探索防辐射混凝土的工程应用

随着秦山核电厂、大亚湾核电厂、田湾核电厂运行年限的增加，我国乏燃料产生量逐年增加。乏燃料中含有大量的放射性元素，若不加以妥善处理，会污染环境，危害人体健康。因此，对乏燃料进行安全贮存迫在眉睫。由于后处理能力相对薄弱，乏燃料离堆干式贮存是目前的主要贮存方式。而乏燃料离堆干式贮存系统的建造需要用到大量的防辐射混凝土，这对混凝土的射线屏蔽能力、耐高温性能和施工性能提出了较高要求。

      我国在建和已完工核电工程主要采用重骨料（如褐铁矿、赤铁矿、重晶石等）来设计防辐射混凝土，以实现对重核元素的屏蔽，但由于重骨料的表观密度一般较大，导致新拌混凝土容易出现工作性不佳的问题（如分层沉降），难以采用泵送方式进行浇筑施工（目前主要通过吊斗进行浇筑施工），严重影响施工效率及防辐射混凝土的长期服役性能。

      本文以西北某核工程为依托，分别选用褐铁矿和赤铁矿作为重骨料，并用铁砂替代部分褐铁矿砂和赤铁矿砂，设计高性能防辐射混凝土，研究重骨料类型对防辐射混凝土表观密度、工作性、力学性能、耐高温性能和屏蔽性能的影响，可为高性能防辐射混凝土的设计提供参考。

●工程性能要求

      该工程的防辐射混凝土要求为：结合GB/T 50476—2019《混凝土结构耐久性设计标准》中的相关规定，设计强度等级为C40；表观密度不低于 3 500 kg/m ³ ； 出机坍落度不小于180 mm； 28 d抗压强度不低于设计强度等级值的120%； H、O、Fe元素的等效质量密度分别不小于30、1 120、1 800 kg/m ³ 。

●试验概况

原材料

      水泥：芜湖瑞信水泥有限公司提供的P·Ⅱ 42.5级水泥。

      粉煤灰：和益（福建）粉煤灰开发有限公司提供的F类Ⅰ级粉煤灰。

      赤铁矿砂：Ⅱ区中砂，由辽阳市祥龙新材料有限公司提供。

      褐铁矿砂：Ⅱ区中砂，由上海龙核国际贸易有限公司提供。由于褐铁矿具有疏松多孔的特点，吸水性较强，为保证新拌混凝土的工作性，本试验对褐铁矿砂进行饱和面干处理，其饱和面干吸水率为4.3%。

      铁砂：Ⅱ区中砂，由巩义市常宏铸造厂提供。

      赤铁矿石：粒径为5~25 mm，由辽阳市祥龙新材料有限公司提供。

      褐铁矿石：粒径为5~25 mm，由上海龙核国际贸易有限公司提供。本试验对褐铁矿石进行饱和面干处理，其饱和面干吸水率为4.6%。

      泵送剂：浙江五龙化工股份有限公司提供的ZWL-A-II型高效缓凝泵送剂。

      水：自来水。

 配合比设计

      试验水胶比设定为0.44，另外，根据笔者的相关工程经验，干砂浆体积控制在465~475 L/m ³ ；同时，为了提高试验结果的可靠性，在满足相关设计要求的前提下，针对褐铁矿、赤铁矿防辐射混凝土分别设计了3组配合比（砂率浮动范围小于2%）。试验具体配合比见表1。

 试验方法

坍落度和扩展度试验：按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。

      抗压强度试验：按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm。

      表观密度试验：按照GB/T 50080—2016进行，其中，尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的试件用于出机拌合物表观密度、拆模试件表观密度、标准养护28 d后的试件表观密度、标准养护28 d并烘干（150 ℃烘干2 h）后的试件表观密度测试；尺寸为φ100 mm×300 mm的试件用于骨料均匀性试验中的表观密度测试。

      元素等效质量密度计算：Fe元素的等效质量密度根据混凝土中的褐铁矿、赤铁矿和铁砂用量，按照其中的Fe ₂ O ₃ 含量计算得到（褐铁矿、赤铁矿和铁砂中 Fe ₂ O ₃ 含量分别为70%、75%和85%）。同理计算得到H、O元素的等效质量密度，其中，H元素主要来源于拌合水、褐铁矿，O元素主要来源于拌合水、赤铁矿和褐铁矿，不考虑胶凝材料引入的H、O元素和重核元素含量。

      耐高温性能试验：将标准养护28 d并进行抗压破碎后的试件研磨成粉末，置于烘箱中烘干，然后称取一定量的粉末置于高温电阻炉中，分别在200、400、600、800 ℃下灼烧1 h，冷却后称重，计算质量损失率。

●试验结果及分析

工作性

各组拌合物的坍落度、扩展度试验结果见图1。

由图1可知，赤铁矿防辐射混凝土拌合物（C1、C2、C3）的出机坍落度在190~195 mm、扩展度 在435~465 mm，流动性良好，且兼具较好的黏聚性，满足工程要求。 褐铁矿防辐射混凝土拌合物（H1、H2、H3）的出机坍落度在180~185 mm、扩展度在430~440 mm，流动性略差于赤铁矿防辐射混凝土，但仍满足工程要求。

原因分析：褐铁矿骨料疏松多孔，吸水率较高，虽已进行了饱和面干处理，但受拌制环境的影响，难以精准控制饱和面干状态，导致部分拌合水不可避免地被褐铁矿骨料吸附，从而引起拌合物的出机流动性略有下降。

力学性能

各组试件的3、7、28、56 d抗压强度试验结果见图2。

由图2可知，相同设计强度等级条件下，赤铁矿防辐射混凝土试件（C1、C2、C3）的3、7、28、56 d抗压强度均略高于褐铁矿防辐射混凝土试件（H1、H2、H3），但相差不大，这主要是由于褐铁矿骨料疏松多孔的结构特性所致。此外，C1、C2、C3试件和H1、H2、H3试件的28 d抗压强度均大于50 MPa，56 d抗压强度基本不低于55 MPa，远大于设计强度等级值的120%，满足工程要求。

原因分析：本文基于最紧密堆积理论进行的配合比设计，能最大限度地提高混凝土基体的密实度，从而提高抗压强度；此外，铁砂质地坚硬，弹性模量高于赤铁矿砂、褐铁矿砂，掺入适量铁砂对提高混凝土的抗压强度有利。因此，本文配制的两种防辐射混凝土的抗压强度均能满足相关要求。

 表观密度

不同状态下，试件的表观密度试验结果见图3。

由图3可知，不同状态下，赤铁矿防辐射混凝土（C1、C2、C3）的表观密度均大于3 700 kg/m ³ ，满足工程要求。总体上，各成型试件之间、成型试件与出机拌合物之间的表观密度相差不大，最大仅相差2.5%，说明本文制备的赤铁矿防辐射混凝土的匀质性较好。由图3还可知，不同状态下，褐铁矿防辐射混凝土（H1、H2、H3）的表观密度也均大于3 500 kg/m ³ ，同样满足工程要求，且不同状态试件之间的表观密度最大仅相差1.0%，说明本文制备的褐铁矿防辐射混凝土的匀质性也较好。

骨料分布均匀性

重骨料作为防辐射混凝土屏蔽性能的重要保证，其在防辐射混凝土中的分布均匀性直接决定了防辐射混凝土屏蔽性能的优劣。为此，本文将标准养护28 d的圆柱体试件平均切割成上、中、下3层，测试每层的表观密度，并计算分层密度偏差，相关结果分别见图4、图5。其中，分层密度偏差指每层表观密度相对于同条件下立方体（150 mm×150 mm×150 mm）试件的表观密度偏差。

由图4可知，赤铁矿防辐射混凝土试件（C1、C2、C3）的上层表观密度基本维持在3 700 kg/m ³ ，中层、下层表观密度基本不低于3 800 kg/m ³ ，满足工程要求。由图5可知，赤铁矿防辐射混凝土试件的分层密度偏差的绝对值大小顺序为：上层＞下层＞中层，最大不超过3.86%，表明赤铁矿骨料在基体中分布较均匀。

由图4还可知，褐铁矿防辐射混凝土试件（H1、H2、H3）的上层表观密度基本维持在3 450 kg/m ³ ，中层、下层表观密度均不低于3 500 kg/m ³ ，基本满足工程要求。此外，褐铁矿防辐射混凝土的分层密度偏差的绝对值大小顺序为：上层＞下层＞中层，最大不超过2.69%（见图5），表明褐铁矿骨料在基体中分布较均匀。

      此外，对比赤铁矿防辐射混凝土与褐铁矿防辐射混凝土的分层密度偏差可知，二者的中层、下层密度偏差接近，但褐铁矿防辐射混凝土的上层密度偏差较小，表明褐铁矿骨料在基体中的分布均匀性较赤铁矿骨料好。

 H、O、Fe元素的等效质量密度

轻核元素H、O和重核元素Fe主要用于热中子的俘获和屏蔽。本试验计算得到的防辐射混凝土中的H、O、Fe元素的等效质量密度见表2。

由表2可知，赤铁矿因不含结晶水，导致利用其制备的防辐射混凝土（C1、C2、C3）中H、O元素的等效质量密度达不到工程设计要求，故在有热中子屏蔽要求的情况下，不建议采用赤铁矿作为防辐射混凝土的重骨料。褐铁矿中的结晶水含量不低于10%，利用其制备的防辐射混凝土（H1、H2、H3）中H、O元素的等效质量密度满足工程设计要求，且由于搭配使用了铁砂，褐铁矿防辐射混凝土中Fe元素的等效质量密度也满足工程设计要求，推荐采用褐铁矿作为防辐射混凝土的重骨料。

 耐高温性能

      各组试件在高温下的质量损失率见图6。

      由图6可知，相比于赤铁矿防辐射混凝土（C1、C2、C3），褐铁矿防辐射混凝土（H1、H2、H3）的质量损失率相对较高，这主要是由于褐铁矿骨料中含有较多的结晶水，在高温环境下，结晶水容易蒸发排出，从而导致质量损失率较高。此外，随着温度的升高，试件的质量损失率整体呈增大趋势，但在400~600 ℃范围内，质量损失率变化较小。当温度达到800 ℃时，赤铁矿、褐铁矿防辐射混凝土的质量损失率最大分别为4.6%、7.0%，质量损失率较小，耐高温性能较好。进一步考虑西北某核工程的实际工况，本文所设计的两种防辐射混凝土均能很好地满足相关施工技术要求。

●结论

      本文设计的赤铁矿、褐铁矿防辐射混凝土的工作性、力学性能、表观密度、耐高温性能均能满足西北某核工程要求，且骨料的分布均匀性较好。但考虑到对热中子的俘获和屏蔽能力，赤铁矿防辐射混凝土中H、O元素的等效质量密度不满足工程要求。因此，综合考虑防辐射混凝土的各项性能要求，推荐采用褐铁矿作为防辐射混凝土的重骨料。