專利名稱：礦渣集料制備的防輻射混凝土及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及混凝土及其制備方法，屬于混凝土領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
攀鋼高鈦重礦渣是攀鋼高爐冶煉釩鈦磁鐵礦時(shí)產(chǎn)生的熔融礦渣在空氣中自然冷卻或水冷形成的一種由鈦輝石、鈣鈦礦等礦物為主的石質(zhì)材料。攀鋼高鈦重礦渣的化學(xué)成分主要為Ca0、Si02、Ti02、Mg0、Al2O3,占總量95%以上，TiO2含量大于20%，使得其在性能上與普通礦渣有很大的差別，不適合作為生產(chǎn)水泥的外摻料以及混凝土的礦物摻合料，在混凝土和建筑砂漿中的應(yīng)用較少，很大程度上限制了高鈦重礦渣的資源化利用，目前攀鋼公司已有5500萬(wàn)噸的高鈦重礦渣未得到有效利用，已成為制約攀鋼生產(chǎn)的“瓶頸”，迫切需要研究開發(fā)攀鋼高鈦重礦渣規(guī)?；?、資源化的高效利用技術(shù)。在防輻射混凝土設(shè)計(jì)中，一些表觀密度較大的天然礦石:重晶石、蛇紋石、赤鐵礦、磁鐵礦等，憑借其優(yōu)良的射線屏蔽性能，被國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍用來作為混凝土的粗細(xì)骨料。這些天然礦石依靠其具有較大的原子序數(shù)以及較高的表觀密度，能夠有效的阻擋射線在混凝土中的穿透。上述天然礦石屬于不可再生資源，從可持續(xù)發(fā)展的角度上來說，應(yīng)該尋求其替代品以制備防輻射混凝土。而且上述天然礦石集料的表觀密度(3.0 5.0X 103kg/m3)都較基相水泥砂漿的表觀密度(2.6 3.0X 103kg/m3)偏大。由于這兩種組分表觀密度的差異，表觀密度較高的集料則存在較強(qiáng)的下沉趨勢(shì)。在混凝土澆筑振搗過程中，如果水泥漿體的黏度控制不好，將導(dǎo)致水泥漿體和集料嚴(yán)重分層，這也是普遍存在于防輻射混凝土配合比設(shè)計(jì)和施工中的一個(gè)技術(shù)難題。防輻射混凝土的勻質(zhì)性不良，將出現(xiàn)如下的問題:第一，防輻射混凝土承擔(dān)著屏蔽射線的重要責(zé)任，若混凝土勻質(zhì)性不良，集料分層較為嚴(yán)重，使混凝土開裂傾向增大，并且骨料分布不均將導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)較多氣穴、微孔、界面裂縫等缺陷，從而使防輻射混凝土的防輻射性能不能達(dá)到預(yù)期的屏蔽效果；第二，混凝土的勻質(zhì)性不良將導(dǎo)致混凝土硬化后其結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出微觀和宏觀上的不均勻，不僅降低混凝土的力學(xué)性能，也給混凝土的耐久性能帶來不良影響。攀鋼高鈦重礦渣中含有較高的重金屬礦物TiO2成分，也與上述天然礦石一樣具有較高的原子序數(shù)及表觀密度，因此利用攀鋼高鈦重礦渣制備的防輻射混凝土也會(huì)具有較為優(yōu)良的射線屏蔽性能，利用攀鋼高鈦重礦渣制備防輻射混凝土可以有效節(jié)約天然礦石。攀鋼高鈦重礦渣的表觀密度(2.5 3.2X103kg/m3)與基相水泥砂漿的表觀密度(2.6
3.0X 103kg/m3)相近，利用其制備防輻射混凝土可以有效解決上述勻質(zhì)性不良的問題。核能作為一種成熟、清潔、安全和有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)，在21世紀(jì)及未來將對(duì)人類可持續(xù)發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。在核能源利用的快速發(fā)展中，用于屏蔽核反應(yīng)堆帶來的X，Y等射線的防輻射混凝土也需要進(jìn)一步研究其發(fā)展，優(yōu)化其性能。本發(fā)明使用以高鈦重礦渣為原材料制備防輻射混凝土， 為解決攀鋼高鈦重礦渣難以處理的問題提出了有效的資源化利用途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種礦渣集料制備的防輻射混凝土及其生產(chǎn)方法，以有效消納利用礦物廢渣，提高混凝土的防輻射性能和耐久性能。本發(fā)明礦渣集料制備的防輻射混凝土，由以下重量份的原料組成:水140 190重量份，凝膠材料350 630重量份，細(xì)集料 750 850重量份，粗集料 1000 1500重量份，增粘劑 0.35 1.9重量份，減水劑 2.1 7.5重量份，纖維 30 70重量份；其中，所述的膠凝材料由水泥和礦物摻合料組成，所述礦物摻合料由硅灰和粉煤灰組成，凝膠材料的組成為:300 500重量份的水泥、20 60重量份的硅灰和30 70重量份的粉煤灰；所述的粗集料為高鈦重礦渣粗集料；所述的細(xì)集料由高鈦重礦渣砂和鉛粉按質(zhì)量比1:0.2 3.0 組成；所述的增粘劑為甲基纖維素醚；所述纖維為聚丙烯纖維、鋼纖維和鉛纖維的一種或多種。高鈦重礦渣集料存在大量的管孔或三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以通過外界條件及自身的毛細(xì)管作用，調(diào)整和轉(zhuǎn)換儲(chǔ)存與釋水功能，形成混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料。內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料中的水分在早期水化階段不參與化學(xué)反應(yīng)，而當(dāng)體系中自由水分降至一定程度時(shí)，能釋放水分，維持體系中的水化反應(yīng)進(jìn)行，促進(jìn)混凝土內(nèi)部水化程度，減少因水化熱量引起的溫度應(yīng)力裂縫，并且使集料界面處形成更多的水化礦物組如C-S-H、AFt等，有效提高水泥石界面的致密性，提升集料對(duì)于高能射線輻射產(chǎn)生的溫度應(yīng)力抵抗能力，保證混凝土的防輻射性能和耐久性能。本發(fā)明使用的高鈦重礦渣集料，其重質(zhì)元素鈦含量較高(大于20%)，Y射線與鈦元素的原子或核外電子的碰撞作用而損失大部分能量，甚至能量完全被吸收。對(duì)于屏蔽和抗裂性能要求比較高的部位，混凝土設(shè)計(jì)時(shí)還加入了鉛纖維和聚合物纖維進(jìn)行增強(qiáng)，因而硬化后的混凝土表觀密度大，當(dāng)能量較高的Y光子與混凝土內(nèi)部的重金屬碰撞后，能量迅速衰減，從而有效的阻止了高能Y射線的傳輸；其次，混凝土內(nèi)部還有較多的化學(xué)結(jié)合水，包括:自由水、結(jié)晶水和存在于孔溶液中的水。其中，自由水為混凝土拌合時(shí)引入的，結(jié)晶水和孔溶液中的水主要有膠凝材料的水化礦物組成中C-S-H、AFt等，這些水分對(duì)于快中子的慢化和慢中子的吸收具有良好的效果，且不會(huì)產(chǎn)生二次Y射線。再者，在本發(fā)明的混凝土設(shè)計(jì)中，還應(yīng)用了大量的聚合物纖維，其中的H元素對(duì)于中子射線的屏蔽也有很好的效果。因此，本發(fā)明方法制備混凝土材料可以同時(shí)滿足屏蔽中子射線和Y射線這兩方面要求。進(jìn)一步的，所述粗集料優(yōu)選為5 31.5mm連續(xù)級(jí)配，表觀密度優(yōu)選為2600 3200kg/m3，吸水率優(yōu)選為2 6%，壓碎值指標(biāo)優(yōu)選為6 15%。進(jìn)一步的，所述細(xì)集料細(xì)度模數(shù)優(yōu)選為2.5 3.5，其中，所述高鈦重礦渣砂的表觀密度優(yōu)選為2700 3300kg/m3，所述鉛粉的表觀密度優(yōu)選為1800 2500kg/m3。本發(fā)明所采用的高鈦重礦渣集料的表觀密度與膠凝材料基體的表觀密度較接近，在混凝土中不會(huì)產(chǎn)生明顯的集料下沉現(xiàn)象；而且，由于高鈦重礦渣集料在淬冷過程中外部礦渣表面將形成一定量孔洞，使該部分礦渣密度小于膠凝材料漿體，形成了有效的集料干涉作用，即密度相對(duì)較高的礦渣向下運(yùn)動(dòng)與密度相對(duì)較低的礦渣向上運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生碰撞，使集料的總動(dòng)量顯著下降，從而在一定程度上大大降低了兩種集料的運(yùn)動(dòng)速率，使得混凝土的分層程度得到了降低，制備得到勻質(zhì)性良好的混凝土。該勻質(zhì)性良好的防輻射混凝土可有效降低混凝土的開裂傾向及微觀缺陷，使得集料分布均勻、耐久性增強(qiáng)，從而提升防輻射混凝土每個(gè)區(qū)域的屏蔽性能及使用年限。進(jìn)一步的，所述的水泥優(yōu)選為具有防輻射性能的水泥和普通硅酸鹽水泥的混合物，其中，具有防輻射性能的水泥與普通硅酸鹽水泥的摻配質(zhì)量比例優(yōu)選為1:1 5。其中，所述具有防輻射性能的水泥優(yōu)選為硫鋁酸鋇鈣水泥或硫鋁酸鍶水泥。進(jìn)一步的，本發(fā)明所用減水劑可采用常規(guī)減水劑，優(yōu)選為聚羧酸系高效減水劑。本發(fā)明防輻射混凝土的制備方法，包括如下步驟:a、將膠凝材料、粗集料、細(xì)集料、增粘劑和纖維按照配比加入，拌勻，得到混合材料；b、向a步驟制得的混合材料中加入減水劑和水，拌勻，即得。本發(fā)明礦渣集料制備的防輻射混凝土可以達(dá)到如下性能:表觀密度:2400 5000kg/m3,坍落度:160 190mm,擴(kuò)展度400 600mm,等級(jí)強(qiáng)度:C30 C50,抗凍性能≥F200、360d徐變系數(shù)≤2.0,60d氯離子擴(kuò)散系數(shù)< 2.5XlO^m2.s—1，分層度:0.05
0.20，對(duì)不同強(qiáng)度Y射線及中子射線屏蔽性能優(yōu)于國(guó)外現(xiàn)行性能指標(biāo)。本發(fā)明解決了高鈦重礦渣難以資源化利用、防輻射混凝土勻質(zhì)性不良帶來的屏蔽性能及耐久性能下降等問題。本發(fā)明方法制備的混凝工作性能、力學(xué)性能及耐久性能良好，屏蔽性能優(yōu)于國(guó)外現(xiàn)行性能指標(biāo)，可將此產(chǎn)品應(yīng)用于核電、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明礦渣集料制備的防輻射混凝土，由以下重量份的原料組成:水140 190重量份，凝膠材料350 630重量份，細(xì)集料 750 850重量份，粗集料 1000 1500重量份，增粘劑 0.35 1.9重量份，減水劑 2.1 7.5重量份，纖維30 70重量份；其中，所述的膠凝材料由水泥和礦物摻合料組成，所述礦物摻合料由硅灰和粉煤灰組成，凝膠材料的組成為:300 500重量份的水泥、20 60重量份的硅灰和30 70重量份的粉煤灰；所述的粗集料為高鈦重礦渣粗集料；所述的細(xì)集料由高鈦重礦渣砂和鉛粉按質(zhì)量比1:0.2 3.0組成；所述的增粘劑為甲基纖維素醚；所述纖維為聚丙烯纖維、鋼纖維和鉛纖維的一種或多種。高鈦重礦渣集料存在大量的管孔或三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以通過外界條件及自身的毛細(xì)管作用，調(diào)整和轉(zhuǎn)換儲(chǔ)存與釋水功能，形成混凝土內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料。內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料中的水分在早期水化階段不參與化學(xué)反應(yīng)，而當(dāng)體系中自由水分降至一定程度時(shí)，能釋放水分，維持體系中的水化反應(yīng)進(jìn)行，促進(jìn)混凝土內(nèi)部水化程度，減少因水化熱量引起的溫度應(yīng)力裂縫，并且使集料界面處形成更多的水化礦物組如C-S-H、AFt等，有效提高水泥石界面的致密性，提升集料對(duì)于高能射線輻射產(chǎn)生的溫度應(yīng)力抵抗能力，保證混凝土的防輻射性能和耐久性能。本發(fā)明使用的高鈦重礦渣集料，其重質(zhì)元素鈦含量較高(大于20%)，Y射線與鈦元素的原子或核外電子的碰撞作用而損失大部分能量，甚至能量完全被吸收。對(duì)于屏蔽和抗裂性能要求比較高的部位，混凝土設(shè)計(jì)時(shí)還加入了鉛纖維和聚合物纖維進(jìn)行增強(qiáng)，因而硬化后的混凝土表觀密度大，當(dāng)能量較高的Y光子與混凝土內(nèi)部的重金屬碰撞后，能量迅速衰減，從而有效的阻止了高能Y射線的傳輸；其次，混凝土內(nèi)部還有較多的化學(xué)結(jié)合水，包括:自由水、結(jié)晶水和存在于孔溶液中的水。其中，自由水為混凝土拌合時(shí)引入的，結(jié)晶水和孔溶液中的水主要有膠凝材料的水化礦物組成中C-S-H、AFt等，這些水分對(duì)于快中子的慢化和慢中子的吸收具有良好的效果，且不會(huì)產(chǎn)生二次Y射線。再者，在本發(fā)明的混凝土設(shè)計(jì)中，還應(yīng)用了大量的聚合物纖維，其中的H元素對(duì)于中子射線的屏蔽也有很好的效果。因此，本發(fā)明方法制備混凝土材料可以同時(shí)滿足屏蔽中子射線和Y射線這兩方面要求。進(jìn)一步的，所述粗集料優(yōu)選為5 31.5mm連續(xù)級(jí)配，表觀密度優(yōu)選為2600 3200kg/m3，吸水率優(yōu)選為2 6%，壓碎值指標(biāo)優(yōu)選為6 15%。進(jìn)一步的，所述細(xì)集料細(xì)度模數(shù)優(yōu)選為2.5 3.5，其中，所述高鈦重礦渣砂的表觀密度優(yōu)選為2700 3300kg/m3，所述鉛粉的表觀密度優(yōu)選為1800 2500kg/m3。本發(fā)明所采用的高鈦重礦渣集料的表觀密度與膠凝材料基體的表觀密度較接近，在混凝土中不會(huì)產(chǎn)生明顯的集料下沉現(xiàn)象；而且，由于高鈦重礦渣集料在淬冷過程中外部礦渣表面將形成一定量孔洞，使該部分礦渣密度小于膠凝材料漿體，形成了有效的集料干涉作用，即密度相對(duì)較高的礦渣向下運(yùn)動(dòng)與密度相對(duì)較低的礦渣向上運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生碰撞，使集料的總動(dòng)量顯著下降，從而在一定程度上大大降低了兩種集料的運(yùn)動(dòng)速率，使得混凝土的分層程度得到了降低，制備得到勻質(zhì)性良好的混凝土。該勻質(zhì)性良好的防輻射混凝土可有效降低混凝土的開裂傾向及微觀缺陷，使得集料分布均勻、耐久性增強(qiáng)，從而提升防輻射混凝土每個(gè)區(qū)域的屏蔽性能及使用年限。進(jìn)一步的，所述的水泥優(yōu)選為具有防輻射性能的水泥和普通硅酸鹽水泥的混合物，其中，具有防輻射性能的水泥與普通硅酸鹽水泥的摻配質(zhì)量比例優(yōu)選為1:1 5。其中，所述具有防輻射性能的水泥優(yōu)選為硫鋁酸鋇鈣水泥或硫鋁酸鍶水泥。進(jìn)一步的，本發(fā)明所用減水劑可采用常規(guī)減水劑，優(yōu)選為聚羧酸系高效減水劑。本發(fā)明礦渣集料制備的防輻射混凝土的生產(chǎn)方法，包括如下步驟:a、將膠凝材料、粗集料、細(xì)集料、增粘劑和纖維按照配比加入，拌勻，得到混合材料；b、向a步驟制得的混合材料中加入減水劑和水，拌勻，即得。下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做進(jìn)一步的描述，并不因此將本發(fā)明限制在所述的實(shí)施例范圍之中。實(shí)施例1 按照表I中的原料配比選取原料，將膠凝材料、粗集料、細(xì)集料、增粘劑和纖維倒入混凝土攪拌機(jī)中干拌，再加入減水劑和水，繼續(xù)拌合，即得。其物理性能技術(shù)指標(biāo)和線性衰減系數(shù)列于表5和表6。表I礦渣集料制備的防輻射混凝土各原料的配合比
權(quán)利要求
1.礦渣集料制備的防輻射混凝土，其特征在于，由以下重量份的原料組成: 水140 190重量份， 凝膠材料350 630重量份， 細(xì)集料 750 850重量份， 粗集料 1000 1500重量份， 增粘劑 0.35 1.9重量份， 減水劑 2.1 7.5重量份， 纖維 30 70重量份； 其中，所述膠凝材料由水泥和礦物摻合料組成，所述礦物摻合料由硅灰和粉煤灰組成，凝膠材料的組成為:300 500重量份的水泥、20 60重量份的硅灰和30 70重量份的粉煤灰；所述粗集料為高鈦 重礦渣粗集料；所述細(xì)集料由高鈦重礦渣砂和鉛粉按質(zhì)量比1:0.2 3.0組成；所述增粘劑為甲基纖維素醚；所述纖維為聚丙烯纖維、鋼纖維和鉛纖維的一種或多種。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述礦渣集料制備的防輻射混凝土，其特征在于:所述高鈦重礦渣粗集料為5 31.5mm連續(xù)級(jí)配，表觀密度為2600 3200kg/m3，吸水率為2 6%，壓碎值指標(biāo)為6 15%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述礦渣集料制備的防輻射混凝土，其特征在于:所述細(xì)集料的細(xì)度模數(shù)為2.5 3.5，其中，高鈦重礦渣砂的表觀密度為2700 3300kg/m3，鉛粉的表觀密度為1800 2500kg/m3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3任一項(xiàng)所述礦渣集料制備的防輻射混凝土，其特征在于:所述的水泥為具有防輻射性能的水泥和普通硅酸鹽水泥的混合物，其中，具有防輻射性能的水泥與普通硅酸鹽水泥的摻配質(zhì)量比為1:1 5。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述礦渣集料制備的防輻射混凝土，其特征在于:所述的具有防輻射性能的水泥為硫鋁酸鋇鈣水泥或硫鋁酸鍶水泥。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5任一項(xiàng)所述礦渣集料制備的防輻射混凝土，其特征在于:所述的減水劑為聚竣酸系聞效減水劑。
7.權(quán)利要求1 6任一項(xiàng)所述礦渣集料制備的防輻射混凝土的生產(chǎn)方法，其特征在于包括如下步驟: a、將膠凝材料、粗集料、細(xì)集料、增粘劑和纖維按照配比加入，拌勻，得到混合材料； b、向a步驟制得的混合材料中加入減水劑和水，拌勻，即得。
全文摘要
礦渣集料制備的防輻射混凝土及其生產(chǎn)方法，以有效消納利用礦物廢渣，提高混凝土的防輻射性能和耐久性能。礦渣集料制備的防輻射混凝土由以下重量份的原料組成水140～190重量份，凝膠材料350～630重量份，細(xì)集料750～850重量份，粗集料1000～1500重量份，增粘劑0.35～1.9重量份，減水劑2.1～7.5重量份，纖維30～70重量份；其中，所述膠凝材料由水泥和礦物摻合料組成，所述礦物摻合料由硅灰和粉煤灰組成，凝膠材料的組成配比為300～500重量份的水泥、20～60重量份的硅灰和30～70重量份的粉煤灰；所述粗集料為高鈦重礦渣粗集料；所述細(xì)集料由高鈦重礦渣砂和鉛粉按質(zhì)量比10.2～3.0組成；所述增粘劑為甲基纖維素醚；所述纖維為聚丙烯纖維、鋼纖維和鉛纖維的一種或多種。
文檔編號(hào)C04B28/06GK103224369SQ20131012177
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2013年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月9日
發(fā)明者管理, 牟廷敏, 梁毅, 丁慶軍, 賴長(zhǎng)福, 范碧琨, 王劍川, 解超平, 成榮軍, 楊勝利 申請(qǐng)人:四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院