重晶石防辐射混凝土研究及工程应用

张华

身份证号： 41081119680915**** 汕头市城市建设监理公司

摘要

北京大学第一医院保健中心直线加速室防辐射混凝土施工中，采用以BASO4主要成分的重晶石作为粗细骨料，掺入一定量的铁矿砂，拌制出密度为3550km/m³的重晶石混凝土，通过密度、坍落度、分层度和强度试验研究了其工作性雛强度，取得了预期效果。

关键词：重晶石混凝土；防辐射；密度；工作性能；强度

1. 前言

重晶石混凝土以重晶石、重晶砂为粗细骨料，通过增加混凝土表观密度和密实性来提高对X射线和Y射线的屏蔽能力，能有效吸收X射线和Y射线，减少对人体的伤害。

重晶石混凝土对原材料及配合比要求极髙，这种混凝土需要适量的浆体填充骨料空隙，为确保满足设计要求，通常需进行多次试配以确定最优配合比；这种混凝土在揽拌过程中计量困难，由于铁矿砂密度大，导致计量冲量迅速上升，难以掌控，须采取半自动制或手动控制，以尽量减小铁矿砂冲量带来的问题。

2. 试验原材料

   1. 水泥

采用低水化热的P.O42.5普通硅酸盐水泥，性能指标见表1。

表1水泥性能指标

初凝时间/min	终凝时间/min	安定性	标准稠度/%	抗折强度				抗压强度	水化热/(kJ/kg)
				3d	28d	3d	28d	3d	7d
175	220	合格	28.5	6.8	9	30.2	54.6	266	316

1. 2. 重晶石、重晶砂

采用北京产重晶石和重晶砂，其化学性质稳定，不溶于水和盐酸，主要成分为BASO4，含量大于90%，密度4.3-4.7kg/m³。重晶石粒径为5~25mm，级配满足要求，堆积密度为2700kg/m³；重晶砂为Ⅱ区中砂，细度模数2.9，级配良好，堆积密度为2750kg/m³。生产中采用含多结晶水的骨料，主要成分为BASO4.2H2O。

1. 3. 铁矿砂

采用北京产铁矿砂，堆积密度为4250kg/m³。

1. 4. 粉煤灰

采用天津产F类Ⅰ级粉煤灰，细度7.9%，需水量93%，烧失量3.05%。

1. 5. 高炉矿渣粉

采用河北三河产S95级高炉矿渣粉，比表面积425cm²/g，流动度101%，比活性指数7d为85%，28d为105%。

1. 6. 外加剂

采用北京产AN4000聚羧酸系高性能减水剂，密度1.049g/cm³，PH值5.8，减水率32%％含气量4.0%，含固量22.16%，坍落度1h经时变化10mm。

3. 试验配合比拌合物性能试验

依据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》对设计的重晶石混凝土试验配合比进行密度、强度及分层度试验，要求密度不小于3500kg/m³，强度大于30MPA，分层度满足可栗性要求。混凝土拌合物工作性能和力学性能满足GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法》及GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试法》的要求。通过调整铁矿砂用量和水胶比，最终确定符合防辐射混凝土性能要求的配合比。

混凝土试验配合比见表2。

表2 重晶石混凝土试验配合比

配合比 编号	水胶比	每m'混凝十原材料用量kg
		水泥	重晶砂	重晶石	铁矿砂	粉煤灰	矿粉	外加剂	水
z-1	0.43	237	1200	1410	35o	o9	so	5.14	170
z-2	0.43	237	115o	1410	400	99	s9	5.14	170
z-3	0.43	237	1100	1410	450	99	s9	5.14	170
z-4	0.43	237	1050	1410	500	99	s9	5.14	170
z-5	0.45	227	110o	1410	450	94	54	4.88	170
z-6	0.4	245	1100	1410	450	106	69	5.46	170

对应表2配合比拌合物的工作性及强度（7d，28d，60d）见表3，其中分层度可评价混凝土拌合物的分层特性，为可泵性提供依据，采用特制模具（图1），装满混凝土拌合物后置于振动台上振动90s加速其分层，将混凝土拌合物在垂直方向向上分为五层，清洗出混凝土中的粗骨料以待分析。

表3 混凝土拌合物的工作性及抗压强度

配合比 编号	实测密度/cfm	坍落度/mm			分层度	混摄十抗压强度
		oh	1h	2h		7dMPa	保证率%	28dMPa	保证率%	60dMPa	保证率%
2-1	3425	23o	22o	21o	0.514	28.9	6	40.5	135	43.4	145
z-2	3485	230	215	2o5	0.525	28.2	94	4o.o	133	42.8	143
z-3	35so	23s	22o	210	0.5s3	30.ol	1oo	40.2	134	43.o|	143
Z4	3625	230	215	20s	0.602	29.2	97	40.8	136	44.3	148
z-5	3500	225	21o	200	0.631	27.3	91	38.6	129	41.o	137
Z-6	3555	235	215	2oo	0.492	31.o	103	41.5	138	45.7	152

从统计学的方差理论出发，提出分层度的概念，其公式为：

图1 分层模具示意

式中：Fcd为用粗骨料质量表征的混凝土分层度；Xi为第i层混凝土中粗骨料的质量；Ｘ为所有层中粗骨料质量的平均值。

4. 试验结果分析

（1）对比配合比Z-1，Z-2，Z-3，Z-4可见，掺入不同比例的铁矿砂对重晶石混凝土的密度有一定影响，随掺入量提髙密度相对增加，但混凝土强度差别不大。通过比较可看出，掺入450kg/m³及以上的铁矿砂可达到密度要求。

（2）对比配合比Z－3，Z－5，Z－6可见，随水胶比提高混凝土强度相对降低，混凝土分层度越大抗离析性能越差。

（3）考虑水泥水化热对大体积混凝土的影响，宜优先选用较低的水泥用量。

（4）考虑经济性及防辐射等级要求，掺入一定比例的铁矿砂同时选取合理的水胶比即可配制出密度不小于3500kg/m³且强度符合要求的重晶石混凝土。

5. 工程应用

北京大学第一医院保健中心施工中，根据重晶石防辐射混凝土的特点和特殊要求，制订了专项施工组织方案，在原材料选用，生产设备组织，混凝土生产、运输、浇筑及质量控制等环节进行专项技术交底，确保了重晶石防辐射混凝土连续顺利绕筑。

1. 1. 混凝土生产

重晶石混凝土采用3m³容量搅拌机生产，每次搅拌1.5-2.0m³，搅拌时间设定为60-90s，混凝土出机坍落度控制在210~230mm出站密度3500~3700kg/m³。

1. 2. 混凝土运输

根据运距确定用车数量，配备混凝土运输车12辆，单车装载6-12m³，保证混凝土连续生产、浇筑；配备42m汽车输送泵1台，用于泵送混凝土。混凝土运输时间50-60min，要求提前确定行驶路线，掌握路况信息，并在运输过程中保持罐体旋转。

1. 3. 混凝 土 浇 筑

重晶石防辐射混凝土到达现场后，进行现场密度测试和坍落度检测，确定满足泵送要求后方可入泵浇筑。

经测试，到达现场的混凝土密度为3520-3680kg/m³，坍落度为190~210mm，和易性良好，混凝土工作性能稳定。为避免因舰而导致體下沉，须严格控制振捣时间。为防止因混凝土侧压力过大导致爆模赚模，应分层浇筑，单层混凝土浇筑厚度控制在300~500mm。

1. 4. 混凝土养护

为保证重晶石混凝土养护娜，浇筑后应尽可能带模养护5d以上，拆模后保持绕水养护。

6. 结论

重晶石骨料密度固定，铁矿砂的用量在450kg/m³时重晶石混凝土密度可达3550kg/m³，满足设计要求。铁矿砂增加或水胶比降低都会导致混凝土分层度变大，抗离析性能变差。当水胶比为0.43，水泥用量为237kg/m³时，混凝土分层度，工作性能及强度良好。

由于重晶石混凝土密度较大，骨料密度也相对较大，因此搅拌过程中应严格控制出析落度，以提高可泵性；施工中应尽量避免过度振捣，防止因骨料下沉而影响防辐射能力。本工程竣工后28d用回弹仪对重晶石混凝土部位进行回弹，结果表明重晶石混凝土达到C30强度等级，抗渗等级也满足要求。用防辐射仪器进行防辐射鉴定，结果满足设计要求，达到预期效果。

参考文献

1. 王杰之, 高雅静, 张鑫. 重晶石防辐射混凝土研究及工程应用[J]. 建筑技术, 2017(10).

2. 李政统, 黄红俊. 重晶石防辐射混凝土的制备与泵送施工[J]. 混凝土与水泥制品, 2017, 000(009):82-84.

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4. 姚鹤松. 重晶石防辐射混凝土在医疗建筑工程中的应用[J]. 市场周刊·理论版, 2017(33):0067-0068.