一种基于重晶石的防辐射混凝土的制作方法

本发明属于建筑材料技术领域，具体地，涉及一种基于重晶石的防辐射混凝土。

背景技术：

随着核工业的发展和放射性同位素在工业、农业、医疗和电子领域的应用，为了防止核射线外泄对人体产生伤害，需要防辐射的特种材料。现有的辐射防护材料主要是以下几类：(1)金属防护材料，最常见的就是铅材料。铅材料不仅对低能和高能的x光子和γ光子均具有优异的屏蔽性能，而且加工方便，产量充足；(2)辐射防护玻璃，通过将碳酸钡、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯先后混合，经自由共聚能够制备出防辐射性能、硬度以及耐热性优良的有机钡玻璃。(3)金属基复合防护材料，金属基复合屏蔽材料是一类以轻金属为基体，具有抗辐射强化相的复合材料。

重晶石是一种以硫酸钡为主要成分的非金属矿物，密度为4.3～4.5g/cm³，莫氏硬度为3～3.5，化学性质稳定，不溶于水和盐酸，无毒性、磁性，易吸收x射线和γ射线。

目前，国外利用重晶石制作防辐射材料的应用研究相对较多，如以重晶石为粗细骨料制作的重晶石混凝土可以增加混凝土静观密度和密实性，对x射线和γ射线有优良的屏蔽性能。然而，目前基于重晶石的混凝土的防辐射性能仍有待进一步提高。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题中的至少一个，本发明采取的技术方案如下：

本发明提供一种基于重晶石的防辐射混凝土，包括以下重量份组分：270-300份水泥、1350～1500份重晶石、700～850份重晶石砂、350～500份硼矿砂、60-90份膨胀剂、7-10份减水剂、70-85份掺合料和150-200份水，其中，所述重晶石表观密度为3800～3950kg/m3，级配为8～20mm；所述重晶石砂的级配为0.13～1.25mm；所述硼矿砂的级配为0.17～2.74mm。

混凝土膨胀剂是抵抗混凝土收缩开裂的材料，在地下工程和大体积工程中已普遍使用。重晶石防辐射混凝土要求混凝土密实、匀质、无空洞、无裂缝。且一般设计在地下，大多为大体积混凝土工程。重晶石防辐射混凝土可选用混凝土膨胀剂，但考虑到重晶石防辐射混凝土对表观密度的要求宜选用高效混凝土膨胀剂。

在本发明的一些实施中，所述膨胀剂为uea膨胀剂。加入uea膨胀剂，可拌制成补偿收缩混凝土，拌水后生成大量的膨胀性结晶水化物—钙矾石，在钢筋邻位的约束下它产生的膨胀能转变成0.2～0.7mpa预压力，这一压力可抵消混凝土干缩产生的拉应力，防止或减少混凝土收缩开裂，并使混凝土密实化。

在本发明的一些实施方案中，所述重晶石、重晶石砂、硼矿砂的级配表如下：

在本发明的一些实施方案中，所述水泥选自硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、高铝水泥、镁质水泥、钡水泥、锶水泥、含硼水泥中的一种或多种。

减水剂是在混凝土坍落度基本相同的条件下，能减少用水量的外加剂，减水剂主要用于改善混凝土拌合物的性能，即减少用水量，提高坍落度，改善工作性。在本发明的一些实施方案中，所述减水剂为氨基磺酸盐系高效减水剂。在本发明的一些具体实施方案中，所述氨基磺酸盐系高效减水剂具有式(i)所示分子式：

在本发明中，所述氨基磺酸盐系高效减水剂由氨基苯磺酸纳、苯酚以及甲醛按摩尔比2:1.23:2.7，在105℃、ph9.3条件下加成而成。

在本发明的一些实施方案中，所述掺合料为粉煤灰。在本发明的一些具体实施方案中，所述粉煤灰为i级粉煤灰。

在本发明中，所述辐射为α线辐射、β线辐射、γ线辐射、x线辐射和/或中子辐射。

本发明的有益效果

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明的防辐射混凝土由于原料选择或者制备合理、配比合适，在重晶石表观密度约3850kg/m³，得到的混凝土表观密度甚至达到3600kg/m³以上，远远超出预期。

本发明的防辐射混凝土具有良好的力学性能，以28d抗压强度(mpa)、28d劈拉强度(mpa)、28d轴心抗压强度(mpa)和弹性模量(mpa)作为示例，明显高于各对比混凝土，具有优良的防辐射性能。

一般情况下，由于掺入重晶石，混凝土拌合物的线性膨胀系数会随之增大，然而，防辐射混凝土#1、防辐射混凝土#2、防辐射混凝土#3的线性膨胀系数并没有高于对比混凝土#1，热稳定性较好。

本发明的防辐射混凝土对γ射线辐射和中子辐射的线性衰减系数明显高于各对比混凝土，并且远远高于不含重晶石的对比混凝土，甚至显著高于商业化防辐射混凝土。

附图说明

图1示出了本发明实施例制备的各混凝土对γ线辐射的线性衰减系数。

图2示出了本发明实施例制备的各混凝土对中子辐射的线性衰减系数。

具体实施方式

除非另有说明、从上下文暗示或属于现有技术的惯例，否则本申请中所有的份数和百分比都基于重量，且所用的测试和表征方法都是与本申请的提交日期同步的。在适用的情况下，本申请中涉及的任何专利、专利申请或公开的内容全部结合于此作为参考，且其等价的同族专利也引入作为参考，特别这些文献所披露的关于本领域中的合成技术、产物和加工设计、聚合物、共聚单体、引发剂或催化剂等的定义。如果现有技术中披露的具体术语的定义与本申请中提供的任何定义不一致，则以本申请中提供的术语定义为准。

本申请中的数字范围是近似值，因此除非另有说明，否则其可包括范围以外的数值。数值范围包括以1个单位增加的从下限值到上限值的所有数值，条件是在任意较低值与任意较高值之间存在至少2个单位的间隔。例如，如果记载组分、物理或其它性质(如分子量，熔体指数等)是100至1000，意味着明确列举了所有的单个数值，例如100，101，102等，以及所有的子范围，例如100到166，155到170，198到200等。对于包含小于1的数值或者包含大于1的分数(例如1.1，1.5等)的范围，则适当地将1个单位看作0.0001，0.001，0.01或者0.1。对于包含小于10(例如1到5)的个位数的范围，通常将1个单位看作0.1。这些仅仅是想要表达的内容的具体示例，并且所列举的最低值与最高值之间的数值的所有可能的组合都被认为清楚记载在本申请中。

关于化学化合物使用时，除非明确地说明，否则单数包括所有的异构形式，反之亦然(例如，“己烷”单独地或共同地包括己烷的全部异构体)。另外，除非明确地说明，否则用“一个”，“一种”或“该”形容的名词也包括其复数形式。

术语“包含”，“包括”，“具有”以及它们的派生词不排除任何其它的组分、步骤或过程的存在，且与这些其它的组分、步骤或过程是否在本申请中披露无关。为消除任何疑问，除非明确说明，否则本申请中所有使用术语“包含”，“包括”，或“具有”的组合物可以包含任何附加的添加剂、辅料或化合物。相反，出来对操作性能所必要的那些，术语“基本上由……组成”将任何其他组分、步骤或过程排除在任何该术语下文叙述的范围之外。术语“由……组成”不包括未具体描述或列出的任何组分、步骤或过程。除非明确说明，否则术语“或”指列出的单独成员或其任何组合。

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。

实施例

以下例子在此用于示范本发明的优选实施方案。本领域内的技术人员会明白，下述例子中披露的技术代表发明人发现的可以用于实施本发明的技术，因此可以视为实施本发明的优选方案。但是本领域内的技术人员根据本说明书应该明白，这里所公开的特定实施例可以做很多修改，仍然能得到相同的或者类似的结果，而非背离本发明的精神或范围。

除非另有定义，所有在此使用的技术和科学的术语，和本发明所属领域内的技术人员所通常理解的意思相同，在此公开引用及他们引用的材料都将以引用的方式被并入。

那些本领域内的技术人员将意识到或者通过常规试验就能了解许多这里所描述的发明的特定实施方案的许多等同技术。这些等同将被包含在权利要求书中。

下述实施例中未作具体说明的验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的仪器设备，如无特殊说明，均为实验室常规仪器设备；下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规生化试剂商店购买得到的。

实施例1基于重晶石的防辐射混凝土#1

本实施例提供一种基于重晶石的防辐射混凝土#1，由280重量份水泥(杭州华杰商品混凝土有限公司，普通硅酸盐水泥)、1430重量份重晶石(购自辽阳县拓展矿产品有限公司，表观密度约3850kg/m³)、820份重晶石砂(购自辽阳县拓展矿产品有限公司)、410重量份硼矿砂(购自长沙正亚化工有限公司)、75重量份uea膨胀剂(购自安徽省庐江矾矿速凝剂厂)、8.5重量份减水剂、80重量份掺合料(i级粉煤灰，购自石家庄腾邦矿产品有限公司)和180重量份水。

其中，重晶石、重晶石砂、硼矿砂的级配表如表1所示：

表1重晶石、重晶石砂、硼矿砂的级配表

减水剂的结构式如下：

该结构式由氨基苯磺酸纳、苯酚以及甲醛按摩尔比2:1.23:2.7，在105℃、ph9.3条件下加成而成。

实施例2基于重晶石的防辐射混凝土#2

本实施例提供一种基于重晶石的防辐射混凝土#2，由295重量份水泥(杭州华杰商品混凝土有限公司，普通硅酸盐水泥)、1390重量份重晶石(购自辽阳县拓展矿产品有限公司，表观密度约3850kg/m³)、750份重晶石砂(购自辽阳县拓展矿产品有限公司)、360重量份硼矿砂(购自长沙正亚化工有限公司)、80重量份uea膨胀剂(购自安徽省庐江矾矿速凝剂厂)、9重量份减水剂、82重量份掺合料(i级粉煤灰，购自石家庄腾邦矿产品有限公司)和200重量份水。

重晶石、重晶石砂、硼矿砂及减水剂的参数同实施例1。

实施例3基于重晶石的防辐射混凝土#3

本实施例提供一种基于重晶石的防辐射混凝土#3，由275重量份水泥(杭州华杰商品混凝土有限公司，普通硅酸盐水泥)、1480重量份重晶石(购自辽阳县拓展矿产品有限公司，表观密度约3850kg/m³)、800份重晶石砂(购自辽阳县拓展矿产品有限公司)、400重量份硼矿砂(购自长沙正亚化工有限公司)、85重量份uea膨胀剂(购自安徽省庐江矾矿速凝剂厂)、8重量份减水剂、80重量份掺合料(i级粉煤灰，购自石家庄腾邦矿产品有限公司)和175重量份水。

重晶石、重晶石砂、硼矿砂及减水剂的参数同实施例1。

实施例4基于重晶石的防辐射混凝土的性能

为了验证实施例1～实施例3制备的基于重晶石的防辐射混凝土#1、防辐射混凝土#2和防辐射混凝土#3的力学性能和防辐射性能，制备或获得以下对比混凝土：

对比混凝土#1：

与实施例1的防辐射混凝土#1的组分相同，区别是重晶石和重晶砂利用等量及相同级配的石子和石砂替代。

对比混凝土#2：

与实施例1的防辐射混凝土#1的组分相同，区别是硼矿砂利用等量的河沙替代。

对比混凝土#3：

与实施例2的防辐射混凝土#2的组分相同，区别是uea膨胀剂利用等量的聚合物纤维膨胀剂(购自山东京枫新型建材有限公司)替代。

对比混凝土#4：

与实施例3的防辐射混凝土#3的组分相同，区别是减水剂利用等量的聚羧酸减水剂(购自山东博浩建材有限公司)替代，并且用水量增加40份。

对比混凝土#5：

购自中建西部建设股份有限公司的防辐射混凝土，表观密度＞3000kg/m³。

各混凝土拌合物坍落度试验方法参照《普通混凝土拌和物性能试验方法》(gb/t50080)。

各混凝土拌合物表观密度试验方法参照《普通混凝土拌和物性能试验方法》(gb/t50080)。

各混凝土立方体抗压强度，劈裂抗拉强度，轴心抗压强度，弹性模量试验方法参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(gb/t50081)。

各混凝土的线膨胀系数试验方法参照《水工混凝土试验规程》(dl/t5150)。

结果如表2所示：

表2各混凝土的性能

由表2可知，除对比混凝土#4外，各混凝土的坍落度相差不大，主要原因是各混凝土的砂率和骨料比例相差不大。由于用水量增加，对比混凝土#4的坍落度相对较高，达到79mm。

重晶石的表观密度对混凝土的防辐射性能起着决定性的作用，防辐射混凝土#1、防辐射混凝土#2、防辐射混凝土#3，由于原料选择或者制备合理、配比合适，在重晶石表观密度约3850kg/m³，得到的混凝土表观密度甚至达到3600kg/m³以上，远远超出预期，能够达到较好的防α线辐射、β线辐射、γ线辐射、x线辐射，甚至中子辐射。

防辐射材料应具有良好的机械加工性能，还应具有优良的结构强度，不准有可能透过射线的穿透缝隙、孔洞、蜂窝和裂缝。另外，还要求该建筑材料具有较低的弹性模量。防辐射混凝土#1、防辐射混凝土#2、防辐射混凝土#3的力学性能，以28d抗压强度(mpa)、28d劈拉强度(mpa)、28d轴心抗压强度(mpa)和弹性模量(mpa)作为示例，明显高于各对比混凝土，具有优良的防辐射性能。

最后，一般情况下，由于掺入重晶石，混凝土拌合物的线性膨胀系数会随之增大，然而，防辐射混凝土#1、防辐射混凝土#2、防辐射混凝土#3的线性膨胀系数并没有高于对比混凝土#1，热稳定性较好。

发明人进一步研究了各混凝土对γ线辐射和中子辐射的线性衰减系数，结果如表3、图1和图2所示：

表3各混凝土对γ线辐射和中子辐射的线性衰减系数(cm^-1)

由表3和图1、图2可知，防辐射混凝土#1、防辐射混凝土#2、防辐射混凝土#3对γ线辐射和中子辐射的线性衰减系数明显高于各对比混凝土，并且远远高于对比混凝土#1，甚至显著高于商业化防辐射混凝土，即对比混凝土#5。

以上结果还表明，本发明中，重晶石和硼矿砂、uea膨胀剂、减水剂存在相互作用，在缺少其中一种的情况下，力学性能、热稳定性能和防辐射性能都受到显著减弱，尤其是在替换本发明的减水剂后，各方面性能减弱得更为明显。这可能是由于本发明的减水剂能够更好地提高混凝土的表观密度，从而提升防辐射能力。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。