防輻射膠凝材料及混凝土信息匯總

1、防輻射膠凝材料及混凝土信息匯總 在原子輻射中，主要有、射線和中子等四種射線，其中、兩種射線穿透能力較弱，易于防護；而射線和中子射線都有對物體強烈的穿透能力，防護就比較復(fù)雜。根據(jù)輻射與物質(zhì)作用的基本原則，要優(yōu)先的降低射線，就必須盡可能的增加重元素的數(shù)量，既提高材料的致密度；而要減弱中子流，則主要依靠增加材料中的輕元素來達到?；炷敛牧夏軌蚣婧^重、較輕的元素，具有放混合輻射的功能，且它施工方便，又能加工成異型結(jié)構(gòu)并具有良好的機械強度，因此是一種有效而經(jīng)濟的防輻射材料。具有良好的防輻射性能的混凝土和膠砂的獲得，主要來自骨料和膠結(jié)材料兩方面。由于混凝土中骨料所占比例遠比膠凝材料多，因此各國制備防護混

2、凝土首先很重視骨料的選擇。根據(jù)不同使用條件，適當調(diào)整骨料中輕重元素含量以滿足不同的使用要求。為了獲得更為優(yōu)良的防輻射混凝土，許多國家進行了不少防輻射水泥的研究工作，有的少量已經(jīng)付諸與使用。一、防輻射水泥我國在20世紀60年代初，中國建筑材料科學(xué)研究總院先后研制成功了防護射線的鋇水泥和防中子的含硼水泥，并少量生產(chǎn)。用此種水泥選擇適宜的骨料配置制成的特種混凝土，在世界防護工程中使用，已經(jīng)取得了一定成效。防輻射水泥是一種對X射線、射線、快中子和熱中子能起較好屏蔽作用的水泥。這類水泥的主要品種有鋇水泥、鍶水泥、含硼水泥等。鋇水泥以重晶石粘土為主要原料，經(jīng)煅燒獲得以硅酸二鋇為主要礦物組成的熟料，再摻加適

3、量石膏磨制而成。其比重達4.75.2,可與重集料(如重晶石、鋼段等)配制成防輻射混凝土。鋇水泥的熱穩(wěn)定性較差，只適宜于制作不受熱的輻射防護墻。鍶水泥是以碳酸鍶全部或部分代替硅酸鹽水泥原料中的石灰石，經(jīng)煅燒獲得以硅酸三鍶為主要礦物組成的熟料，加入適量石膏磨制而成。其性能與鋇水泥相近，但防射線性能稍遜于鋇水泥。在高鋁水泥熟料中加入適量硼鎂石和石膏，共同磨細，可獲得含硼水泥。這種水泥與含硼集料、重質(zhì)集料可配制成比重較高的混凝土，適用于防護快中子和熱中子的屏蔽工程。1.1 鋇水泥鋇水泥是以BaO代替常規(guī)硅酸鹽水泥中的CaO配料，燒制所得熟料中加入適量的石膏共同粉磨而制成的一種特種水硬性膠凝材料，是一種

4、優(yōu)良防護射線的水泥，不僅建筑性能可以達到普通水泥的要求，而且具有高密度的特點，能保證混凝土有較好的防射線穿透性能。鋇水泥卵石混凝土較硅酸鹽水泥卵石混凝土線吸收系數(shù)提高32%36%，半吸收厚度降低43%49%，而鋇水泥鐵珠混凝土較硅酸鹽卵石混凝土的線吸收系數(shù)提高150%167%，半吸收厚度降低60%62%。鋇水泥可配置均勻性，密實性較好的重混凝土，它除具有一般混凝土的物理力學(xué)性能以外，由于它的比重大而具有優(yōu)良的防射線能力。在一定的使用條件下，鋇水泥的熱穩(wěn)定性差、導(dǎo)熱性較小的缺點，可以完全避免。鋇水泥重晶石混凝土可用于放射性同位素應(yīng)用上的防護設(shè)施，如防護墻、儲源室、活動防護屏蔽等以及原子反應(yīng)堆外殼

5、低溫部分。另外，對防護層的厚度有一定限制的工程，鋇水泥則比普通水泥顯得優(yōu)越。在北京某醫(yī)院射線的生物屏蔽層和某醫(yī)院回旋加速器的生物屏蔽層，使用效果好。1.2 硼水泥 根據(jù)輻射與物質(zhì)作用的基本原理，減弱中子流應(yīng)主要依靠增加原材料中的輕元素來達到。已證明，硼元素是最優(yōu)良的慢化種子吸收材料，它既可以以硼化物或硼礦石的形式作為混凝土的骨料或者水泥的混合材料，也可將含硼原料直接加載生料中燒成含硼熟料而制成水泥。我國是采用氯酸鹽水泥為基礎(chǔ)，摻加經(jīng)過煅燒的硼鎂石、天然硬石膏混合粉磨制成含硼水泥。其制造工藝簡便，成本不高，水泥混凝土基本性能良好。此外，含硼水泥水化物中結(jié)晶水含量（即氫含量）較高，用這種水泥配置的

6、混凝土對中子的慢化和熱中子的吸收以及俘獲射線均有顯著效果。含硼水泥凝結(jié)時間正常，膠砂抗壓強度為4050Mpa,水泥水化物結(jié)晶水含量，遠優(yōu)于硅酸鹽水泥。如含硼水泥水化物含水量在常溫下為26%左右，100時為15%左右，與高鋁水泥基本相當，而通用硅酸鹽水泥則分別為18%和10%左右。含硼水泥具有早強性，混凝土1d的抗壓強度可達到28d的70%90%，抗拉強度達到50%80%。含硼水泥配制的如卵石混凝土膨脹收縮小，抗凍、抗?jié)B性好。含硼水泥重晶石混凝土熱穩(wěn)定性好，在300以內(nèi)強度基本不變。此外，含硼水泥卵石混凝土的熱導(dǎo)性比普通卵石混凝土以及重混凝土稍好?？偟膩砜矗鹚嗷炷梁笃趶姸确€(wěn)定上升，耐久性

7、優(yōu)良。某些性能還優(yōu)于普通混凝土。含硼混凝土防輻射特性可通過混凝土的表觀密度，對Co60射線的吸收、結(jié)晶水含量和硼元素含量來表征，并與普通水泥混凝土作對比。含硼水泥混凝土的表觀密度及對射線的吸收和同骨料普通混凝土基本相同，但從含硼混凝土具有較高的結(jié)晶水和一定的硼含量，不難推斷它對快中子的慢化以及熱中子的吸收和減少俘獲射線會有明顯的效果，這是普通混凝土或者普通重混凝土所不及的。1.3 相關(guān)專利專利一種防輻射水泥、硫酸的生產(chǎn)方法（申請?zhí)?專利號： 200810031985）介紹了一種防輻射水泥、硫酸的生產(chǎn)方法，本發(fā)明提供了一種采用五級旋風(fēng)預(yù)熱技術(shù)和“二轉(zhuǎn)二吸”酸洗制酸技術(shù)，以脫硫石膏、硬石膏、重晶石

8、為主要原料經(jīng)過預(yù)熱、分解、煅燒，得到二氧化硫氣體濃度為7.011.0的窯氣和鋇水泥熟料。采用“二轉(zhuǎn)二吸”酸洗制酸工藝將二氧化硫氣體制成質(zhì)量分數(shù)為92.5%和98.0%工業(yè)硫酸；所得鋇水泥熟料經(jīng)冷卻機冷卻后，與2.04.5%的石膏共同入水泥磨，生產(chǎn)出具有防輻射性能的鋇水泥。本發(fā)明的優(yōu)點有：原料配比獨特，便于生產(chǎn)硫酸；充分利用了脫硫石膏、粉煤灰、石煤等廢物資源，且不產(chǎn)生二次污染；充分發(fā)揮了重晶石資源的利用價值；采用五級旋風(fēng)預(yù)熱工藝，能耗低，效益高。二、防輻射混凝土防輻射混凝土又稱為防射線混凝土、原子能防護混凝土、屏蔽混凝土，核反應(yīng)堆混凝土或重混凝土。作為原子能反應(yīng)堆，粒子加速器及含放射源裝置的防護

9、材料，它能有效的屏蔽原子核輻射，即射線，一般指、X等射線和中子輻射。核技術(shù)自誕生以來使得到迅速的發(fā)展，目前已在如核電、軍事、教育，科研、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，然而其安全性一直是困擾其進一步發(fā)展的關(guān)鍵。眾所周知，原子核反應(yīng)產(chǎn)生的大量如、X射線和中子射線能夠誘發(fā)癌癥，白血病和多發(fā)性骨髓癌、大胸惡性腫瘤，甲狀腺技能紊亂、不育癥、流產(chǎn)和生育缺陷等多種人類絕癥以及誘發(fā)植物的基因變異，危害農(nóng)作物的生長，而且其潛伏期長，短時間內(nèi)無法得知。因此，為防止射線對人體的傷害，在建造有輻射源的建筑時，必須設(shè)置防護體。水泥混凝土是目前使用最為廣泛的射線防護材料，主要用于制作核反應(yīng)堆的內(nèi)外殼以及核廢料的固化處理

10、。雖然在核工業(yè)問世的5O年里，尚未出現(xiàn)一例核事故是因為屏蔽工程所引起的，但是核事故一旦發(fā)生，將會造成災(zāi)難性的破壞。1986年4月前蘇聯(lián)的切爾諾貝利核泄漏事故釀成了使大半個歐洲受害，2500平方公里的土地不能居住，10萬人不得不大遷移的悲劇，死傷也不計其數(shù) 。中國在1992年發(fā)表科學(xué)技術(shù)白皮書中國科學(xué)技術(shù)政策指南指出：不僅要研究開發(fā)先進壓水堆和固有安全壓水堆技術(shù)以及先進的按燃料循環(huán)技術(shù)，其中包括壓水堆反應(yīng)屏蔽及核廢料后處理和貯存技術(shù)，在建材工業(yè)一節(jié)中更是明確指出：開發(fā)研究適用于核工業(yè)核電站發(fā)展的新型防護材料。近十年來美國、俄羅斯等多國政府也早已認識到這一問題的重要性，并加大了研究核反應(yīng)堆射線防護

11、技術(shù)，核廢料后處理技術(shù)以及新型防輻射材料的開發(fā)力度。因此，對于建材行業(yè)來說，開發(fā)研究新型、經(jīng)濟、安全合理的防輻射混凝土及其核肥料固化材料，具有重大戰(zhàn)略意義和深遠的社會意義。當前核技術(shù)的安全性問題主要包括兩個方面，其一，如何提高防輻射混凝土的射線屏蔽性能；其二，如何安全處理日益增多的核廢料。自前蘇聯(lián)于1954年建成世界上第一座核電廠以來，至今全世界已有按電廠400多座，核廢料的排放量在與日俱增。據(jù)估計全世界核電放射性廢物排放量已累計超過4×106m3。我國在今后十年中每年也將產(chǎn)生核廢物7×105m3，而由于目前所使用的按廢料水泥固化材料的抗?jié)B出性能差，廢液滲入地下水，給人類的

12、健康造成了巨大的危害，有關(guān)這類事件屢見不鮮。但是由于此前這些研究并沒有對材料的組成，結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系進行深入研究，進而提高材料的防輻射能力，成果甚微。2.1 防輻射混凝土研究現(xiàn)狀防輻射混凝土主要防止、X和中子射線對人體的傷害，這些射線中，、射線穿透能力低且易被吸收，很小厚度的防護材料就能屏蔽這些射線，設(shè)計防輻射混凝土?xí)r主要考慮對射線和中子射線的屏蔽，射線穿透能力強，其通過高密度建筑材料時能量能被減弱，達到一定密度和厚度時，射線可完全被吸收，中子射線因不帶電核，所以具有高度穿透能力，對中子射線防護相對于對射線防護難度更大。目前國內(nèi)外關(guān)于防輻射混凝土的研究主要集中在下面幾個方向：1)原材料對防輻射

13、混凝土性能影響；2)礦物摻和料對防輻射混凝土性能影響；3)防輻射混凝土配合比設(shè)計；4)防輻射混凝土長期性能研究。2.1.1 膠凝材料水泥配制防輻射混凝土所用膠凝材料有普通硅酸鹽水泥、高鋁水泥、鋇水泥、含硼水泥、鍶水泥等。高鋁水泥具有早期強度高、高強、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕等特點，鋇水泥相對密度較普通水泥高，可與重質(zhì)集料配制成均勻、密實屏蔽射線混凝土，但其熱穩(wěn)定性差，只適合于制作不受熱輻射的防護墻。硼水泥早期強度增加率大，硼元素吸收熱中子與大量減少俘獲輻射和屏蔽層發(fā)熱，結(jié)合水中氫元素有慢化快中子作用，適用于快中子和熱中子防護屏蔽工程，鍶水泥屏蔽性能較鋇水泥差。水泥品種對防輻射混凝土屏蔽射線和中子射線

14、的效果有一定影響，Masaharu Kinno等人研究表明摻加白水泥、石灰?guī)r、石英巖、硬硼酸鈣、高鋁水泥等低輻射原材料配制混凝土對中子射線有良好屏蔽效果。但目前配制防輻射混凝土還是使用普通硅酸鹽水泥和高鋁水泥。2.1.2 骨料防輻射混凝土中引入重金屬元素提高混凝土對有害射線的屏蔽效果是國內(nèi)外研究熱點問題：Sang Bum Hong和Alhajali S等人研究表明，混凝土材料摻入Mg、Ti、3 H 、14C、55Fe和60Co能提高混凝土防輻射能力，混凝土防輻射能力與單方混凝土中重金屬含量密切相關(guān)，使用蛇紋石、磁（赤）鐵礦石、褐鐵礦石、氧化鐵粉、鋼丸、鋼鍛、重晶石、石膏粉、硼鎂鐵礦石、鉻礦粉、

15、方鉛礦等含有重金屬元素骨料來提高混凝土屏蔽射線和中子射線能力是有效的方法；Creutz E等人使用磁鐵礦骨料制備重骨料混凝土，其混凝土強度、混凝土凝結(jié)時間、收縮性能都滿足要求；王萍等人研究表明結(jié)晶水調(diào)節(jié)劑可明顯增加水泥水化產(chǎn)物結(jié)合水量，混凝土中總結(jié)晶水量的提高有利于提高對中子射線屏蔽和提高混凝土強度，磁鐵礦與褐鐵礦砂、磁鐵礦粉、含硼摻合料骨料能有效屏蔽 射線且具有良好導(dǎo)熱性能，有利于對輻射產(chǎn)生熱量擴散，重金屬混凝土在循環(huán)熱效應(yīng)工作條件下具有良好的熱學(xué)性能，此研究結(jié)果與Harold等人得出的高水膠比高溫對含鐵骨料重混凝土力學(xué)性能影響比普通混凝土影響更大的研究結(jié)論有矛盾；Kan YuCheng等人

16、研究結(jié)果表明重混凝土具有比普通混凝土更高的彈性模量，隨著含鐵骨料含量的增加，低摻量時重金屬混凝土含氣量、彈性模量、抗壓強度不斷增加而抗拉強度減少，鐵骨料體積分數(shù)為40%時混凝土有最大抗壓強度和斷裂力學(xué)性能，重金屬混凝土裂縫形態(tài)和斷裂力學(xué)性能與普通混凝土沒有區(qū)別；Makarious A S等人對鈦鐵礦骨料混凝土抗輻射性能進行系統(tǒng)研究，普通混凝土射線強度比鈦鐵礦混凝土里的強度更強，保護層距離50cm鈦鐵礦混凝土里射線強度減少率比普通混凝土更大，保護層厚度50cm 普通混凝土具有比鈦鐵礦混凝土更大的輻射衰減程度，不同密度鈦鐵礦骨料混凝土對中子射線輻射衰減有影響，高密度重骨料對中子射線輻射衰減更為有效

17、，高密度重骨料可反射出更多輻射熱量大大減少了硬射線、二次俘獲射線產(chǎn)生，重骨料混凝土中間氣泡的出現(xiàn)增加了中子射線的透過率，導(dǎo)致了一個透過熱中子流峰值出現(xiàn)，重骨料混凝土中氣泡數(shù)量增加，混凝土對熱中子射線透過率增加；Makarious A S 等人研究了顯示褐鐵礦重骨料混凝土，特別是用密度為4.6g/cm3褐鐵礦制備的重混凝土具有比鈦鐵礦、褐鐵礦重混凝土、普通混凝土更佳的對、X、中子射線、低速中子射線輻射衰減效應(yīng)；Mortazav S M J 等人研究表明摻加方鉛礦（PbS）重骨料的混凝土具有比其他重骨料混凝土更好的對射線屏蔽效果；Ermichev S G等人研究表明使用核廢料貧UO2作為重骨料制備

18、防輻射混凝土可行；ElSayed Abdo A 等人對射線和快中子射線通過重晶石混凝土透過率檢測表明，射線和快中子射線強度隨重混凝土厚度的增加而減少，重晶石混凝土明顯減少射線和快中子射線透過率；Yarar YaSemin 等人研究使用硬硼酸鈣石、含硼鐵精礦作為骨料的重混凝土，研究了不同摻量硬硼酸鈣石混凝土抗壓強度與對中子屏蔽作用，比較了不同中子強度與輻射時間條件下，普通混凝土與重混凝土對放射性同位素輻射衰減程度，研究表明摻硬硼酸鈣石骨料重混凝土具有良好的屏蔽效果，制備屏蔽混凝土的硬硼酸鈣石合適摻量是10%；Chichester D L 等人發(fā)現(xiàn)含有聚乙烯、鉍的普通混凝土是理想中子射線屏蔽材料；

19、Akkurt I 等人發(fā)現(xiàn)含有BaSO4重金屬混凝土有更高射線輻射衰減系數(shù)；Bashter I I 等人對赤鐵礦、蛇紋石、鈦鐵礦、褐鐵礦重骨料混凝土對射線和中子射線輻射衰減程度影響及中子射線與輻射衰減程度與混凝土厚度之間相關(guān)性研究表明，赤鐵礦蛇紋石、鈦鐵礦、褐鐵礦重骨料混凝土對 射線和中子射線有很好的屏蔽效果；Facure A 等人研究了重晶石、磁鐵礦、鈦鐵礦、褐鐵礦、磷鐵骨料密度及不同混凝土厚度對中子透過率影響，骨料密度越大，中子透過率越小，且屏蔽效果越好；ElSayed Abdo A 對白云巖、重晶石重晶石、磁鐵礦褐鐵礦、鈦鐵礦鈦鐵礦等重骨料混凝土各組成成分對射線輻射衰減程度和吸收快中子效

20、率進行理論計算，計算出構(gòu)成重混凝土各個成分吸收快中子效率。制備防輻射混凝土除了要使用重金屬骨料以外，還需要摻加一定量外加成分。Akanshu Sharmaa等人研究了鉛纖維、鋼纖維和鉛與鋼混雜纖維對屏蔽混凝土力學(xué)性能（抗壓強度、劈裂抗拉強度、彎曲韌性）和射線屏蔽性能影響，摻加鋼纖維提高混凝土力學(xué)性能，但是不能提高混凝土對射線的衰減程度，鉛纖維與鈦纖維不能提高混凝土力學(xué)性能但是能顯著提高混凝土對射線的衰減程度，鋼纖維與鉛纖維鈦纖維混雜纖維能顯著提高混凝土力學(xué)性能與對射線的衰減程度；Gaoa X F 等人研究了水泥砂漿對放射線氡屏蔽效果表明聚合物水泥砂漿對氡射線有很好屏蔽效果，但是對 射線沒有太好

21、的屏蔽效果；Kharita M H 等人在赤鐵礦混凝土中摻加碳粉末，研究摻加碳粉末對混凝土屏蔽特性及碳粉末摻量與混凝土力學(xué)性能與射線衰減程度的關(guān)系，得出了摻加6%碳粉末能提高混凝土抗壓強度15%，隨著碳粉末摻量增加，混凝土對于射線和中子射線屏蔽效果減少的結(jié)論。2.1.3 礦物摻合料高性能混凝土摻加礦物摻合料能顯著提高混凝土的工作性能與耐久性能，防輻射混凝土中需加入一定比例礦物摻合料，礦物摻合料種類與摻量對防輻射混凝土工作性能與屏蔽性能有很大影響。Amritphale S S 等人使用赤泥作為輔助膠凝材料與氫氧化鋇和分散劑經(jīng)高壓與高溫處理制備出新型防射線材料，赤泥屏蔽材料力學(xué)性能滿足要求且對射線

22、具有比普通混凝土更好的屏蔽效果，在此基礎(chǔ)上對赤泥材料屏蔽射線微觀機理進行解釋；Sakr K ，EL M N A等人研究了硅粉、谷殼灰對重骨料混凝土力學(xué)性能與屏蔽性能、耐久性能的影響，摻加15%硅粉重骨料的混凝土具有高密度、抗壓強度、抗拉強度、抗折強度、粘接強度、彈性模量、輻射衰減度的特點，摻加谷殼灰重骨料混凝土具有良好抗硫酸鹽侵蝕、高強度射線能降低重骨料混凝土力學(xué)性能，而對摻有硅粉、谷殼灰摻料重骨料混凝土力學(xué)性能沒有明顯改變，摻加5%硅粉硬化水泥漿體是一種合適屏蔽射線材料。2.1.4 防輻射混凝土的配合比設(shè)計伍崇明等人用正交設(shè)計試驗方法、回歸分析方法，研究防輻射混凝土中用水量、砂率、水灰比對屏

23、蔽混凝土性能影響及與普通混凝土性能差異。防輻射混凝土抗壓強度隨水灰比增大而減小，呈現(xiàn)線性關(guān)系，水灰比比骨料種類對防輻射混凝土抗壓強度的影響更顯著；養(yǎng)護齡期對屏蔽混凝土密度值影響不明顯，屏蔽混凝土與普通混凝土的力學(xué)性能變化規(guī)律相同。提出了屏蔽混凝土配合比設(shè)計容重法和體積法相結(jié)合的計算方法，給出屏蔽混凝土配合比設(shè)計方法步驟。Mahdy M等人通過研究水膠比、摻合料摻量、骨料種類、砂率對重骨料混凝土和高強混凝土機械性能影響，得出摻加硅粉改善了混凝土界面結(jié)構(gòu)、由于增加混凝土內(nèi)聚力減少了混凝土泌水、混凝土過渡區(qū)厚度增加導(dǎo)致混凝土機械性能提高，硅粉最佳摻量為10% ，增加砂率重骨料混凝土和高強混凝土機械性

24、能有一定程度提高，骨料種類對重骨料混凝土和高強混凝土的機械性能幾乎沒有影響。2.2 防輻射混凝土研究存在的問題目前國內(nèi)外關(guān)于原材料對防輻射混凝土性能影響、礦物摻合料對防輻射混凝土性能影響、防輻射混凝土配合比設(shè)計、防輻射混凝土長期性能等方面已經(jīng)做了一些初步研究與探索，但是還存在下面的一些問題：1)、國內(nèi)外制備防輻射混凝土通常采用重混凝土技術(shù)，采用磁鐵礦石、褐鐵礦石或重晶石作粗細集料，引入充分數(shù)量結(jié)晶水和含硼、鋰等輕元素化合物是制備防輻射混凝土最為廣泛的一種方法，采用此方法制備防輻射混凝土其粗細集料可屏蔽射線，輕元素化合物能有效捕捉中子且不形成二次射線，對射線屏蔽作用較好，但由于骨料密度大、混凝土容重大，混凝土易離析、混凝土施工性能差，更為重要的是采用重混凝土方法制備防輻射混凝土?xí)哟蠼ㄖ镒灾睾蛯ㄖ飿痘A(chǔ)要求，還會給建筑物抗震性能帶來不利影響。采用新型、對射線具有良好吸收與反射性能的輕骨料或輕骨料和重骨料混摻技術(shù)是防輻射混凝土未來的研究方向與熱點問題。2）、單方防輻射混凝土的膠凝材料用量大、水化熱高，需通過采用摻加礦物摻合料技術(shù)來降低混凝土水化熱，減少混凝土收縮率，提高混凝土的密實性和混凝土抗開裂能力。但是目前關(guān)于礦物摻合料種類與摻量對防輻射混凝土屏蔽效果是正面還是負面、影響程度如何及何種礦