鋰輝石粉對防輻射超高性能混凝土性能的影響研究

胡利，李娟，丁慶軍，龔金華，周鵬，章毅

（1.軍事科學(xué)院國防工程研究院，北京 100850；2.武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

0 引言

當(dāng)今社會，核技術(shù)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)療[1]以及核電等領(lǐng)域，但其安全性也是一個值得注意的問題。核工程產(chǎn)生的核輻射會對人類的生命健康產(chǎn)生不利的影響[2]。核輻射主要包含α射線、β射線、γ射線以及中子射線。其中，中子射線具有很強(qiáng)的穿透力，且對人體的傷害更大，是最難屏蔽的射線之一。中子射線屏蔽材料一般有水、混凝土、石蠟等，其中混凝土是當(dāng)前使用最廣泛、價格最便宜的防輻射材料[3]。但普通混凝土應(yīng)用到核工程中存在以下問題：（1）屏蔽性能不夠[4]；（2）凍融破壞、有害離子侵蝕、鋼筋銹蝕，都會對普通防中子射線混凝土的耐久性能造成嚴(yán)重影響；（3）普通混凝土強(qiáng)度較低，限制了其在特殊工程的應(yīng)用[5-6]；（4）由于采用了很多重骨料，其自重大，容易產(chǎn)生離析的現(xiàn)象，導(dǎo)致施工困難[7]。防輻射混凝土作為核工程中的主要結(jié)構(gòu)材料，其力學(xué)性能、耐久性能是核工程安全的重要影響因素，不僅應(yīng)具有屏蔽射線功能，還應(yīng)具有良好的力學(xué)性能和耐久性能。因此，亟需研發(fā)出高強(qiáng)度、高耐久性能的防輻射混凝土，以滿足我國核工程安全防護(hù)的重大需求。超高性能混凝土（UHPC）具有超高抗壓強(qiáng)度、超高韌性和超高耐久性，在核廢料容器和核反應(yīng)堆防護(hù)罩等核工程中應(yīng)用前景廣闊[8]，可解決普通混凝土強(qiáng)度較低、耐久性較差等問題。而將UHPC應(yīng)用于核工程，還需關(guān)注其防輻射性能?；炷林屑尤雽χ凶游漳芰^好的氫、硼、鋰、鎘等元素材料，可使其屏蔽性能有較大提高。Morioka等[9]采用輻射能量為2.45、14 MeV的中子，研究了含硼混凝土的中子屏蔽性能，發(fā)現(xiàn)硼是一種較好的慢中子吸收材料。Korkut等[10]在重晶石混凝土中摻入硬硼酸鈣石，利用241Am-Be中子源測試其中子屏蔽性能，結(jié)果顯示，摻硬硼酸鈣石混凝土的中子屏蔽性能遠(yuǎn)優(yōu)于普通混凝土。伍崇明等[11]研究了結(jié)晶水含量較多的鈦鐵礦、蛇紋石混凝土，結(jié)果表明，兩者都可屏蔽快中子輻射。梁威等[12]、劉顯坤等[13]的研究發(fā)現(xiàn)，含鋰元素的材料如氟化鋰、氫氧化鋰等是優(yōu)良的慢中子吸收物質(zhì)。曾小義和黎澤偉[14]的研究表明，含鋰、硼等的單質(zhì)或化合物材料具有很大的中子吸收截面，能很好地吸收慢中子；但防中子射線元素材料的引入使得混凝土屏蔽性增強(qiáng)的同時材性也發(fā)生改變。Callan[15]的研究表明，將1%的硼元素材料摻入混凝土中，可使混凝土吸收熱中子的能力提高100倍，但是硼元素材料摻量及摻入方式會嚴(yán)重影響混凝土的力學(xué)性能[16]。韓建軍等[17]的研究發(fā)現(xiàn)，采用磁鐵礦完全取代河砂制備UHPC，其γ射線屏蔽性能明顯增強(qiáng)，半值層、十值層均下降23.85%，但其力學(xué)性能有所降低。陸建兵等[2]在防輻射砂漿中加入鉛粉，摻量較少時，其在體系中起到細(xì)集料填充作用，可改善孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高強(qiáng)度；但摻量過多時會破壞水化過程，嚴(yán)重影響其強(qiáng)度及耐久性能。

基于上述研究成果，將含鋰元素材料摻入UHPC中可提升其防中子性能，但鋰元素對UHPC強(qiáng)度等性能方面的影響少有研究。本文選取來源較廣、含有較多鋰元素[18]的鋰輝石粉，部分取代粉煤灰微珠摻入UHPC中，研究鋰輝石粉摻量對UHPC力學(xué)性能、工作性能以及耐久性能的影響，并給出建議的鋰輝石粉摻量，供實(shí)際工程應(yīng)用參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥：洋房牌P·Ⅱ52.5水泥；硅灰：四川某公司，比表面積21 000 m2/kg；粉煤灰微珠：天津某公司，非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，比表面積≥1300 m2/kg。水泥、硅灰和粉煤灰微珠的主要化學(xué)成分見表1。

表1 水泥、硅灰和粉煤灰微珠的主要化學(xué)成分 %

（2）鋰輝石粉：靈壽縣某公司，將鋰輝石破碎、粉磨成200目左右的粉狀料，外觀形貌見圖1，主要化學(xué)成分見表2。鋰輝石母巖的莫氏硬度為6.5～7.0，表觀密度為3.03～3.22g/cm3。

表2 鋰輝石粉的主要化學(xué)成分 %

（3）高鈦重礦渣砂：四川某集團(tuán)產(chǎn)，表觀密度3200 kg/m3，外觀形貌見圖2，主要化學(xué)成分見表3。

表3 高鈦重礦渣砂的主要化學(xué)成分 %

（4）膨脹劑：CaO-MgO復(fù)合型膨脹劑，比表面積3220cm2/g，水中7 d限制膨脹率為0.062%；減水劑：聚羧酸型高效減水劑，固含量50%，減水率30%～35%；鋼纖維：長度13 mm、直徑0.25 mm的平直鍍銅鋼纖維。

（5）拌合水：自來水。

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用最緊密堆積法進(jìn)行UHPC配合比設(shè)計：去除粗骨料，摻入超細(xì)活性礦物摻合料，可使UHPC內(nèi)部分子排列規(guī)律，內(nèi)部孔隙及裂縫大幅度減少，進(jìn)而增強(qiáng)UHPC的屏蔽性能[19]。采用鋰輝石粉等質(zhì)量取代粉煤灰微珠，鋰輝石粉摻量分別為0、10%、20%、30%、40%（1#～5#），配合比見表4。為保證多孔、高強(qiáng)的高鈦重礦渣砂內(nèi)養(yǎng)護(hù)效果，在試驗(yàn)之前先將其浸泡在水中預(yù)濕至飽水狀態(tài)。

表4 UHPC的配合比 kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試UHPC的擴(kuò)展度和坍落度；按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土》測試UHPC的力學(xué)性能；按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試UHPC的耐久性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋰輝石粉摻量對UHPC工作性能的影響（見表5）

表5 鋰輝石粉摻量對UHPC工作性能的影響

由表5可以看出，隨著鋰輝石粉摻量的增加，UHPC的坍落度和擴(kuò)展度均逐漸減小。這是因?yàn)椋轰囕x石粉的粒徑遠(yuǎn)小于粉煤灰微珠，在膠凝體系中能起到密實(shí)填充作用，使得膠凝漿體更為稠密，導(dǎo)致拌合物流動性明顯降低，而粉煤灰微珠粒徑更大一些，且為玻璃態(tài)球狀物質(zhì)，在漿體中的滾珠效果可減小摩擦作用，增大拌合物流動性。摻加0～40%鋰輝石粉不會對UHPC的坍落度產(chǎn)生不利影響。但當(dāng)鋰輝石粉摻量為40%時，UHPC的擴(kuò)展度僅為470 mm，施工性能嚴(yán)重下降。根據(jù)GB 50164—2011《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》，泵送高強(qiáng)混凝的擴(kuò)展度不宜低于500 mm，且在滿足施工要求的前提下，應(yīng)盡可能采用較小的坍落度。因此，為保證UHPC具有較好的工作性能，建議鋰輝石粉摻量不超過30%。

2.2 鋰輝石粉摻量對UHPC力學(xué)性能的影響（見表6）

表6 鋰輝石粉摻量對UHPC力學(xué)性能的影響

由表6可以看出，隨著鋰輝石粉摻量的增加，UHPC的抗壓和抗彎拉強(qiáng)度均先提高后降低。鋰輝石粉摻量為30%時，抗壓強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度最高，28 d抗壓強(qiáng)度為152.9 MPa、28 d抗彎拉強(qiáng)度為25.5 MPa；隨著鋰輝石粉摻量繼續(xù)增大至40%，UHPC的抗壓和抗彎拉強(qiáng)度明顯下降，與摻量為30%時相比，抗壓和抗彎拉強(qiáng)度分別降低了12.1%、7.8%。這是由于鋰輝石粉的粒徑遠(yuǎn)小于粉煤灰，可進(jìn)入到界面過渡區(qū)，起到密實(shí)填充作用，從而改善界面過渡區(qū)的微結(jié)構(gòu)，使UHPC的力學(xué)性能得到提高。但鋰輝石粉摻量過多時，由于其比表面積過大，不具有粉煤灰微珠的“滾珠效應(yīng)”，且活性相對粉煤灰微珠更低，不參與后期的水化反應(yīng)，導(dǎo)致UHPC的力學(xué)性能降低。

2.3 鋰輝石粉對UHPC耐久性能的影響

UHPC的耐久性能反映其服役能力，主要指標(biāo)包括：抗氯離子滲透性能、抗?jié)B性能、抗硫酸鹽侵蝕性能和碳化深度等。對不同鋰輝石粉摻量UHPC的耐久性能進(jìn)行測試，并將測試結(jié)果與文獻(xiàn)[20]中C50高鈦重礦渣砂混凝土（6#）進(jìn)行對比，測試結(jié)果見表7。其中，在使用電通法測試時，考慮到鋼纖維具有導(dǎo)電性能，因此采用無纖維砂漿試塊進(jìn)行測試。

表7 鋰輝石粉摻量對UHPC耐久性能的影響

由表7可以看出：（1）各組UHPC的氯離子滲透系數(shù)均＜1.5×10-12m2/s，RCM評定等級均達(dá)到了RCM-Ⅴ，抗氯離子滲透性能優(yōu)于C50高鈦重礦渣砂混凝土；（2）各組UHPC抗?jié)B等級均為P28，遠(yuǎn)高于抗?jié)B等級為P20的C50高鈦重礦渣砂混凝土；（3）經(jīng)150次干濕循環(huán)后，各組UHPC抗壓強(qiáng)度基本不變，評定等級均能達(dá)到KS150，與C50高鈦重礦渣砂混凝土相比，抗硫酸鹽侵蝕性能優(yōu)異；（4）在內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密的UHPC試件中，CO2的擴(kuò)散受到阻礙，各組試件碳化深度都為0，抗碳化性能良好。

本研究制備的UHPC耐久性能明顯優(yōu)于C50高鈦重礦渣砂混凝土的原因在于：在UHPC材料組分中，活性硅灰的填充密實(shí)作用使其內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常致密，且本文試驗(yàn)所使用的砂為多孔高鈦重礦渣砂，具有“緩釋水”作用，可改善界面過渡區(qū)，在水化后期補(bǔ)償收縮，使結(jié)構(gòu)更為致密。采用不同比例鋰輝石粉取代粉煤灰微珠對UHPC長期耐久性能幾乎沒有影響。綜合力學(xué)性能、工作性能和耐久性能，為獲得更好的中子射線屏蔽效果，建議以鋰輝石粉取代30%粉煤灰微珠。

3 結(jié)論

（1）隨著鋰輝石粉摻量的增加，UHPC拌合物的坍落度和擴(kuò)展度逐漸減小，這是由于小粒徑的鋰輝石粉使拌合物流動性降低造成的，鋰輝石粉摻量不超過30%時UHPC具有較好的工作性能。

（2）隨著鋰輝石粉摻量的增加，UHPC的抗壓和抗彎拉強(qiáng)度均先提高后降低，鋰輝石粉摻量為30%時，抗壓和抗彎拉強(qiáng)度最高，28 d抗壓強(qiáng)度為152.9 MPa、28 d抗彎拉強(qiáng)度為25.5 MPa。

（3）摻0～40%鋰輝石粉的UHPC耐久性能明顯優(yōu)于C50高鈦重礦渣砂混凝土，且在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，鋰輝石粉摻量對UHPC的耐久性能幾乎沒有影響。

（4）綜合力學(xué)性能、工作性能和耐久性能，建議UHPC中鋰輝石粉取代30%粉煤灰微珠較為適合。