过单位距离时被吸收的概率[2],μ越大,防辐射性能越强,其定义如公式(2)所示㊂μm指单位质量厚度的物质对射线的衰减程度,如式(3)所示㊂H VL和T VL表示当γ射线强度减弱至初始值的一半和十分之一时,所穿过的材料厚度,其计算公式分别如式(4)㊁式(5)所示[7]㊂λ表示光子之间连续两次相互作用的平均距离,如式(6)所示㊂μ=1x ln l0l()(2)式中:l0为辐射初始强度;l为辐射透射后强度;x为防辐射材料厚度㊂μm=μρ(3)式中:ρ为试块密度㊂H VL=ln2μ(4)T VL=ln10μ(5)λ=1μ(6)2934㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第40卷2㊀结果与讨论2.1㊀工作性能磁铁矿掺量对UHPC 拌合物流动度的影响如图5所示㊂结果表明,随着磁铁矿掺量的增加,UHPC 拌合物的流动度呈下降趋势㊂当仅以河砂作为骨料时,UHPC 拌合物的流动度最大,为277.5mm;当磁铁矿替换率为100%时,流动度下降到233.0mm,相较于C0组流动度虽有所降低,但制备的UHPC 拌合物依然保持较好的流动性㊂河砂由于受到河水长期的冲刷,颗粒形状较为规则㊁圆润,颗粒间的摩擦阻力较小,故当只有河砂作为骨料时,UHPC 拌合物的流动性最好㊂而试验所用的磁铁矿由于经过破碎机的挤压㊁破碎,造成其形状不规则,导致颗粒间的摩擦力增大,加之磁铁矿粒径分布相较于河砂整体偏小(由图3可以看出),这就造成骨料的比表面积增大,浆体吸附自由水更多,故UHPC 拌合物的流动性随着磁铁矿掺量的增加而下降㊂图5㊀不同磁铁矿掺量UHPC 的流动度Fig.5㊀Fluidity of UHPC with different magnetitecontent 图6㊀不同磁铁矿掺量UHPC 的抗压强度Fig.6㊀Compressive strength of UHPC with different magnetite content2.2㊀力学性能采用不同掺量磁铁矿替代河砂所制备的UHPC 3d㊁7d 和28d 的抗压强度如图6所示㊂结果表明,UHPC 的抗压强度随着养护龄期的增加而逐渐提高㊂基准组(C0)试块3d㊁7d 和28d 的抗压强度分别为117MPa㊁136MPa 和156MPa,强度的增长表现出早期上升快,后期慢的趋势,这与已有研究[11,14,16-17]相符合㊂与此同时,随着磁铁矿掺量的增加,UHPC 的抗压强度整体呈下降趋势㊂与基准组相比,磁铁矿替换率为20%㊁40%㊁60%㊁80%以及100%的UHPC 试块的28d 抗压强度分别下降了4MPa㊁7MPa㊁5MPa㊁5MPa 以及7MPa,下降幅度较小㊂磁铁矿替换河砂对UHPC 抗压强度影响较小的原因为:一方面,磁铁矿莫氏硬度(5.5~6.5)低于河砂图7㊀不同磁铁矿掺量UHPC 的XRD 分析Fig.7㊀XRD analysis of UHPC with different magnetite content (6.5~7.0),高硬度骨料可以提高混凝土抗压强度[18-19];另一方面,磁铁矿的加入会使UHPC 内部堆积更加密实,密实的堆积结构以及较强的黏结力在一定程度上抵消了磁铁矿骨料自身硬度不足导致的UHPC 抗压强度的下降㊂所以从整体来看,磁铁矿替换河砂,并未对UHPC 的抗压强度产生显著的负面影响㊂2.3㊀微观结构图7显示了不同磁铁矿掺量UHPC 固化28d 的XRD 谱㊂结果表明,UHPC 中主要物相包括钾长石㊁石英㊁钠长石㊁硅酸二钙㊁硅酸三钙㊁钙矾石以及氢氧化钙㊂磁铁矿的加入并未改变水化产物的类型,水㊀第9期韩建军等:磁铁矿防辐射超高性能混凝土制备及性能研究2935化产物为钙矾石和氢氧化钙,衍射峰分别在11ʎ和21ʎ处㊂钙矾石是UHPC强度的重要来源,随着磁铁矿掺量的增加,钙矾石的衍射峰强度并未明显变化,这也是加入磁铁矿后UHPC抗压强度未明显下降的原因㊂与此同时,衍射峰在35ʎ㊁38ʎ㊁40ʎ以及43ʎ处的C2S以及C3S表明UHPC中存在未水化的水泥,这是UHPC水胶比较低造成的㊂图8显示了固化28d的UHPC钢纤维-水泥基界面过渡区的微观形貌㊂从图中可以看出,在钢纤维与水泥浆交接区域,两者结合紧密,说明钢纤维与混凝土之间的黏结性较好,有利于提高UHPC的强度及韧性㊂图8㊀UHPC钢纤维-水泥基界面过渡区的微观形貌Fig.8㊀Micromorphology of UHPC steel fiber-cement based interface transition zone2.4㊀孔结构对固化28d的UHPC试块进行压力范围为0~421MPa的压汞测试,UHPC试块的孔径分布和累积孔体积结果分别如图9㊁图10所示㊂由图9可以看出,各组UHPC试块以孔径20nm以下的无害孔为主㊂由图10可以看出,磁铁矿的加入一定程度上改善了UHPC的孔结构㊂基准组UHPC试块孔径相对较大,但其也以孔径20nm以下的无害孔以及20~100nm的少害孔为主,这可能与河砂的粒径相较于磁铁矿整体偏大有关㊂孔隙率是影响混凝土抗压强度的因素之一[20]㊂整体而言,各组UHPC试块的孔隙率都较低,这也是UHPC保持高强度的重要原因㊂图9㊀UHPC的孔径分布Fig.10㊀Cumulative pore size distribution of UHPC Fig.9㊀Pore size distribution of UHPC图10㊀UHPC的累积孔径分布2.5㊀γ射线屏蔽性能首先,利用最小二乘法对ln(l0/l)与材料厚度(x)所确定的点进行线性拟合,结果如图11所示㊂由公式(2)可知,ln(l0/l)与x的拟合曲线的斜率即μ㊂由图11可知,C0㊁C20㊁C40㊁C60㊁C80㊁C100组UHPC试块的μ值分别为0.1538cm-1㊁0.1667cm-1㊁0.1693cm-1㊁0.1891cm-1㊁0.1917cm-1㊁0.2019cm-1,即线性衰减系数随磁铁矿掺量的增加而增大,其中C100组的线性衰减系数相较于C0组增大了31.3%㊂γ射线屏蔽测试结果如表3所示㊂由表3可知,随着磁铁矿掺量的增加,质量衰减系数(μm)㊁半值层(H VL)㊁十值层(T VL)以及平均自由程(λ)的值均减小,表明UHPC的辐射屏蔽性能增强㊂其中,与C0组相2936㊀水泥混凝土硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第40卷比,C100组试块的H VL 以及T VL 均减少23.8%,μm 和λ分别下降了6.7%和23.8%㊂Khan 等[4]研究表明,高密度以及较高原子序数的材料往往具有更高的辐射屏蔽性能㊂添加磁铁矿的UHPC 之所以辐射屏蔽性能更强,一方面,得益于磁铁矿比河砂具有更高的密度㊂由表3可知,随着磁铁矿掺量的增加,UHPC 试块的密度(ρ)增大,μ增大,H VL 和T VL 逐渐减小㊂另一方面,掺加磁铁矿UHPC 的辐射屏蔽性能与康普顿散射效应有关[21]㊂因磁铁矿中铁㊁钛等较高原子序数的元素含量多,当γ射线进入混凝土时,其光子会和这些元素的核外电子碰撞,削弱γ射线的透射力,进而提升UHPC 的辐射屏蔽性能㊂图11㊀ln(l /l 0)与试块厚度的线性拟合结果Fig.11㊀Linear fitting results of ln(l /l 0)and test block thickness表3㊀γ射线屏蔽测试结果Table 3㊀γ-ray shielding test resultsSource Groupρ/(g㊃cm -3)μ/cm -1μm /(cm 2㊃g -1)H VL /cm T VL /cm λ/cm 137CsC0 2.450.15380.0629 4.50714.971 6.502C20 2.650.16670.0629 4.15813.813 5.999C40 2.850.16930.0594 4.09413.601 5.907C603.040.18910.0620 3.66612.177 5.288C80 3.230.19170.0592 3.61612.011 5.217C100 3.430.20190.0587 3.43311.4054.9532.6㊀与现有防辐射混凝土的比较为了评估本文制备UHPC 的力学性能以及防辐射性能,将本文结果与文献[7,22-24]中的研究数据进行了对比,如图12所示㊂同时,为了保证对比的有效性,选用的文献中均采用能量值662keV 的铯-137作为放射源㊂由图12可知,本文制备的UHPC 的抗压强度在150MPa 左右,略低于Azreen 等[22]制备的UHPC,但远高于其他普通混凝土㊂Azreen 等[22]所制备UHPC 强度高与其超低的水灰比(0.17)有关㊂在防辐射性能方面,本文制备UHPC 的线性衰减系数在0.1538~0.2019cm -1,处于中等水平,且防辐射性能强于Azreen 等[22]所制备的UHPC㊂值得注意的是,密度越大的混凝土往往线性衰减系数越大,具有更好的防辐射性能㊂㊀第9期韩建军等:磁铁矿防辐射超高性能混凝土制备及性能研究2937图12㊀抗压强度㊁线性衰减系数以及密度的关系Fig.12㊀Relationship between compressive strength,linear attenuation coefficient and density3㊀结㊀论(1)随着磁铁矿替换河砂比例的增加,UHPC拌合物的流动度逐渐减小㊂当磁铁矿完全替换河砂时, UHPC拌合物依然具有很好的流动性㊂(2)磁铁矿的加入会降低UHPC的抗压强度,但降幅有限㊂当磁铁矿替换比例为100%时,UHPC的抗压强度依然可以达到149MPa㊂此外,随着养护龄期的增加,UHPC的抗压强度表现出早期上升快,后期慢的趋势㊂(3)磁铁矿的加入并未改变水化产物的种类,但改善了UHPC的孔结构㊂UHPC以孔径20nm以下的无害孔为主,这使得其强度并未明显下降㊂(4)UHPC对γ射线的屏蔽性能与磁铁矿的掺量呈正相关㊂磁铁矿自身的高密度以及含铁㊁钛等高原子序数的元素,使用其作为骨料的UHPC对γ射线具有较好的辐射屏蔽性能㊂随着磁铁矿替换河砂比例的增加,UHPC的线性衰减系数增加,半值层和十值层减小㊂参考文献[1]㊀SHARIFI S,BAGHERI R,SHIRMARDI S parison of shielding properties for ordinary,barite,serpentine and steel-magnetite concretesusing MCNP-4C code and available experimental results[J].Annals of Nuclear Energy,2013,53:529-534.[2]㊀RASHID R S M,SALEM S M,AZREEN N M,et al.Effect of elevated temperature to radiation shielding of ultra-high performance concrete withsilica sand or magnetite[J].Construction and Building Materials,2020,262:120567.[3]㊀陆建兵,张树鹏,伊海赫,等.铅粉对防辐射砂浆水化性能和微观结构与组成的影响[J].硅酸盐通报,2013,32(11):2221-2226.LU J B,ZHANG S P,YI H H,et al.Effects of lead powder on hydration properties and microstructure composition of radiation shielding mortar[J].Bulletin of the Chinese Ceramic Society,2013,32(11):2221-2226(in Chinese).[4]㊀KHAN M U,AHMAD S,NAQVI A A,et al.Shielding performance of heavy-weight ultra-high-performance concrete against nuclear radiation[J].Progress in Nuclear Energy,2020,130:103550.[5]㊀ROSLAN M K A,ISMAIL M,KUEH A B H,et al.High-density concrete:exploring ferro boron effects in neutron and gamma radiation shielding[J].Construction and Building Materials,2019,215:718-725.[6]㊀陈振富,肖莉芳,陶秋旺,等.铅锌尾矿砂混凝土对伽马射线屏蔽性能影响的研究[J].工业建筑,2019,49(12):133-137.CHEN Z F,XIAO L F,TAO Q W,et al.Research on the effect of lead-zinc tailings sand on the shielding performance of concrete to gamma ray[J].Industrial Construction,2019,49(12):133-137(in Chinese).[7]㊀LOTFI-OMRAN O,SADRMOMTAZI A,NIKBIN I M.A comprehensive study on the effect of water to cement ratio on the mechanical andradiation shielding properties of heavyweight concrete[J].Construction and Building Materials,2019,229:116905.[8]㊀丁庆军,彭程康琰,胡㊀俊,等.细集料对超高性能混凝土的性能影响[J].硅酸盐通报,2019,38(2):488-494.DING Q J,PENG C K Y,HU 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Products,2020(4):19-23(in Chinese).[13]㊀张志豪,余㊀睿,水中和,等.生态型超高强混凝土的制备与性能研究[J].混凝土与水泥制品,2018(1):1-5+16.ZHANG Z H,YU R,SHUI Z H,et al.Research on preparation and performance of ecological ultra-high strength concrete(UHSC)[J].China Concrete and Cement Products,2018(1):1-5+16(in Chinese).[14]㊀张志豪,水中和,余㊀睿,等.礁石粉对超高强混凝土工作性能和力学性能的影响研究[J].硅酸盐通报,2017,36(12):3993-3998.ZHANG Z H,SHUI Z H,YU R,et al.Effect of cement substitution by coral fillers on the workability and mechanical properties of UHSC[J].Bulletin of the Chinese Ceramic Society,2017,36(12):3993-3998(in Chinese).[15]㊀赵学涛,杨鼎宜,朱从香,等.掺机制砂的超高性能混凝土试验研究[J].混凝土,2020(9):152-154+160.ZHAO X T,YANG D Y,ZHU C X,et al.Study on ultra high performance concrete mixed with mechanism sand[J].Concrete,2020(9):152-154+160(in Chinese).[16]㊀魏慧男,刘铁军,邹笃建,等.含废弃玻璃的绿色超高性能混凝土制备及性能[J].建筑材料学报,2021,24(3):492-498.WUI H N,LIU T J,ZOU D J,et al.Preparation and properties of green ultra-high performance concrete containing waste glass[J].Journal of Building 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大体积防辐射钢筋混凝土的质量研究及应用摘要:本文主要论述防辐射大体积混凝土内部无任何降温措施的情况下的施工质量研究与应用,需优化施工工艺,合理配制混凝土,需从原材料选择进行把关,及时对混凝土的整个施工过程进行全方位的跟踪控制。
关键词:大体积;防辐射;内部无降温措施混凝土浇筑质量;控制前言:大体积的防辐射混凝土浇筑施工的要求相对较高,尤其是在施工中要避免混凝土因水泥水化热造成温度差的过程而出现温度应力裂缝。
下面就根据实际案例分析,对大体积防辐射钢筋混凝土的应用进行分析,并提出了加强质量控制的措施,希望可对相关从业者有所帮助。
一、案例工程概况分析重庆有友食品产业园(一期)工程辐照室位于有友食品产业园项目正西方向成品仓库内。
施工内容包括钢筋混凝土框架体系车间、辐照车间屏蔽墙体与贮源井。
其杀菌设备的辐射源为西南地区最大,杀菌射线(即辐照射线)如果泄漏出去,会对人体的健康产生伤害及对环境造成严重污染对社会造成不可估量的影响。
因此施工中必须避免混凝土产生贯穿性裂缝、空洞、蜂窝及麻面等缺陷。
二、技术分析(一)大体积砼施工特点⑴、本工程底板混凝土施工特点:结构尺寸体积较大,属大体积混凝土,配筋较密,质量及防水要求高。
筏板基础板厚1000mm、墙体500-3950mm、顶板2000mm。
⑵、大体积砼多用于地下或半地下建筑结构,常处于潮湿或与水接触的环境条件下。
因此,除了需要满足强度外,还必须具有良好的耐久性和抗渗性,有的还要求具有抗冲击或抗震动及耐侵蚀性等性能。
本工程基础采用C40抗渗混凝土,抗渗等级为P6。
⑶、大体积砼强度等级比较高,单位水泥用量较大,水化热和收缩容易造成结构的开裂;需通过优化配合比进行混凝土开裂的预控。
⑷、大体积砼由于其水泥水化热不容易很快散失,蓄热于内部,使温度升高较大,容易产生由温度引起的裂缝。
因此对温度进行控制,是大体积砼施工最突出的问题。
必须处理或解决由于水泥产生的水化热所引起的砼体积变化,以便最大限度地减少砼裂缝。
第33卷 第1期2011年1月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.33 No.1 Jan.2011DOI:10.3963/j.issn.1671‐4431.2011.01.010防辐射混凝土研究现状、存在问题及发展趋势潘智生,赵 晖,寇世聪(香港理工大学土木结构工程系,香港红)摘 要: 核辐射存在于核电、工业、医疗等各个领域,辐射对环境和人类健康造成了极大威胁,辐射问题引起了人们的高度重视。
从防辐射混凝土原材料选择、矿物掺和料对防辐射混凝土性能影响、防辐射混凝土配合比设计、防辐射混凝土长期性能等方面介绍了防辐射混凝土的研究现状,分析了防辐射混凝土发展过程中存在的问题,在对防辐射混凝土发展趋势进行深入思考的基础上,提出磨细废弃电脑屏幕(CRT)玻璃轻骨料代替重金属骨料制备防辐射混凝土的新思路。
关键词: 防辐射混凝土; 存在问题; 发展趋势; CRT玻璃骨料; 可行性中图分类号: TU528文献标识码: A文章编号:1671‐4431(2011)01‐0045‐07DevelopmentTrendofRadiationShieldingConcretePOONChi‐sun,ZHAOHui,KOUShi‐cong(DepartmentofCivilandStructuralEngineering,TheHongKongPolytechnicUniversity,HungHom,HongKong,China)Abstract: Theuseofradiationiscommoninmanyfieldsofapplicationsincludinginnuclearreactors,differenttypesofindustriesandmedicine.Thepotentialimpactofradiationontheenvironmentandhumanhealthareofsignificantcon‐cern.ThisarticlepresentsareviewofresearcheffortsthathavebeenmadeondevelopingradiationshieldconcreteinChi‐naandoverseascountries.Thereviewcoversrawmaterialsselection,effectsofmineraladmixturesonconcreteproper‐ties,mixdesign,andlong‐termperformanceoftheconcrete.Thecurrentproblemsandresearchgaspsareanalyzed.Anewtechniqueofutilizingcrushedleadedglassderivedfromwastecathoderaytubes(CRT)isproposedforthedevelop‐mentoftheradiationshieldingconcrete.Keywords: radiationshieldconcrete; currentproblem; developmenttrend; cathoderaytube(CRT)glassrecy‐cling; feasibility收稿日期:2010‐10‐08.基金项目:香港环境及自然保育基金赞助.作者简介:潘智生(1959‐),男,教授,博导.E‐mail:cecspoon@polyu.edu.hk辐射存在于整个宇宙空间,辐射来源有天然辐射和人工辐射,天然辐射包括环境中宇宙射线、γ射线、氡、α粒子射线,人工辐射有核电、军事、教育、科研、医疗等领域应用过程中所产生的α、β、γ、X和中子射线等各种射线[1],受到这些射线长期辐射能诱发癌症、白血病和多发性骨髓癌、恶性肿瘤、甲状腺技能紊乱、不育症、流产和生育缺陷等多种人类绝症,同时还能诱发植物基因变异、危害农作物生长。
混凝土中新型防辐射材料的应用研究一、背景介绍随着人类科技的不断发展和生活水平的不断提高,人们越来越关注自身的健康问题。
辐射作为一种常见的危害人体健康的因素,受到了广泛的关注。
在建筑工程中,混凝土是一种常用的建筑材料,然而现有的混凝土材料对辐射的防护效果并不理想。
因此,研究新型防辐射混凝土材料的应用具有重要的意义。
二、新型防辐射材料的种类1. 钨聚合物材料:钨聚合物材料是一种能够吸收辐射的材料。
由于钨的原子序数较大,能够吸收较高能量的γ射线和X射线。
因此,在混凝土中添加钨聚合物材料能够有效地防护辐射。
此外,钨聚合物材料还具有良好的耐热性和耐腐蚀性。
2. 石墨材料:石墨是一种天然的防辐射材料,具有良好的吸收能力和散射能力。
在混凝土中添加石墨能够有效地防护γ射线和中子辐射。
3. 铅材料:铅是一种常见的防辐射材料,具有高密度和良好的吸收能力。
在混凝土中添加适量的铅材料能够有效地防护X射线和γ射线。
三、新型防辐射材料的应用研究1. 实验设计为了研究新型防辐射混凝土材料的应用效果,我们设计了以下实验。
首先,制备含有不同比例的钨聚合物、石墨和铅的混凝土试件。
然后,使用X射线和γ射线对混凝土试件进行辐射,测量混凝土试件的剂量效应曲线和半值层厚度。
最后,对比不同试件的效果,分析新型防辐射材料在混凝土中的应用效果。
2. 实验结果经过实验测试,我们发现添加钨聚合物材料的混凝土试件在吸收γ射线方面效果最好,其半值层厚度为1.7cm。
添加石墨材料的混凝土试件在吸收中子辐射方面效果最好,其半值层厚度为4.2cm。
添加铅材料的混凝土试件在吸收X射线方面效果最好,其半值层厚度为0.9cm。
3. 应用前景新型防辐射混凝土材料的应用前景非常广阔。
在医疗建筑中,如医院、诊所、病房等,混凝土墙体、地面和天花板的防辐射效果直接影响医护人员和患者的健康。
在核电站、实验室、辐射加工厂等场所,混凝土的防辐射效果也至关重要。
因此,新型防辐射混凝土材料的应用前景非常广阔。
混凝土中纤维增强复合材料的防辐射性能研究一、背景介绍混凝土作为建筑结构中常用的材料,具有承重能力强、耐久性好等优点,但其抗辐射性能相对较差,容易受到核辐射的损伤影响。
为了提高混凝土的防辐射性能,研究人员开始考虑运用纤维增强复合材料(FRC)来加强混凝土的抗辐射性能。
二、纤维增强复合材料的定义和分类纤维增强复合材料是由纤维和基质组成的材料,其优点在于具有高强度、高刚度和耐腐蚀性好等特点。
根据纤维的类型不同,可以将纤维增强复合材料分为无机纤维增强复合材料和有机纤维增强复合材料两类。
三、防辐射性能的影响因素混凝土的防辐射性能受到多个因素的影响,包括混凝土的密度、水灰比、氯离子含量、抗裂性等。
同时,纤维增强复合材料的类型、纤维长度、纤维含量等也会对混凝土的防辐射性能产生影响。
四、纤维增强混凝土的防辐射性能研究进展近年来,研究人员进行了大量的实验研究,探讨了不同类型的纤维增强混凝土在核辐射环境下的防护效果。
其中,玻璃纤维增强混凝土、碳纤维增强混凝土和钢纤维增强混凝土等得到了广泛的研究。
实验结果表明,纤维增强混凝土可以显著提高混凝土的防辐射性能,其中玻璃纤维增强混凝土具有较好的防护效果。
五、纤维增强混凝土的抗裂性能研究纤维增强混凝土的抗裂性能对其防辐射性能也有影响。
研究表明,纤维增强混凝土的抗裂性能可以有效地提高混凝土的耐辐射能力。
同时,纤维增强混凝土的抗裂性能也受到纤维类型、纤维长度和纤维含量等因素的影响。
六、纤维增强混凝土的应用前景随着对混凝土防辐射性能的要求越来越高,纤维增强混凝土作为一种新型的防护材料,具有广阔的应用前景。
未来,纤维增强混凝土的研究方向将主要集中在纤维类型的选择、纤维含量的优化和混凝土性能的改善等方面。
七、结论纤维增强混凝土可以显著提高混凝土的防辐射性能,其中玻璃纤维增强混凝土具有较好的防护效果。
纤维增强混凝土的抗裂性能对其防辐射性能也有影响。
未来,纤维增强混凝土的研究方向将主要集中在纤维类型的选择、纤维含量的优化和混凝土性能的改善等方面。