重晶石在泵送混凝土中的试验研究及应用

徐武洪 李丽霞

重晶石是以硫酸钡(BaSO4)为主要成分的非金属矿产品,其化学性质稳定,不溶于水、无磁性和毒性,可用在混凝土中作为建筑材料投入使用。用于混凝土的重晶石,材质要求BaSO4含量应不低于80%[1]。采用硅酸盐水泥等材料可与重晶石配制成均匀、密实的防X射线混凝土;在选择一定的配比参数后,其可以满足泵送混凝土的技术要求。

1 重晶石简介

重晶石主要成分为硫酸钡,纯重晶石显白色、有光泽,多呈白色或黄色晶状,由于杂质及混入物的影响也常呈灰色、浅红色、浅黄色等,结晶情况相当好的重晶石还可呈透明晶体出现。容重一般在 3 000 kg/m3～4 700 kg/m3,具有比重大、硬度低、性脆的特点。重晶石主要用于石油、化工、油漆、填料等工业部门,其中80%～90%用作石油钻井中的泥浆加重剂。重晶石可按照混凝土中骨料的要求,破碎筛分为5 mm～25 mm和0 mm～5 mm等多种粒级;因矿源有差别,压碎值一般在15%～35%范围内。

2 重晶石在混凝土中的作用

将重晶石用于混凝土中一般称为重晶石混凝土,它是防辐射混凝土中的一种,主要是利用其硫酸钡成分屏蔽实验室内产生的X射线等[2]。目前作为防射线的遮蔽体,大多数情况均采用重骨料配成重质混凝土,达到防射线的目的。一般用于医院存放放射性医疗设备实验室的墙板梁等工程部位。在采用防X射线的建筑材料中,重晶石混凝土是目前混凝土施工市场的首选。

3 试验内容

选择具有代表性的不同矿源重晶石进行试验,按照泵送混凝土对骨料的要求进行破碎筛分,并测试物理性能;不仅将重晶石作为全部粗细骨料用于混凝土试验,而且尝试将其与普通碎石和黄砂进行不同比例混合的混凝土试验;在试验中以常用的最具有代表性的C30强度等级为主,开展混凝土物理性能试验。

3.1 骨料

根据重晶石的分布情况,分别收集了矿石含量较多地区的重晶石作为试验对象;普通骨料选择泵送混凝土中常用的河砂和天然碎石。

3.2 其他原材料

1)水泥。选择上海海豹水泥集团公司生产的普通42.5级水泥。

2)外加剂。选择高效减水剂和高性能减水剂两种。

3)掺合料。选择泵送混凝土常用的粉煤灰和矿粉作为掺合料。

4 配比确定

1)泵送混凝土强度等级为C30,将重晶石的不同粒级分别作混凝土的粗细骨料,考虑到重晶石密度及压碎值较大,配比中胶凝材料用量较普通泵送混凝土用量多一些,以保证混凝土强度满足要求。在配比计算中,分别考虑选用两种减水剂,并根据其不同的减水率确定最终用水量;矿粉和粉煤灰这两种掺合料总量不大于20%。配比设计中要求浆体积不小于30%,骨料体积不大于70%;按照标准JGJ 55-2000普通混凝土配合比设计规程采用体积法计算配比各数据,见表1。

表1 骨料为重晶石的混凝土配比参数

2)按照上述配比内容分别进行混凝土试验。试验过程与普通混凝土相同,试验方法执行GB/T 50080普通混凝土拌合物性能试验方法标准,试验结果见表2。

表2 各配比试验结果

3)重晶石与普通砂石混合试验。考虑到部分重晶石的粗骨料压碎值较大、细骨料颗粒较多等特点,从改善上述混凝土中出现的和易性小、强度低等情况作为出发点,尝试将重晶石骨料与普通砂石按一定比例混合使用,对配比进行调整。

同时根据重晶石混凝土在工程中应具备防辐射性能的这一要求,从重晶石容重的角度进行考虑[2],普通碎石黄砂的用量不宜超过30%。根据重晶石①,②,③具体的级配情况,分别用普通砂石替代后进行试验。

结果表明:a.使用部分普通砂石明显改善了重晶石混凝土的和易性,混凝土坍落度都有了一定的增加,可以满足混凝土泵送的要求。b.普通砂石的使用,还使混凝土强度有了一定的改善,最低的强度也达到了设计值的118%,较全部使用重晶石的混凝土强度提高了28%。骨料改变前后的28 d龄期混凝土强度值比较见图1。c.使用部分普通砂石后,由于其表观密度均比重晶石小,所以混凝土容重都有一定量减少,从试验结果看出,使用30%普通砂石后,重晶石混凝土的容重在2 980 kg/m3～3 160 kg/m3之间,较全部使用重晶石的混凝土容重相应减少2.9%～5.5%。

5 工程应用

5.1 工程简介

上海某人民医院扩建工程中地下室1层的两个直线加速器机房的墙、顶板和底板设计为重晶石混凝土。设计强度等级为C30,密度不小于3 200 kg/m3,混凝土方量共约1 200 m3。分两次施工,全部在晚上浇筑。该工程距搅拌站37 km。运输距离较远。医用直线加速器是放射性较强的医用设备,在使用中如果防护不当,其发出的射线会给周边人员造成伤害。为了防止射线的泄漏,其周边混凝土在成型后不应钻孔,更不能有穿透的施工缝。

5.2 远距离施工模拟试验

1)按照工程中对混凝土容重的要求,选用重晶石④作为此次工程应用的粗细骨料及其相应混凝土配比;2)在搅拌站内实际生产时,考虑到混凝土密度较大,因此每一盘搅拌方量为0.6 m3;3)为防止重晶石骨料在搅拌过程中过粘,搅拌时间定为20 s;4)根据搅拌车的载重量,每车运输方量定为5 m3;5)考虑到该重晶石混凝土的密度达到普通混凝土密度的1.36倍,同时此次运输距离为40 km,因此选择使用上海施维英机械制造有限公司的固定式输送泵;6)模拟现场施工条件,铺设泵管70 m及设置4个弯头;7)现场振捣时要求振到即可,振捣时间不宜长,避免骨料较重产生下沉现象;8)浇筑完毕后,及时进行覆盖养护;9)模拟试验中混凝土计划方量为10 m3,浇筑处为一块500 mm厚的地坪。

混凝土运至模拟现场后,和易性良好,泵送过程顺利。卸料后,局部振捣,目测表面没有外露碎石即可。该混凝土第2天全部凝固,随即进行洒水养护。7天后观察侧面没有开裂等现象。混凝土性能检测结果见表3。

表3 混凝土现场模拟试验结果

5.3 实际应用

2009年4月1日和5月3日共供应重晶石混凝土1 300 m3,配备固定泵两台,采用试验时使用的固定泵,其中一台备用;搅拌车20台,施工时间选择在晚上。生产中全部按照模拟试验中的技术要求进行,即搅拌时间为20 s,每辆搅拌车内装5 m3。供应过程顺利,现场泵送没有发生堵泵堵管现象;出场坍落度控制在180 mm～200 mm,到现场后实测为160 mm。每小时实际泵送30 m3。施工单位进行了覆盖洒水养护,混凝土硬化后表面平整,没有裂缝,混凝土强度等情况见表4。

表4 生产的混凝土质量情况

6 结语

1)该矿石易与其他较轻矿石混长,在应用于工程时要严格执行表观密度等项目的检测,减少材料不均质可能产生的不良影响。

对不同产地材料都应试验后才可根据其具体性能运用到工程中。2)由于重晶石压碎值偏大,运输过程中易粉碎,储备材料时5 mm以上颗粒应适当增加数量,5 mm以下的则应适当减少;并且在混凝土配比设计及试验中注意砂率和用水量的调整,通过测试坍落度值和倒坍时间等,控制和易性可以满足泵送商品混凝土的要求。3)以混凝土满足泵送要求为着眼点,配比设计应考虑以下几个因素:水泥浆体积不应小于30%;混凝土密度的满足主要通过重晶石解决;当密度指标很高时,应考虑胶凝材料的更换;混凝土和易性应反复验证后方可应用于泵送施工中。4)宜选择固定式泵,泵送量宜控制在30 m3/h～45 m3/h。泵送时坍落度宜控制在140 mm～160 mm。5)由于重晶石混凝土较重,在施工时应组织好施工队伍及时处理排管接管拆管等工作,不能因此而耽误混凝土浇筑时间。

[1] 李继业,刘福圣.新型混凝土实用技术手册[M].北京:化学工业出版社,2005:330-344.

[2] 雍 本.特种混凝土配合比手册[M].北京:科学技术出版 社,2003:372-376.