防辐射混凝土早期收缩性能研究

防辐射混凝土早期收缩性能研究

董汇标1，王晶2，陶元洪3

(1.北京建筑大学，北京 100044；2.中国建筑科学研究院，北京 100013；

3.中国路桥工程有限责任公司，北京 100011)

摘要：试验采用重晶石和铁矿石两种重矿石骨料和配重钢骨料配制了强度等级C30防辐射混凝土，研究不同种类骨料对防辐射混凝土的早期收缩性能影响。结果表明混凝土早期收缩主要发生在加水拌合后的24 h内，收缩量达72 h总收缩的90%；用铁矿石配制的防辐射混凝土早期收缩大于重晶石配置的防辐射混凝土早期收缩；钢骨料自身弹性模量大且不吸水，掺入到混凝土中可以降低早期塑性收缩。

关键词：防辐射混凝土；早期收缩；强度；重晶石；铁矿石

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.03.011

Abstract:The strength grade C30 radiation protection concrete was made by barite, iron ore, steel grit as aggregate.The results show that: the early shrinkage of concrete mainly occurs in the mixed with water within 24 hours, the shrinkage of 24 hours account for 90% of the 72 hours total shrinkage.Iron ore caused by early shrinkage is greater than the barite to cause early shrinkage of radiation protection concrete.Steel grit of elastic modulus is larger than other aggregate and it is not bibulous, when mixed into concrete it can reduce the early plastic shrinkage.

收稿日期：2015-04-27.

作者简介：董汇标(1989-)，硕士生.E-mail:rovesoul@126.com

Early Shrinkage Performance of Radiation

Protection Concrete

DONGHui-biao1,WANGjing2,TAOYuan-hong3

(1.Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China;2.China Academy of

Building Research,Beijing 100013,China;3.China Road and Bridge Corporation,Beijing 100011,China)

Key words:radiation protection concrete;early shrinkage;strength;barite;iron ore

防辐射混凝土的耐久性是核电站辐射安全的重要保证的重要前提，核电站防辐射混凝土在成型浇筑和后期使用过程中保证不开裂是杜绝核泄漏的重要前提。当混凝土成型后置于低湿度空气中会产生收缩，收缩包括：干燥收缩、化学收缩、自收缩、碳化收缩、温度收缩等。造成收缩的因素包括混凝土中水分蒸发、水泥孰料水化、水化前后混凝土整体温度变化、水泥石与空气中二氧化碳反应等[1]。其中水泥颗粒因为与水反应后自身产生体积变化，造成化学收缩；当混凝土凝结过程中由于水分蒸发量大于混凝土的泌水量时造成塑形收缩；由于水化的不断深入，毛细孔中的水分逐渐减少并因此产生毛细压力造成自收缩，上述3种收缩主要发生在混凝土硬化早期[2]，当收缩产生的拉应力大于外部约束应力时即产生裂缝[3]。就目前研究成果来讲，影响早期收缩的因素包括骨料种类、骨料粒径大小、骨料级配、水胶比、胶凝材料用料等多重因素[4-6]。当今核电站建设数量正在上涨，但防辐射混凝土国内目前缺乏相关研究，本实验结合高性能混凝土相关知识，采用重晶石和铁矿石两种骨料和配重钢骨料配制了强度等级C30防辐射混凝土，研究了防辐射混凝土早期收缩性能。

1试验方法

早期非接触收缩实验依据国标GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的非接触收缩实验方法进行。混凝土从搅拌加水到开始测试时间控制在20 min内，测试时长为72 h，仪器每5 min自动测量并记录一次此刻收缩位移量和温、湿度。实验仪器及方法见图1。试验中混凝土强度测量依据GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》中抗压强度方法测量。混凝土表干密度测量方法为将28 d混凝土试块在105 ℃烘干至恒重m0，用游标卡尺测量长宽高计算出体积V0，从而得到干表观密度ρ表干=m0/ V0。

2试验方案

2.1　原材料

水泥采用金隅PO 42.5水泥。粉煤灰为邹城电厂产Ⅰ级粉煤灰，按GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》检测结果为烧失量≤5%，需水量比≤95%，45 μm筛余13.4%。试验中粗骨料为普通石灰石、重晶石、铁矿石3种，其性能见表1；细骨料为河砂、重晶石破碎的机制砂和铁矿石破碎的机制砂三种，物理性能见表2。另用到配重钢骨料为直径2.5 mm 高3 mm的圆柱形钢丝切丸，密度7.9 g/cm3。重晶石、铁矿石及钢骨料见图2。

表1　粗骨料物理性能

表2　细骨料物理性能

2.2　配合比

防辐射混凝土屏蔽辐射的能力和其密度有很大关系，试验根据不同的骨料密度设计了不同密度等级的C30防辐射混凝土，并对不同骨料系列的混凝土的早期收缩性能进行了研究。不同骨料种类的防辐射混凝土配合比见表3。

表3　防辐射混凝配合比　/(kg·m -3)

注：编号中F代表防辐射混凝土、30代表设计强度等级、P代表石灰石、T代表铁矿石、Z代表重晶石、G代表钢骨料。

3实验结果及数据分析

3.1　铁矿石、重晶石、钢骨料对混凝土强度影响

各组混凝土28 d抗压强度及混凝土试块干表观密度见表4，结合柱状图3、图4数据可以得出结论：通过体积法用重晶石、铁矿石配制密度等级3 000 kg/m3以上的防辐射混凝土在计算及实验结果验证上可行。用钢骨料部分取代铁矿石配制密度等级4 000 kg/m3以上的防辐射混凝土也可以满足密度的要求。

表4　混凝土28 d抗压强度和表干密度

通过图3可以明显看出组中F30Z的28 d抗压强度低于F30P和F30T。导致重晶石组强度低的原因为：在试验中可以明显地观察到重晶石质地相对脆的特性，且断面光滑，通过压碎指标测定可知重晶石的压碎值为27.9%，重晶石骨料缺陷较多。

铁矿石组强度稍高于石灰石组，结合表1骨料吸水率数据可知，铁矿石吸水率高于石灰石、重晶石，在混凝土拌制过程中，铁矿石可将自身周围水泥浆中的水分吸走，这使骨料周围水泥浆的水胶比降低从而使骨料-水泥石界面过度区强度增加[7]。铁矿石质地坚硬粗糙，与浆体机械咬合力强。综合致使铁矿石充当骨料的混凝土28 d抗压强度高于其他两组。

组中F30T的28 d抗压强度为43.2 MPa，而F30TG强度为37 MPa，即掺入钢骨料后强度损失14%；造成混凝土掺入钢骨料后强度降低的因素可归结为钢骨料的特殊性:1)钢骨料具有光滑的外表面，与水泥石产生机械咬合力弱，易产生脱粘现象[8]，在受压过程中与水泥石界面分离；2)骨料界面过渡区薄弱[9]削弱混凝土强度；3)选用钢骨料粒径小，且粒径单一，当钢骨料同时取代粗细骨料，混凝土中骨料的级配变差，骨架作用体现不充分。

3.2　铁矿石、重晶石、钢骨料对混凝土早期收缩影响

通过实验3 d收缩数据可知，混凝土前14 h内处于迅速收缩期，通过表5可以看到24 h之内，各组的收缩量便达到全部收缩的80%。在混凝土入模后的初始阶段，收缩迅速发生并完成80%～90%的收缩；在24～72 h里，各组混凝土完成剩下的90%～100%收缩，且收缩量呈现平稳增长或稍有降低，总体保持稳定。

表5　72 h总收缩率及完成80%收缩率对应时间

图5是C30配合比四组非接触收缩曲线汇总图，通过曲线间对比可以发现，用铁矿石充当混凝土粗细骨料的混凝土产生收缩快、收缩率大，达到最大收缩时在18 h左右。同样容重的重晶石组混凝土产生收缩慢、收缩率小，达到最大收缩在30 h左右。当用钢骨料部分取代铁矿石粗细骨料后，混凝土产生收缩的时间延长、收缩率下降，最大收缩时间在24 h左右，比铁矿石组达到最大收缩滞后6 h，这是由于掺入钢骨料后，降低了铁矿石及其机制砂对自由水的吸附作用。

推测铁矿石组收缩大原因为：1)铁矿石骨料为颚破机制石，存在石粉，MB值为2.75。2)骨料吸水率高于石灰石和重晶石的吸水率，铁矿石吸水率为2.91%，因此在混凝土凝结过程中除去混凝土表面水分蒸发外有部分水份被铁矿石吸收到内部，造成混凝土的整体失水大于其他三组，通过计算，铁矿石粗细骨料用量共2 563 kg，理论上完全吸水量为74 kg，占总水量的38%，但在实际操作中，水与胶凝材料形成水泥浆，包裹在骨料外边，铁矿石骨料有吸水潜能，但不能将全部水分吸走。外部蒸发的水体减少和内部骨料吸水引起混凝土有较大的收缩量。

对比表1、表2粗细骨料物理性能可知，河砂的MB值是重晶石的6倍，且砂的细度模数仅为1.9，小于重晶石砂细度模数2.6，另外重晶石粗骨料粒径偏大，重晶石骨料对胶凝材料的收缩起到一定的抑制作用。通过文献也可知骨料中含泥量和石粉含量越大混凝土收缩量越大[10]、骨料粒径越大混凝土的收缩越小[11]。因此综合细骨料细度、粗骨料中石粉含量、骨料大小三因素导致石灰石骨料收缩率大于重晶石组。

当铁矿石掺入大量钢骨料后，整体骨料的吸水能力大大降低，钢骨料对粗细骨料取代率分别是0.46和0.41。取代后这部分不吸水使浆体中的水损失减小，这一因素抵消了因铁矿石骨料吸水造成的收缩。

由于钢骨料不具备吸水性能，更多的水分用于水泥水化，通过用铁矿石组收缩率减去铁矿石+钢骨料收缩率差值可得到图6，0～2 h内收缩率均先增大，这是因为掺钢骨料组浆中水的增多使水化更充分，化学收缩增大，2～24 h区间内铁矿石与铁矿石加钢骨料收缩差值先变大后减小，这是因为到80%收缩的时刻不同造成。24 h后两组收缩均达到稳定，钢骨料减少收缩的性能体现。

由于本实验从混凝土初盘后20 min内开始测量，因此整体收缩数据包含了混凝土早期的塑性收缩，而这部分收缩并不引起过大的收缩应力，在塑性阶段引起混凝土开裂的主要是游离水蒸发，特别是户外夏季刮风等情况最易产生[12]。而本实验实验室环境为(20±2)℃，相对湿度恒定60%，因此塑性收缩阶段失水收缩引起裂缝的情况相对薄弱。设定初凝时间为收缩起始点可得到图7的收缩曲线。通过曲线可知，在初凝后各组收缩率继续增长为150～400 μm之间。

表6　混凝土凝结时间

骨料种类凝结时间/(h:min)初凝终凝石灰石21∶1025∶35铁矿石14∶0017∶30重晶石19∶4026∶20

4结论

a.研究的混凝土早期收缩主要发生在拌合后20 h内或混凝土初凝前，24 h的收缩量可达3 d收缩总量的90%。

b.采用普通骨料、重晶石、铁矿石分别配制的防辐射混凝土的早期72 h收缩值由高到低依次为铁矿石防辐射混凝土、普通混凝土和重晶石防辐射混凝土。

c.由于重晶石粒径较大、吸水效率较低，与铁矿石和普通骨料相比采用重晶石配制的防辐射混凝土，塑性阶段收缩值较小。

d.钢骨料自身弹性模量大且不吸水，掺加到混凝土中能够降低防辐射混凝土早期塑性收缩值。

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