论文总字数：28894字

摘 要

随着现代技术的发展，防辐射混凝土的运用更加广泛，因此对辐射屏蔽也提出了更高的要求。本文根据水胶比、水泥含量与种类、骨料、化学外加剂、矿物掺合料、纤维对防辐射混凝土性能的影响，系统地介绍了防辐射混凝土高性能化的研究进展，总结了目前防辐射混凝土发展的三个主要问题：设计强度普遍不高，难以抵抗爆炸冲击荷载或重大地质灾害引发的高强度动载；过度依赖重骨料如重晶石、铁矿石等，导致天然矿石的匮乏；重骨料与胶凝体系密度相差较大所导致的混凝土密实性差。针对以上问题，本文提出一种制备低收缩抗冲击超高性能防辐射混凝土的方案。利用高钛重矿渣砂作为超高性能混凝土（UHPC）骨料，同时配合外加剂的使用，有效改善重骨料下沉现象和UHPC收缩大的问题，且掺入一定量混杂纤维（钢纤维和聚丙烯纤维），提高UHPC抗冲击性能和抗裂能力。

关键词：防辐射混凝土；超高性能混凝土；高钛重矿渣砂；混杂纤维

Abstract

With the development of modern technology, the application of radiation shielding concrete is more extensive, so the radiation shielding is also put forward higher requirements. According to the influence of water binder ratio, cement content and type, aggregate, chemical admixture, mineral admixture and fiber on the performance of radiation shielding concrete, this paper systematically introduces the research progress of high performance of radiation-proof concrete, and summarizes three main problems in the development of radiation shielding concrete : the design strength is generally not high, which is difficult to resist the impact load of explosion or high strength dynamic load caused by major geological disasters; excessive dependence on heavy aggregate such as barite, iron ore, etc., leading to the lack of natural ore; the density difference between heavy aggregate and cementitious system leads to poor compactness of concrete. In view of the above problems, this paper puts forward a scheme of preparing low shrinkage, impact and ultra-high performance radiation shielding concrete. The use of high titanium heavy slag sand as ultra-high performance concrete (UHPC) aggregate and the use of additives can effectively improve the subsidence of heavy aggregate and the shrinkage of UHPC, and a certain amount of hybrid fiber (steel fiber and polypropylene fiber) is added to improve the impact resistance and crack resistance of UHPC.

Key Words: radiation shielding concrete; ultra-high performance concrete; high titanium heavy slag sand; hybrid fiber

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

第2章 防辐射混凝土应用现状 3

2.1 防辐射混凝土的定义与发展 3

2.2防辐射混凝土的原料及其对性能的影响 3

2.2.1水泥种类与含量 3

2.2.2水胶比 4

2.2.3矿物掺合料 4

2.2.4骨料 5

2.2.5化学外加剂 7

2.2.6 纤维 8

第3章 制备低收缩抗冲击超高性能混凝土的方案 9

3.1制备低收缩抗冲击超高性能防辐射混凝土的方案 9

3.2制备低收缩抗冲击超高性能防辐射混凝土方案设想的基础 10

3.2.1超高性能混凝土的定义与优异性能 10

3.2.2目前超高性能混凝土作为防辐射材料的主要问题 12

3.3方案的可行性分析 13

3.3.1制备超高性能防辐射混凝土的可行性 13

3.3.2高钛重矿渣用作防辐射UHPC骨料的可行性 14

3.3.3利用钢纤维与聚丙烯纤维混杂提高抗冲击性的可行性 15

第4章 结束语 16

参考文献 17

致 谢 21

第1章 绪论

1.1研究背景

辐射通常用于能源生产，医学诊断和治疗，材料研究和调查等应用中。此外，它还用于农业、考古（用于碳测定）、太空探索、军事、地质等领域。在这些应用过程中可能会发生辐射泄漏，原子核反应过程中产生大量的辐射射线，可能诱发癌症、恶性肿瘤、生育缺陷等诸多疾病，还会导致植物的基因变异，危害农作物生长等。1986年苏联切尔诺贝利核电站的核反应堆发生爆炸^[1]，造成了迄今为止最严重的一次核辐射泄漏事故，导致数十万人遭受到辐射伤害，约35万人撤离至核电站周围半径30公里外的安全地区，造成了巨大的经济损失。2011年日本福岛核电站发生超设计基准的外部事件^[2]，9级地震引发浪高10米的海啸属于超万年一遇极限事故叠加，已远超出福岛核电站的设计基准，导致冷却系统受损，最终引起严重的核辐射泄漏事件。至今，发生过核事故的地区仍是地球上放射性污染最严重的地区。因此对辐射的防护越来越受到人们的重视。

辐射屏蔽基于衰减原理，即通过反弹或阻挡粒子穿过屏蔽材料来降低波或射线效应。在工业项目中主要屏蔽的辐射类型包括γ射线，χ射线，以及中子射线。γ、χ射线衰减系数与能量成反比，与构成屏蔽材料的元素的原子序数成正比。类似铅、铋、钨等高原子序数元素，特别适合减轻γ射线和χ射线的影响。而低原子序数元素组成的材料（比如水、聚乙烯、聚丙烯）对于阻止中子辐射是更可取的，因为它们形成与中子相互作用的横截面的可能性更高^[3]。衰减效果，强度，抗破坏性，热性能和成本效率这些都会影响放射性屏蔽材料的选择和使用，例如：铅的毒性强和熔点低可能会限制其在某些方面的应用；铋的价格昂贵不适用于大型工程；水、聚乙烯可能泄漏或蒸发且不适合作为支撑结构。防辐射混凝土是目前使用的最广泛的辐射屏蔽材料，因为混凝土是一种相对便宜的材料，可以很容易地浇注成复杂的形状，同时它包含许多轻和重元素，可以同时对γ射线、中子射线起到屏蔽作用，并且可以通过优化其成分、配合比来改善其性能。作为防护材料，防辐射混凝土往往需要遭受严重的侵害，如：外部的军事袭击，地震活动和严重的气候条件；内部的高温，侵蚀甚至是化学爆炸。Hilsdorf等人^[4]在研究核辐射对混凝土性能影响时指出，较高的能量密度可能会对混凝土的抗压强度，拉伸强度和弹性模量产生不利影响。然而，当前已有防辐射混凝土的设计强度普遍不高，多数不超过C60，难以抵抗爆炸冲击荷载或重大地质灾害引发的高强度动载，为核工程留下安全隐患，一些国家对老旧核电站的担忧与日俱增。另一方面，随着医疗放射科室建筑的老化，部分早期兴建的射线屏蔽墙体需进行维修加固，若采用已有防辐射混凝土（力学性能不高），为了达到补强效果只能增加屏蔽墙体厚度，导致加固墙体占用室内使用面积大。近年来，高性能混凝土技术正快速发展，已经运用于许多大型建设，具有十分出色的成效，所以许多学者对防辐射混凝土的高性能发展方向和目标产生兴趣。因此，了解防辐射混凝土高性能化的发展历程， 存在的问题和发展趋势，为防辐射混凝土的进一步发展有着至关重要的作用。

现代社会迫切需要研发具有高强度、优异抗冲击和防辐射性能的混凝土，以满足国防和民用核工程安全防护的重大战略需求。超高性能混凝土（UHPC）是混凝土技术的最新发展之一，具有出色的机械性能、工作性能、耐久性能。凭借这些优点，UHPC被视为未来的最具创新力和最有前途的材料之一。它弥补了许多混凝土的不足，在过去的几年中，已被应用于高层建筑，预制构件，基础设施修复，防爆结构和特殊设施中的梁耦合等。此外，超致密的微观结构和优异的机械性能使UHPC可能成为军事应用的建筑系统中最合适的材料，例如设防，防空洞和其他保护性结构，并可用存储放射性或核废料等危险材料。可见，通过更广泛地使用重矿物（例如重晶石，铁矿石等）作为细骨料制备出UHPC替代传统防辐射混凝土，其辐射屏蔽性能将具有不可估量的优势。

本文综述了防辐射混凝土及其高性能化研究现状，提供了各种工程和辐射衰减应用生产防辐射混凝土所进行的工作的概述。重点介绍了各原材料对防辐射混凝土的影响，例如防辐射混凝土的机械性能，耐久性，以及防辐射性能等。根据目前研究中存在的系列问题，从原材料方面提出提高防辐射混凝土性能的解决方案。

第2章 防辐射混凝土应用现状

2.1 防辐射混凝土的定义与发展

防辐射混凝土又称重混凝土，定义为烘箱干燥密度大于2600kg/m³，多采用密度大、含有大量结晶水的岩石如重晶石、磁铁矿石等作为骨料，也可以加入硼盐或锂盐来增强防辐射能力。一般重晶石为骨料的防辐射混凝土密度可在3500kg/m³左右，比普通混凝土的密度大45%，采用磁铁矿为骨料的密度为3900kg/m³，比普通混凝土的密度大60%。在20世纪60年代之前防辐射混凝土并未受到太多的关注，但随着核能源产业与新型水泥基材料的发展，防辐射混凝土取得了长足的进步，并不断朝着高性能的方向发展，这主要归功于以下四个因素：①设计方法的优化；②粉煤灰、硅灰、高炉矿渣粉等矿物掺合料的回收与加工；③纤维材料的发展以及设计；④新型高效减水剂以及其他具有特定功能的外加剂的发明与应用。

2.2防辐射混凝土的原料及其对性能的影响

与传统的混凝土材料相比，在防辐射混凝土的制造中，仔细选择成分和混合比例是更为关键的过程。防辐射混凝土的每种构成材料（水泥、骨料、掺和物、外加剂、纤维）都应根据类型、含量、密度、强度特性、细度、等级以及元素相互之间的相互作用进行评估和考虑。防辐射混凝土的构成材料对性能影响讨论如下。

2.2.1水泥种类与含量

配制防辐射混凝土的水泥主要包括：普通硅酸盐水泥、含有对α、β、χ、γ射线防护屏蔽效果突出的金属元素的高铝水泥、钡水泥、锶水泥，以及对中子射线衰减屏蔽效应明显的含硼水泥。钡水泥的主要原料是重晶石和黏土，具有干缩小、抗冻性强的优势，但热稳定性差, 遇高温时水化结构会被破坏, 从而影响混凝土性能。锶水泥的性能与钡水泥相近，但屏蔽性能略差，经济性较差。硼水泥由于含有大量的硼元素以及结合水，能有效吸收中、慢速的中子,在屏蔽过程中，吸收能量后易导致硼水泥制品产生膨胀，且吸收中子时会有能量释放并伴随二次γ射线的产生。但目前制备防辐射混凝土主要仍采用普通硅酸盐水泥，因为普通硅酸盐水泥中含有结合水，较易制备，性能稳定、经济性好。不同强度等级对于不同辐射射线的屏蔽效应也有差别。Ipbüker C^[5]利用C40/50和C60/70两种不同强度等级的水泥，制备了两种类型的混凝土，利用C60/70水泥获得较高强度、密度的混凝土，对混凝土化学成分进行分析，平均原子质量，平均原子序数，有效原子序数以及有效电子密度和平均电子密度均随混凝土强度等级和密度的增加而增加，对γ射线的屏蔽能力也随着提高，还观察到C60/70混凝土由于氢的浓度较高而具有更好的中子辐射防护。

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