褐鐵礦混凝土力學(xué)性能及γ射線屏蔽性能試驗(yàn)研究

王圳倫陳振富,2倪 康葉 濤吳文濤唐壽康

（1南華大學(xué)土木工程學(xué)院；2高性能混凝土湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

近年來，我國核電裝機(jī)規(guī)模不斷增加，據(jù)中國核能行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計(jì)，截至2020年9月底，我國核電機(jī)組達(dá)到47臺，總裝機(jī)容量為5102.7萬千瓦，僅次于美國和法國，位列全球第三。然而，核反應(yīng)產(chǎn)生大量的α、β、γ中子射線等，對人體及周邊生物構(gòu)成重大威脅，因此研究防輻射材料具有重大意義。

目前常采用磁鐵礦、鈦鐵礦、重晶石、褐鐵礦、鋼丸等重骨料來配制防輻射混凝土[1-2]。Abdo和Akkurt等人[3-4]采用重晶石配制防輻射混凝土，發(fā)現(xiàn)重晶石混凝土對慢中子、快中子和伽馬射線有較好的屏蔽效果，并指出線性衰減系數(shù)不依賴于水灰比和抗壓強(qiáng)度，而是隨著混凝土密度的增加而增加。Lotfi-Omran[5]等研究不同水灰比對磁鐵礦混凝土力學(xué)性能及屏蔽性能的影響，發(fā)現(xiàn)磁鐵礦混凝土的力學(xué)性能、屏蔽性能和微觀結(jié)構(gòu)隨著水灰比的降低都有所改善。以磁鐵礦、鈦鐵礦、重晶石等為骨料的防輻射混凝土國內(nèi)外已經(jīng)有大量文獻(xiàn)報(bào)道其具有良好的γ射線屏蔽效果，但因其內(nèi)部結(jié)晶水含量很低，對中子射線屏蔽效果不佳。而褐鐵礦(2Fe2O3·3H2O)由于其內(nèi)部結(jié)合水含量高達(dá)10%～18%，密度為3200～4000kg/m3，被認(rèn)為是制備防輻射混凝土的良好骨料[6]。Berna等人[7]采用褐鐵礦、碎石作骨料配制不同骨料混凝土，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)褐鐵礦作粗細(xì)骨料具有最佳的中子屏蔽性能，并采用五參數(shù)幾何級數(shù)（G-P）擬合法計(jì)算伽馬射線能量吸收（EABF）和暴露累積因子（EBF），結(jié)果表明褐鐵礦混凝土具有出色的伽馬射線屏蔽性能。

當(dāng)前對褐鐵礦混凝土的物理力學(xué)性能及防輻射性能有關(guān)報(bào)道很少。因此本試驗(yàn)采用褐鐵礦作為混凝土的粗、細(xì)集料，通過力學(xué)試驗(yàn)和伽馬射線屏蔽試驗(yàn)對褐鐵礦混凝土進(jìn)行深入探究。

1 原材料和配合比

1.1 試驗(yàn)原材料

原材料有水泥、褐鐵礦砂、褐鐵礦石、普通碎石及河砂，褐鐵礦原料選自貴陽某礦山，其化學(xué)成分如表1所示。

⑴水泥：采用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥。

⑵細(xì)骨料：0～5mm褐鐵礦砂，表觀密度3447kN/m3，24h吸水率9.4%，屬于中砂，級配良好，篩分曲線如圖1(a)所示；0～5mm河砂，屬于中砂，表觀密度2623kN/m3，篩分曲線如圖1(b)所示。

⑶粗骨料：5～20mm褐鐵礦石，表觀密度3549kN/m3，24h吸水率4.8%；5～20mm普通碎石，表觀密度2713kN/m3。褐鐵礦骨料如圖2所示。

表1 褐鐵礦主要化學(xué)成分(%)

圖1 細(xì)骨料篩分曲線

1.2 配合比設(shè)計(jì)及試件制備

配合比參照相關(guān)規(guī)范，考慮到褐鐵礦骨料吸水率超出一般范圍，避免褐鐵礦骨料在攪拌過程中吸收拌合水，在預(yù)攪拌混凝土?xí)r提前使其吸水，在拌合混凝土?xí)r不至于影響新拌混凝土的和易性。根據(jù)褐鐵礦骨料24h吸水率和不同預(yù)濕水下混凝土的工作性能確定了預(yù)濕水量，預(yù)濕水占褐鐵礦骨料質(zhì)量的1%。經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室反復(fù)試配，最終確定配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比(kg/m3)

試驗(yàn)分別制作了尺寸為150mm×150mm×150mm、100mm×100mm×100mm的褐鐵礦混凝土試件及同等數(shù)量的普通混凝土試件，24h脫模后立即放入溫度20±2℃，濕度為95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，用于測試試塊力學(xué)性能及伽馬射線屏蔽性能。

2 試驗(yàn)裝置與方法

2.1 力學(xué)性能試驗(yàn)

混凝土抗壓強(qiáng)度測試采用TYE-2000B型壓力試驗(yàn)機(jī)，在試驗(yàn)過程中為滿足精度要求以12kN/s連續(xù)加載，加載到破壞，并記錄破壞荷載。依據(jù)規(guī)范[8]計(jì)算公式如下：

式中,

fcc——混凝土立方體抗壓強(qiáng)度（MPa）；

F——試件破壞荷載（N）；

A——試件承壓面積（mm2）。

圖2 褐鐵礦骨料

2.2 屏蔽性能試驗(yàn)

使用BH3216型核技術(shù)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行屏蔽性能測試，其主要有γ放射源鉛室，NaI探測器，計(jì)數(shù)系統(tǒng)等三部分組成如圖3所示，γ放射源為137Cs。在進(jìn)行伽馬射線屏蔽實(shí)驗(yàn)之前，首先要對放射源、鉛室穿孔、NaI探測器進(jìn)行調(diào)整使其在一條直線上，在測量材料的屏蔽性能之前，應(yīng)先測試儀器的本底放射性，關(guān)閉鉛室放射源，測量本底計(jì)數(shù)C0。γ射線通過試樣的線性衰減系數(shù)[9]（μ）由式⑵計(jì)算。

圖3 γ射線屏蔽試驗(yàn)示意圖

式中：I0=N0－C0，I=N－C0

x是樣品厚度，N和N0分別在有和沒有試樣的情況下檢測器中記錄的計(jì)數(shù)，I和I0分別在有和沒有試樣的情況下檢測器中記錄的計(jì)數(shù)的本底扣除數(shù)。此外屏蔽效果還可以用半值層(HVL)和十分值層(TVL)衡量，分別表示射線強(qiáng)度衰減到一半和衰減到十分之一的厚度，計(jì)算公式為：

將養(yǎng)護(hù)28d的6個(gè)100mm×100mm×100mm的立方體混凝土(褐鐵礦和普通混凝土)，切割成尺寸為100mm×100mm×30mm的板塊，如圖4所示。由于本實(shí)驗(yàn)采用的核技術(shù)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)平臺γ射線源為單點(diǎn)照射，為測試不同部位，減小誤差，將試塊表面按圖5標(biāo)記9個(gè)點(diǎn)，作為測試點(diǎn)。每塊板測試前先測量本底數(shù)和γ射線初始光子通量數(shù)，之后按照9個(gè)測試點(diǎn)的分布位置進(jìn)行重復(fù)性測量并取平均值[10]。

圖4 伽馬屏蔽試驗(yàn)試塊

圖5 屏蔽試驗(yàn)測試點(diǎn)分布

3 結(jié)果與分析

3.1 抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

取在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)7d、14d、28d的褐鐵礦混凝土和普通混凝土試塊分別作抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6。從圖6中可以看出褐鐵礦混凝土在7d、14d、28d的抗壓強(qiáng)度均大于普通混凝土，分別增加了33.9%、27.4%，18.4%。經(jīng)分析認(rèn)為相同水灰比下褐鐵礦混凝土強(qiáng)度高于普通混凝土的主要原因有兩點(diǎn)：

⑴褐鐵礦屬于多孔結(jié)構(gòu)，表面粗糙，吸水性強(qiáng)，水化初期粗細(xì)骨料與砂漿交界面不會有過多水分，而隨著水化反應(yīng)的不斷推進(jìn)，孔隙外部水分消耗完成，褐鐵礦內(nèi)部的水分在此時(shí)會由于孔內(nèi)外壓差滲出繼續(xù)參與水化，水泥砂漿進(jìn)入礦石內(nèi)部孔隙，形成內(nèi)嵌，提高了礦石的強(qiáng)度。

⑵如圖1褐鐵礦砂篩分曲線均在2級配區(qū)范圍內(nèi)，而河砂的篩分曲線有一部分在2級配區(qū)外，這說明褐鐵礦砂級配更好，且發(fā)現(xiàn)河砂粒徑在1mm以下的較多，即比表面比較大，需要水泥漿體較多，在相同水灰比和相同砂率下，普通混凝土形成的水泥砂漿包裹性比較差，導(dǎo)致水泥砂漿與粗骨料界面粘結(jié)性差，進(jìn)而導(dǎo)致普通混凝土強(qiáng)度低于褐鐵礦混凝土。

圖6 混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度

為更好比較各個(gè)齡期的發(fā)展規(guī)律，分別以褐鐵礦混凝土和普通混凝土28d的抗壓強(qiáng)度為基準(zhǔn)，繪制發(fā)展強(qiáng)度百分比柱狀圖，如圖7所示。褐鐵礦混凝土在7d齡期強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到28d齡期強(qiáng)度的77.4%，而普通混凝只達(dá)到68.4%。另外通過圖7還可以看出褐鐵礦混凝土在7d齡期后其強(qiáng)度發(fā)展非常緩慢，這說明褐鐵礦混凝土的強(qiáng)度主要在養(yǎng)護(hù)前期發(fā)展。

圖7 混凝土各齡期發(fā)展強(qiáng)度百分比

褐鐵礦混凝土在養(yǎng)護(hù)早期發(fā)展強(qiáng)度快的主要原因是褐鐵礦中含有較多的鋁元素，在混凝土中鋁元素以硫酸鋁等化合物存在，在水溶液中游離的Al3+能在極短的時(shí)間內(nèi)加速水泥的水化[11]。

3.2 伽馬射線屏蔽性能

γ射線衰減程度主要是由屏蔽材料本身對射線的吸收程度決定的。材料的屏蔽性能通常用線性衰減系數(shù)表示，其值越大屏蔽效果就越好。通過試驗(yàn)測得光子通量數(shù)與褐鐵礦混凝土厚度之間的關(guān)系如圖8 所示，通過非線性擬合，可以看出隨著厚度的增加光子通量數(shù)呈指數(shù)衰減，與指數(shù)BeereLambert 定律[12]吻合較好。根據(jù)式⑵可得不同厚度下的線性衰減系數(shù)μ，如圖9 所示，可以看出同種材料不同厚度下線性衰減系數(shù)上下波動(dòng)，這是因?yàn)樵跍y量過程中存在厚度誤差和計(jì)數(shù)誤差，為減小誤差以Ln(I0/I)為縱坐標(biāo)，厚度為橫坐標(biāo)繪圖，然后進(jìn)行線性擬合，如圖10 所示，曲線斜率即為μ。由圖10可知褐鐵礦混凝土和普通混凝土的線性衰減系數(shù)μ 分別為0.02053mm-1和0.01745mm-1。褐鐵礦混凝土的線性衰減系數(shù)明顯大于普通混凝土的，說明褐鐵礦混凝土對γ 射線具有良好的屏蔽性能。

圖8 光子通量與褐鐵礦混凝土板厚度之間的關(guān)系

圖9 γ 射線在不同厚度中的線性衰減系數(shù)

圖10 線性擬合得到的線性衰減系數(shù)

為更直觀反應(yīng)普通混凝土和褐鐵礦混凝土的屏蔽效果，采用半值層和十分值層式⑶和式⑷計(jì)算普通混凝土和褐鐵礦混凝土的屏蔽厚度，計(jì)算結(jié)果如表3 所示。由表3 可知，普通混凝土使γ 射線能量衰減一半時(shí)所需混凝土厚度為39.7mm，而褐鐵礦混凝土只需33.8mm。普通混凝土使γ 射線能量衰減到十分之一時(shí)所需混凝土厚度為132mm，而褐鐵礦混凝土厚度只需112.2mm，減少厚度約15%。

表3 普通混凝土和褐鐵礦混凝土的HVL 和TVL

4 結(jié)論

⑴本試驗(yàn)采用褐鐵礦砂和褐鐵礦石成功配制出了結(jié)晶水含量為6.8%、密度在2826㎏/m3的褐鐵礦混凝土。

⑵同水灰比下褐鐵礦混凝土抗壓強(qiáng)度高于普通混凝土，且發(fā)現(xiàn)褐鐵礦混凝土在7d 齡期強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到了28d 齡期強(qiáng)度的77.4%，而普通混凝只達(dá)到68.4%，這一規(guī)律與普通混凝土大不相同，建議在施工過程中要注重褐鐵礦混凝土的前期養(yǎng)護(hù)。

⑶通過γ 射線屏蔽試驗(yàn)，表明所配制的褐鐵礦混凝土比普通混凝土屏蔽效果更好，減少厚度約15%。