新型核電站赤鐵礦屏蔽混凝土試驗(yàn)研究

劉元秀 張建平 張會(huì)玲

（四川中核艾瑞特工程檢測(cè)有限公司，四川 綿陽(yáng) 621000）

1 前言

某新型核電站建造過(guò)程中，應(yīng)用了大量的屏蔽混凝土和不銹鋼制作的水池，應(yīng)該將本工程比較成熟的屏蔽混凝土工程建造技術(shù)推廣應(yīng)用，新型核電站建設(shè)過(guò)程中有大量的不銹鋼水箱需要進(jìn)行X射線檢測(cè)，射線設(shè)備的存放必須放置在具有屏蔽效果的混凝土構(gòu)筑物中。為保證射線設(shè)備存儲(chǔ)及試驗(yàn)的安全可靠，本公司開(kāi)展了新型核電站屏蔽混凝土應(yīng)用的研究，開(kāi)展了混凝土配合比的研究、混凝土模塊化制作的研究，并對(duì)屏蔽混凝土的屏蔽效果進(jìn)行了射線比對(duì)試驗(yàn)。

本混凝土建造模塊適用于防止射線輻射構(gòu)筑物的建造，主要用于防X射線的混凝土構(gòu)筑物，如需防止γ射線應(yīng)適當(dāng)增加混凝土模塊的厚度，屬于防輻射工程建造技術(shù)領(lǐng)域，涉及《核電廠屏蔽混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》、《混凝土工程生物防護(hù)用重混凝土》、《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》等。

2 背景技術(shù)

鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的成熟運(yùn)用極大的推進(jìn)了無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，射線檢測(cè)是無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中應(yīng)用較為廣泛的檢測(cè)技術(shù)，并且射線檢測(cè)存在一定的輻射隱患。新型核電站建設(shè)過(guò)程中有大量的不銹鋼水箱需要進(jìn)行X射線檢測(cè)。射線設(shè)備的存放必須放置在具有屏蔽效果的混凝土構(gòu)筑物中，此前存放射線設(shè)備的曝光室房間墻壁為普通混凝土，厚度不小于80cm，占地面積較大，施工周期長(zhǎng)較繁瑣。采用屏蔽混凝土的建造模塊后，屏蔽射線效果相同的條件下，可減小混凝土墻體的體積，縮短施工周期。該防輻射混凝土構(gòu)筑物建造模塊可用于醫(yī)院、學(xué)校、無(wú)損檢測(cè)機(jī)構(gòu)的射線檢測(cè)室的建造。

赤鐵礦混凝土屏蔽機(jī)理：現(xiàn)有技術(shù)中較少使用由赤鐵礦細(xì)骨料、赤鐵礦粗骨料、水泥、水、外加劑組成的屏蔽混凝土，本課題研究的屏蔽混凝土基于赤鐵礦具有天然屏蔽射線輻射的效果。赤鐵礦的化學(xué)成分為α-Fe2O3，晶體屬六方晶系的氧化物礦物。赤鐵礦，是氧化鐵的主要礦物形式。赤鐵礦密度大硬度高。赤鐵礦內(nèi)的鐵含量高達(dá)70%，因其鐵的產(chǎn)出量高，量大便于開(kāi)采，所以是重要的鐵礦石。結(jié)晶水中氫原子核對(duì)高速中子具有良好的防護(hù)作用，而結(jié)晶水中含有較多的氫元素。赤鐵礦的結(jié)晶水含量較少，占2%左右，褐鐵礦結(jié)晶水含量較高，占11%左右。而防護(hù)γ射線、X射線可以選用高密度高硬度的赤鐵礦，因此，本防輻射混凝土研究主要采用密度較高的赤鐵礦制作。

防輻射混凝土又稱屏蔽混凝土，容重較大，約為普通混凝土的1.5倍，對(duì)X射線、γ射線以及中子輻射具有屏蔽能力，射線穿透的混凝土阻力較大。本次研究的混凝土膠凝材料采用硅酸鹽水泥，赤鐵礦屏蔽混凝土，可以有效地減弱中子流的穿透強(qiáng)度。赤鐵礦屏蔽混凝土可用作鉛、鋼等昂貴防射線材料的替代品，是應(yīng)用較廣的用于屏蔽X射線、中子和γ射線輻射作用的混凝土，可以用于核輻射防護(hù)廠房、核島反應(yīng)堆、粒子加速器、醫(yī)院射線室等工程設(shè)施的防護(hù)。

3 研究?jī)?nèi)容

本研究涉及赤鐵礦屏蔽混凝土配合比2項(xiàng)。

利用赤鐵礦石和礦砂配制出兩種強(qiáng)度的具有屏蔽射線效果的混凝土配合比C40、C60，該配合比坍落度可調(diào)整至混凝土便于施工的區(qū)間，混凝土密度達(dá)到3500kg/m3至3800kg/m3。

赤鐵礦石、礦砂：礦石、礦砂作為混凝土的粗細(xì)骨料，是混凝土的主要成分。在混凝土中起骨架或填充作用的粒狀松散材料，級(jí)配優(yōu)良、質(zhì)地堅(jiān)硬的骨料有利于提高混凝土的強(qiáng)度。赤鐵礦砂、礦石另一個(gè)主要作用是屏蔽射線和輻射，赤鐵礦的化學(xué)成分為α-Fe2O3，晶體屬六方晶系的氧化物礦物，可以減弱中子流的穿透強(qiáng)度，用于屏蔽X射線、γ射線和中子輻射。

圖1 C40屏蔽混凝土坍落度120mm

圖2 C60屏蔽混凝土坍落度125mm

圖3 X射線對(duì)比試驗(yàn)1-1左邊屏蔽右邊普通

本次試驗(yàn)使用的赤鐵礦砂為2區(qū)中砂的機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.9，表觀密度4220kg/m3，堆積密度2360kg/m3。赤鐵礦石為5-25mm連續(xù)級(jí)配碎石，表觀密度4280kg/m3，堆積密度2290kg/m3。

通過(guò)對(duì)赤鐵礦混凝土配合比的研究和使用，確定了赤鐵礦屏蔽混凝土配合比2個(gè)，混凝土和易性、施工效果良好；通過(guò)屏蔽混凝土模塊進(jìn)行X射線檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)，找到該屏蔽混凝土與普通混凝土防輻射的比例關(guān)系。

赤鐵礦屏蔽混凝土的優(yōu)勢(shì)：經(jīng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)X射線輻射對(duì)比試驗(yàn)，赤鐵礦混凝土的屏蔽效果是普通混凝屏蔽效果的3倍，但赤鐵礦混凝土密度（3600kg/m3）只有普通混凝土密度（2400kg/m3）的1.5倍。由此得出，如果想要達(dá)到相同的屏蔽效果，使用屏蔽混凝土的質(zhì)量只有普通混凝土的1/2。赤鐵礦屏蔽混凝土采用的是赤鐵礦作為粗骨料和細(xì)骨料，未添加其他硬質(zhì)骨料（鐵質(zhì)、鉛質(zhì)），便于加工，避免攪拌設(shè)備的過(guò)早老化。

選擇兩種不同類(lèi)型的材料及各自占比的優(yōu)勢(shì)：選擇兩種不同類(lèi)型的骨料，使混凝土骨料能相互填充，充分混合。選擇合理砂率（砂占砂、石總質(zhì)量的百分率），使兩種骨料混合后密度最大，利于混凝土的拌合物性能（混凝土坍落度、經(jīng)時(shí)損失等）的提高，可使屏蔽效果達(dá)到最佳。赤鐵礦石級(jí)配可為5-25mm連續(xù)粒級(jí)，赤鐵礦砂為Ⅱ區(qū)中砂。赤鐵礦也可按0-8、8-25級(jí)配供貨。

4 關(guān)鍵措施方法

柱和梁可采用C40-C60屏蔽混凝土配合比制作（也可現(xiàn)澆），樓板或墻板可采用C25-C45屏蔽混凝土配合比制作，配合比分別見(jiàn)表1。

表1 赤鐵礦混凝土原材料摻量及坍落度建議范圍

屏蔽（赤鐵礦）混凝土配合比攪拌工藝，根據(jù)試驗(yàn)赤鐵礦容易吸附外加劑且吸水效果不同于普通混凝土骨料，攪拌工藝如下：

第一步，將粗骨料、細(xì)骨料、水泥加入攪拌機(jī)內(nèi)，攪拌5-20s。

第二步，將拌合水和外加劑總量的各60%-90%加入到攪拌機(jī)內(nèi)，攪拌50-360min。

第三步，將剩余的拌合水和外加劑加入攪拌機(jī)內(nèi)，攪拌10-120s。卸料。

5 分析結(jié)論

通過(guò)對(duì)防輻射混凝土配合比試驗(yàn)及研究，兩個(gè)區(qū)段的配合比2種，混凝土配合比經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)效果良好，具有較高的實(shí)用性和推廣性；制作了防輻射模塊的模擬件，經(jīng)曝光室內(nèi)的輻射對(duì)比試驗(yàn)屏蔽混凝土屏蔽效果良好，達(dá)到屏蔽的目的，該模塊化制作具有科學(xué)依據(jù)、合理，可減少不必要的浪費(fèi)。

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，證明了屏蔽混凝土模塊的屏蔽效果，具有良好的實(shí)用性。對(duì)防輻射混凝土配合比及防輻射構(gòu)筑物建造模塊的試驗(yàn)，規(guī)定了赤鐵礦防輻射混凝土的配比和施工時(shí)的建議坍落度，便于施工。該屏蔽混凝土的屏蔽效果良好，實(shí)用性強(qiáng)。

通過(guò)屏蔽混凝土拌合物性能研究，證明混凝土坍落度為60-150mm時(shí)，混凝土拌合物性能無(wú)泌水離析情況出現(xiàn)，混凝土澆筑密實(shí)、均勻，無(wú)骨料下沉等嚴(yán)重狀況出現(xiàn)。此坍落度情況下，較好的實(shí)現(xiàn)混凝土的輸送和運(yùn)輸。