新型核电站赤铁矿屏蔽混凝土试验研究

刘元秀 张建平 张会玲

（四川中核艾瑞特工程检测有限公司，四川 绵阳 621000）

1 前言

某新型核电站建造过程中，应用了大量的屏蔽混凝土和不锈钢制作的水池，应该将本工程比较成熟的屏蔽混凝土工程建造技术推广应用，新型核电站建设过程中有大量的不锈钢水箱需要进行X射线检测，射线设备的存放必须放置在具有屏蔽效果的混凝土构筑物中。为保证射线设备存储及试验的安全可靠，本公司开展了新型核电站屏蔽混凝土应用的研究，开展了混凝土配合比的研究、混凝土模块化制作的研究，并对屏蔽混凝土的屏蔽效果进行了射线比对试验。

本混凝土建造模块适用于防止射线辐射构筑物的建造，主要用于防X射线的混凝土构筑物，如需防止γ射线应适当增加混凝土模块的厚度，属于防辐射工程建造技术领域，涉及《核电厂屏蔽混凝土配合比设计规程》、《混凝土工程生物防护用重混凝土》、《普通混凝土配合比设计规程》等。

2 背景技术

钢结构技术的成熟运用极大的推进了无损检测技术的发展，射线检测是无损检测技术中应用较为广泛的检测技术，并且射线检测存在一定的辐射隐患。新型核电站建设过程中有大量的不锈钢水箱需要进行X射线检测。射线设备的存放必须放置在具有屏蔽效果的混凝土构筑物中，此前存放射线设备的曝光室房间墙壁为普通混凝土，厚度不小于80cm，占地面积较大，施工周期长较繁琐。采用屏蔽混凝土的建造模块后，屏蔽射线效果相同的条件下，可减小混凝土墙体的体积，缩短施工周期。该防辐射混凝土构筑物建造模块可用于医院、学校、无损检测机构的射线检测室的建造。

赤铁矿混凝土屏蔽机理：现有技术中较少使用由赤铁矿细骨料、赤铁矿粗骨料、水泥、水、外加剂组成的屏蔽混凝土，本课题研究的屏蔽混凝土基于赤铁矿具有天然屏蔽射线辐射的效果。赤铁矿的化学成分为α-Fe2O3，晶体属六方晶系的氧化物矿物。赤铁矿，是氧化铁的主要矿物形式。赤铁矿密度大硬度高。赤铁矿内的铁含量高达70%，因其铁的产出量高，量大便于开采，所以是重要的铁矿石。结晶水中氢原子核对高速中子具有良好的防护作用，而结晶水中含有较多的氢元素。赤铁矿的结晶水含量较少，占2%左右，褐铁矿结晶水含量较高，占11%左右。而防护γ射线、X射线可以选用高密度高硬度的赤铁矿，因此，本防辐射混凝土研究主要采用密度较高的赤铁矿制作。

防辐射混凝土又称屏蔽混凝土，容重较大，约为普通混凝土的1.5倍，对X射线、γ射线以及中子辐射具有屏蔽能力，射线穿透的混凝土阻力较大。本次研究的混凝土胶凝材料采用硅酸盐水泥，赤铁矿屏蔽混凝土，可以有效地减弱中子流的穿透强度。赤铁矿屏蔽混凝土可用作铅、钢等昂贵防射线材料的替代品，是应用较广的用于屏蔽X射线、中子和γ射线辐射作用的混凝土，可以用于核辐射防护厂房、核岛反应堆、粒子加速器、医院射线室等工程设施的防护。

3 研究内容

本研究涉及赤铁矿屏蔽混凝土配合比2项。

利用赤铁矿石和矿砂配制出两种强度的具有屏蔽射线效果的混凝土配合比C40、C60，该配合比坍落度可调整至混凝土便于施工的区间，混凝土密度达到3500kg/m3至3800kg/m3。

赤铁矿石、矿砂：矿石、矿砂作为混凝土的粗细骨料，是混凝土的主要成分。在混凝土中起骨架或填充作用的粒状松散材料，级配优良、质地坚硬的骨料有利于提高混凝土的强度。赤铁矿砂、矿石另一个主要作用是屏蔽射线和辐射，赤铁矿的化学成分为α-Fe2O3，晶体属六方晶系的氧化物矿物，可以减弱中子流的穿透强度，用于屏蔽X射线、γ射线和中子辐射。

图1 C40屏蔽混凝土坍落度120mm

图2 C60屏蔽混凝土坍落度125mm

图3 X射线对比试验1-1左边屏蔽右边普通

本次试验使用的赤铁矿砂为2区中砂的机制砂，细度模数2.9，表观密度4220kg/m3，堆积密度2360kg/m3。赤铁矿石为5-25mm连续级配碎石，表观密度4280kg/m3，堆积密度2290kg/m3。

通过对赤铁矿混凝土配合比的研究和使用，确定了赤铁矿屏蔽混凝土配合比2个，混凝土和易性、施工效果良好；通过屏蔽混凝土模块进行X射线检测对比试验，找到该屏蔽混凝土与普通混凝土防辐射的比例关系。

赤铁矿屏蔽混凝土的优势：经实验室内X射线辐射对比试验，赤铁矿混凝土的屏蔽效果是普通混凝屏蔽效果的3倍，但赤铁矿混凝土密度（3600kg/m3）只有普通混凝土密度（2400kg/m3）的1.5倍。由此得出，如果想要达到相同的屏蔽效果，使用屏蔽混凝土的质量只有普通混凝土的1/2。赤铁矿屏蔽混凝土采用的是赤铁矿作为粗骨料和细骨料，未添加其他硬质骨料（铁质、铅质），便于加工，避免搅拌设备的过早老化。

选择两种不同类型的材料及各自占比的优势：选择两种不同类型的骨料，使混凝土骨料能相互填充，充分混合。选择合理砂率（砂占砂、石总质量的百分率），使两种骨料混合后密度最大，利于混凝土的拌合物性能（混凝土坍落度、经时损失等）的提高，可使屏蔽效果达到最佳。赤铁矿石级配可为5-25mm连续粒级，赤铁矿砂为Ⅱ区中砂。赤铁矿也可按0-8、8-25级配供货。

4 关键措施方法

柱和梁可采用C40-C60屏蔽混凝土配合比制作（也可现浇），楼板或墙板可采用C25-C45屏蔽混凝土配合比制作，配合比分别见表1。

表1 赤铁矿混凝土原材料掺量及坍落度建议范围

屏蔽（赤铁矿）混凝土配合比搅拌工艺，根据试验赤铁矿容易吸附外加剂且吸水效果不同于普通混凝土骨料，搅拌工艺如下：

第一步，将粗骨料、细骨料、水泥加入搅拌机内，搅拌5-20s。

第二步，将拌合水和外加剂总量的各60%-90%加入到搅拌机内，搅拌50-360min。

第三步，将剩余的拌合水和外加剂加入搅拌机内，搅拌10-120s。卸料。

5 分析结论

通过对防辐射混凝土配合比试验及研究，两个区段的配合比2种，混凝土配合比经现场检验效果良好，具有较高的实用性和推广性；制作了防辐射模块的模拟件，经曝光室内的辐射对比试验屏蔽混凝土屏蔽效果良好，达到屏蔽的目的，该模块化制作具有科学依据、合理，可减少不必要的浪费。

通过对比试验，证明了屏蔽混凝土模块的屏蔽效果，具有良好的实用性。对防辐射混凝土配合比及防辐射构筑物建造模块的试验，规定了赤铁矿防辐射混凝土的配比和施工时的建议坍落度，便于施工。该屏蔽混凝土的屏蔽效果良好，实用性强。

通过屏蔽混凝土拌合物性能研究，证明混凝土坍落度为60-150mm时，混凝土拌合物性能无泌水离析情况出现，混凝土浇筑密实、均匀，无骨料下沉等严重状况出现。此坍落度情况下，较好的实现混凝土的输送和运输。