防辐射混凝土高性能化研究进展.pdf
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1、2 0 1 2年 第 1期 (总 第 2 6 7期 ) N u mb e r 1 i n 2 O 1 2 ( T o t a 1 No 2 6 7 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 1 0 0 3 防辐射混凝土高性能化研究进展 邹秋林,李军,卢忠远 ( 西南科技大学 四川省非金属复合与功能材料重点实验室一 省部共建国家重点实验室培育基地,四川 绵阳 6 2 1 0 1 0 ) 摘要: 针对传统防辐射混凝土的研究现状与问题
2、进行综合分析, 从防辐射混凝土的制备技术、 施工技术及其辐照条件下其内部结构 性能等方面介绍了当前防辐射混凝土的高性能化研究进展与成果 , 提出了该领域亟待解决的问题, 并在此基础上预测其未来发展前景。 关键词: 辐射防护;防辐射混凝土;高性能 中图分类号 : T U5 2 8 3 5 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 0 6 0 4 Hi gh pe r f o r m a nc e r es e a r c h s i t u a t i on o f r adi a t i on s hi e l di ng c o
3、nc r e t e Z OUQi u l i n L l J u n L UZ h o n g - y u a n ( S o u t h we s t U n iv e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , S t a t e K e y L a b o r a t o r y C u l t i v a t i o n Ba s e f o r No n me t a l Co mp o s i t e a n d F u n c t i o n a l Ma t e r i a l s Mi a n y a n
4、g 6 2 1 0 1 0 , C h i n a ) Abs t r a c t : T h e r e c e n t d e v e l o p me n t s o ft r a d i t i o n a l r a d i a t i o n s h i e l d i n g c o n c r e t e we r e i ntr o d u c e d Th e h J g h p e r f o r ma n c e r e s e a r c h s i t u a t i o n f r o m t h e p r e pa r a t i o n, c o n s t
5、 r uc t i o n a n d s t r u c tur e u n d e r ir r a d i ati o n o f r a d i ati o n s h i e l d i n g c o n c r e t e we r e d i s c us s e d M e a n wh i l e , t h e t n d s a n d p r o s p e c t s we r e p r e s e n t e d Ke y wor d s: r a d i ati o n p r o t e c t i o n; r a d i a t i o n s h i
6、e l d i n g c o nc r e t e; hi g h pe r f o rm a n c e 0 引言 随着工业文明的进步, 地球上可被人类利用的煤炭 、 石油 等 自然资源 日渐枯竭 , 能源问题已成为全世界、 全人类共同关 心的问题。 核能作为一种新型、 清洁和高效的能源 自诞生以来便 受到世界各国的关注。 近几十年来 , 核技术不仅用于国防建设 , 而且大量渗透到工农业、 医疗 、 科研等各个领域 1 。 在全球推进 低碳经济的背景下 , 核电作为一种技术成熟 、 清洁无排放的新 型能源, 越来越受到世界各国的重视 , 是当前和平利用核能的 一 种最主要途径。 目前, 我
7、国核电事业正处于迅猛发展阶段, 据悉, 我国已在 1 6 个省市初选核电厂址 5 1 个 , 机组 2 4 4台, 装机规 模 2 7 亿 k W, 按 目前核电建设进度, 2 0 1 5 年可达到 4 0 0 0 万k W, 2 0 2 0年核电装机要达到 7 0 0 0万 k W。 而截至 2 0 1 0年 6月底, 我国在建核电机组 2 3台、 总装机 2 5 4 0万 k W, 占世界的4 0 , 已经成为全球核电在建规模最大的国家2 1 。 然而, 核能在给人类带来巨大经济效益和社会效益的同时 也给环境和人类健康造成了极大威胁, 其安全性一直是困扰其 进一步发展的关键因素3 。 目前
8、 , 各种放射性射线对人体的伤害 和对环境的破坏逐渐被人们所认识。 经常接触射线会出现皮肤 烧伤、 毛发脱落 、 白血球减少等症状, 甚至诱发癌症、 白血病、 大 胸恶性肿瘤、 生育缺陷等人类绝症以及诱发植物的基因变异, 危害农作物的生长, 而且其潜伏期长, 短时间内无法得知4 J 。 因 此, 人们对辐射防护进行了大量的研究 , 并研发了一系列防护 材料。 其中, 水泥混凝土是目前使用最为广泛、 经济的射线防护 材料, 其在核能发电的预应力混凝土压力容器( P C R V) 、 加速器 与放射化学装置的防护结构、 核废料固封以及核事故处置上拥 有很高的应用价值【 5 。 从辐射防护种类及要求
9、出发 , 综述了防辐射混凝土的特点 和研究现状, 并对防辐射 昆 凝土的高性能化研究进行了详细介 绍, 提出了该领域未来研究和发展的主要方向。 1 辐射种类及 防护 核装置和核设施产生的辐射多种多样 , 主要为核反应堆和 其他辐射源中因裂变、 衰变而产生的裂变碎片和衰变产物以及 释放出带能量的 、 B、 X、 、 中子射线以及质子流等柳 。 这些射线 能对环境造成污染 , 对操作人员造成伤害, 致使仪器材料发热 活化而导致测量仪器性能降级等, 因此对核设施采取辐射屏蔽 措施是十分必要的。 核设施的防护问题主要是防护 x射线 、 射线和中子射线。 对 x、 射线, 物质密度愈大, 防护性能愈好,
10、 几乎所有的材料对 x、 射线都具有一定的防护能力, 但采用密度小而轻质的材料 时, 则要求防护结构的厚度很大, 进而增加了建筑面积和容积。 采用铅、 锌、 钢铁等相对密度太的材料 , 防护 x、 射线效果很 好 , 防护结构可以很薄, 但材料价格昂贵, 不符合经济性原则。 对中子射线, 其由不带电荷的微粒组成, 具有高度的穿透能力, 分快速、 中速和慢速中子 , 因它们的防护机理不同, 故对中子射 线的防护只考虑材料的密度还达不到目的。 中子射线屏蔽不仅 要求含重元素, 而且必须含充分数量的轻元素( 如硼、 氢等 ) 。 故 作为核装置、 核设施的防护结构, 应当是适当轻元素和重元素 组合而
11、成的材料制成 。 防辐射混凝土无疑是满足这些条件下 收稿日期: 2 0 1 1 _ 0 7 1 1 基金项目:国家自 然科学基金( 0 9 z g 2 1 0 8 ) ; 四川省非金属复合与功能材料重点实验室开放基金( 1 0 z x f k 0 3 ) 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 最为经济的选择。 2防辐射 混凝 土 2 1 防辐射 混凝 土 的定义 防辐射混凝土又称防射线混凝土、 原子能防护混凝土、 屏蔽 混凝土 , 通常采用普通水泥和密度大的重骨料配制而成 , 是一 种表观密度大、 含有大量结晶水并能有效屏蔽原子核辐射的混 凝土, 是原子核反应堆、
12、 粒子加速器及其他含放射源装置常用 的防护材料。 由于其密度大, 所以对 x射线和 v 射线的防护胜能 良好 ; 同时, 其含较多结晶水和轻元素, 故对中子射线的防护性 能也很好嘲 。 2 2 防辐射混凝土的要求 防辐射混凝土通常应满足如下要求: ( 1 ) 具有足够的表观密度。 ( 2 ) 含有适量的屏蔽 射线、 中子等所必需的物质。 ( 3 ) 具有结构体所必需的强度和耐久性。 ( 4 ) 成型、 加工容易, 可制成形状特殊的屏蔽体。 ( 5 ) 价格相对低廉。 此外, 还要求混凝土质地均匀 、 使用时体积变化小、 吸收射 线后温升小、 导热系数高以及辐照损伤小等 。 与普通混凝土相 比,
13、 防辐射混凝土应该能够在辐照条件下体现出更好的性能。 2 3 防辐射混凝土原料选择 防辐射t 昆 凝土的原料与普通混凝土大致相同, 但又有区别, 其基本原料如下: ( 1 ) 水泥: 原则上应选用水化热低 、 相对密度较大 、 结晶水 含量较多的水泥 , 但一般采用 3 2 5 MP a以上的硅酸盐水泥或 普通硅酸盐水泥, 因为此种水泥产量大、 易获得。 ( 2 ) 集料: 防辐射混凝土的集料应是一些高密度的材料, 一般 选用质量密度大、 含铁量高、 级配良好的赤铁矿、 磁铁矿、 褐铁矿、 重晶石等制成矿石或矿砂来做其粗细集料。 ( 3 ) 拌和水 : 防辐射混凝土拌和用水应为p H值大于 4
14、的洁 净水, 其质量要求应符合 J GJ 6 3 -2 0 0 6 ( 混凝土用水标准 中的 要求。 ( 4 ) 掺合料 : 为进一步加强防辐射混凝土的射线防护能力, 还可以掺加一些对射线有特殊作用的掺合料, 如硼和锂化合物 的粉粒料 。 传统防辐射混凝土的制备主要采用硅酸盐水泥作胶凝材料, 赤铁矿、 磁铁矿、 褐铁矿、 重晶石等高密度材料作粗细集料, 并引入 充分数量的结晶水和含硼、 锂等轻元素的化合物及其掺合料p , 1 0 - 1 1 。 2 4防辐射 混凝 土性 能研 究 传统的防辐射混凝土采用高密度材料作集料 , 可很好的防 护 x射线和 射线; 同时, 其含有较多结晶水和轻元素的化
15、合 物, 能有效捕捉中子且不形成二次 y 射线旧, 故其射线屏蔽效果 较好。 但由于集料密度大 , 集料与胶凝材料的密度差异使得混凝 土施工时易离析, 施工性能差 , 对施工条件要求也高; 又由于混 凝土水灰比小, 水泥用量较大, 水化放热速率高, 收缩率大以及 因为辐射导致温升产生的应力, 造成混凝土开裂问题尤其严重, 从而大大降低了混凝土的防辐射能力和耐久性旧; 而硼掺合料代 替水虽可减小因结晶水的脱去及二次 射线所造成的破坏, 但 会延缓水泥水化, 对工程施工和结构性能的发展带来一定负面 影响; 此外, 对防辐射混凝土的耐久性研究表明, 随着冻融循环 次数的增加、 温度的升高以及高温荷载
16、持续作用时间的增加都 将使得防辐射混凝土驹 屏蔽性 能和物理力学性能下降 。 3 防辐射混凝土高性能化研 究进展 针对传统防辐射混凝土存在的问题 , 当前防辐射混凝土的 高性能化研究主要体现在以下方面。 3 1 制备技 术 3 1 1 胶凝材料选择 采用新型胶凝材料。 如采用低水化热的矿渣硅酸盐水泥 , 其具有较平缓的水化放热速率, 可在一定程度上防止温度裂缝 的出现f l 9 删; 采用矾土水泥、 石膏矾土水泥以及高镁水泥, 可增 加混凝土结晶水含量, 对防中子射线有利, 但其高水化热需引 起重视 ; 掺硼和铁的磷酸盐水泥可有效地屏蔽中子和 射线 辐射, 同时磷酸盐水泥本身具有良好的热稳定性
17、 、 耐高温、 抗腐 蚀等性能, 对辐照温升下混凝土的防护性能和耐久性有积极意 义_2 1 ; 对防护性能要求很高的混凝土, 可以采用防辐射水泥, 如密度较大的钡水泥或锶水泥( 防x射线、 y 射线) 、 含硼水泥 ( 防中子射线) 等 2 2 。 单掺或复掺活性掺合料如粉煤灰、 矿粉等 替代部分胶凝材料, 可增加混凝土拌合物的黏聚性, 改善拌合 物流动性和保水性, 防止重骨料离析 ; 同时, 能优化混凝土微观 结构 , 降低水泥用量和水化热, 延缓温峰值出现时间, 增强混凝 土耐热能力 , 防止产生裂缝 , 在一定程度上提高混凝土的耐久 性口 0 ,2 3 圳。 3 1 2 集料的选择 采用
18、混合集料拌制防辐射混凝土并合理选择粗细集料的 颗粒集配。 传统防辐射混凝土多采用单一的重骨料配制而成, 采用多种集料混合拌制防辐射混凝土, 可增加防辐射混凝土的 表观密度和结晶水的含量, 克服单一骨料的缺点, 既发挥骨料 的各自所长, 又达到经济实用的目的。 合理选择粗细集料的颗粒 集配则可在一定程度上防止拌合物的离析, 提高混凝土的密实 性和均匀性【9 ) 。 选用再:生集料 , 如用贫铀废料为集料制备的贫铀 混凝土, 在满足混凝土基本物理力学性能及辐射防护的要求下, 又完成了对废物的处理, 具有较好的环境与经济效应 。 3 1 -3 J , l- ;0 t s N 掺人适量的高效缓凝减水剂
19、 , 可延长混凝土的初终凝时间, 减少混凝土单位用水量, 改善混凝土和易性 , 增加混凝土致密 性, 降低水化热 , 使水化热放热速率减慢, 延迟混凝土温峰的出 现, 有利于温度的控制I l 9 , 2 3 - 2 6 ; 掺入微膨胀剂, 可抵消混凝土因 体积收缩产生的拉应 I丁 , 防止结构裂缝出现1 2 6 ; 掺加结晶水调节 剂, 可调整混凝土结晶水含量, 确保混凝土含有充分数量的结 晶水口 ; 掺人纤维素增稠剂可以明显改善重晶石防辐射混凝土 的和易性 , 防止离析和泌水 , 但混凝土的防辐射能力和强度有 所降低, 其最佳掺量为 0 0 5 2 9 1 。 3 1 4 掺合料 掺活性掺合
20、料如粉煤灰 、 矿粉、 硅灰等可起到用其替代胶 凝材料类似的效果; 或在防辐射混凝土中掺人钢纤维、 铅纤维、 杜拉纤维、 聚丙烯纤维等。 研究表明, 掺人钢纤维能有效提高防 辐射混凝土的力学性能, 掺人铅纤维不但能提高混凝土的力学 性能, 而且能明显增加混凝土的防辐射性能【 , 掺入杜拉纤维或 聚丙烯纤维则能提高防辐射混凝土的抗裂性能, 防止混凝土出 现早期裂纹 2 0 - 3 ” 。 3 1 5 优化配合比设计 根据设计和施工要求选择合适的配合比, 控制混凝土的水 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 灰 比与坍落度无疑是提高防辐射混凝土施工性能和耐久性进 而使
21、其商眭能化的一项主要途径。 3 2施 工技 术 3 2 1 防辐射混凝土的拌制 由于防辐射混凝土密度大, 拌制时应充分考虑设备的承受 能力, 生产时最好控制每盘混凝土的体积为普通混凝土的7 0 左右, 运输罐车也只能装载平时的 7 0 3 。 搅拌工艺及搅拌时 间也应合理选择, 如在重晶石防辐射混凝土拌制过程中, 采用 砂浆裹石法搅拌工艺, 即先投入水、 黄砂、 水泥、 粉煤灰、 重晶石 砂搅拌成砂浆, 然后再投入重晶石石子搅拌均匀, 以减少离析 、 泌水 ; 由于重晶石质脆, 搅拌时间过长易造成重晶石粉碎和混 凝土的离析 , 故搅拌时间应控制在 3 0 s 左右 。 3 2 2 防辐射混凝土
22、的施工 防辐射混凝土的密度比普通混凝土大, 为保证模板的刚度 和稳定性, 应采用足够厚度的模板【刎; 对大体积防辐射混凝土应 严格控制其浇筑温度 , 防止产生温度裂缝 , 如在砂石堆场对专 用砂石浇水降温, 混凝土用水用冰块预冷等; 浇筑方法上 , 根 据连续浇筑的要求, 采用“ 全面分层” 的方法浇筑, 对防辐射混 凝土进行合理分段分层浇捣, 严格控制振捣时间, 防止混凝土 离析, 提高结构密实性 】9 - 2 O 。 3 2 3 防辐射混凝土的养护 采取保温保湿的养护方法, 以控制混凝土内部温度阶梯, 减 少收缩裂缝的形成, 如搭设暖棚对建筑物进行全封闭蒸汽保温 保湿养护, 并通过预埋的测
23、温点测温, 根据测温数据和湿度测 量数据, 调整养护环境的湿度和温度2 0 ,2 3 1 ; 而在混凝土内外温差 的控制中, 采用“ 内降外保” 的温控技术措施, 即在 1 5 m以上的 混凝土板墙及顶板正中设纵向及横向冷却水管, 用水泵进行强 制循环降温, 板墙外模及顶板表面采用一层塑料布封闭, 外挂 两层草帘, 洒水保温防晒, 并将塑料布粘贴在混凝土表面, 以防 水分蒸发阳。 3 3 辐照条件下混凝土结构和性能 辐照下防辐射混凝土的内部结构、 性能以及组分变化是防 辐射混凝土高性能化研究必须解决的问题。 研究表明, 当处于辐 照条件下时, 随着辐射剂量和辐照持续时间的增加, 防辐射混 凝土
24、的机械强度( 抗折 、 抗压 、 抗拉强度) 均呈下降趋势, 其中, 抗压强度降低尤为明显3 2 - 3 3 ; 而且混凝土受辐照后单位体积质 量也将减小( 铬铁矿混凝土除外) 3 4 1 。 在内部结构上, 硬化水泥在辐照条件下将产生辐射应变 , 从而对其结构造成影响。 以中子辐射为例 , 硬化水泥发生的结 构变化过程如下 : 当辐射剂量小于 2 1 0 中子 ( c m s ) 时, 硬化水泥随所含水分的辐射分解而脱水 , 从而使其丧失机械结 合水和物理结合水 , 该阶段能观察到气体释放 , 硬化水泥性质 无显著变化。 当辐射通量继续增大, 大部分骨料产生正辐射 应变。 膨胀的骨料颗粒对硬
25、化水泥施加压力, 将其压缩 , 当压缩 为各向同性时, 将使结构更密实。 而压缩为各向异性时, 且当应 力超过混凝土的极限强度, 则会在硬化水泥中产生微裂纹, 且辐 照剂量的增大将导致裂纹进一步开裂并出现新的裂纹。 辐照 剂量的进一步增大将引起硬化水泥产生 自由负应变( 辐射收 缩) , 此时硬化水泥处于辐射收缩与辐射蠕变共同作用的状态 下, 硬化水泥可能受压缩, 也可能受拉伸。 受压缩的硬化水泥将 被压得更密实, 因而强度更高 ; 受拉伸的硬化水泥结构将变得 疏松, 因而丧失其部分强度。 总体说来 , 影响混凝土辐射应变的 R 因素有辐射剂量、 硬化水泥含量及硬化水泥中应力状态的均匀 性程度
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