时子环核辐射水泥以及混凝土

2020年10月31日发(作者：陶大钊)
一、防辐射水泥
防辐射水泥是一种对X射线、γ射线、快中子和热中子能起较好屏蔽作用的< br>水泥。这类水泥的主要品种有钡水泥、锶水泥、含硼水泥等。钡水泥以重晶石
粘土为主要原料，经 煅烧获得以硅酸二钡为主要矿物组成的熟料，再掺加适量
石膏磨制而成。其比重达4.7～5.2,可与 重集料(如重晶石、钢段等)配制成防
辐射混凝土。钡水泥的热稳定性较差，只适宜于制作不受热的辐射 防护墙。锶
水泥是以碳酸锶全部或部分代替硅酸盐水泥原料中的石灰石，经煅烧获得以硅
酸三锶 为主要矿物组成的熟料，加入适量石膏磨制而成。其性能与钡水泥相近，
但防射线性能稍逊于钡水泥。在 高铝水泥熟料中加入适量硼镁石和石膏，共同
磨细，可获得含硼水泥。这种水泥与含硼集料、重质集料可 配制成比重较高的
混凝土，适用于防护快中子和热中子的屏蔽工程。
专利《种防辐射水泥、硫酸的生产方法》（申请号专利号： 2）
介绍了一种防辐射水泥、硫酸的生产方 法，本发明提供了一种采用五级旋风预热技
术和“二转二吸”酸洗制酸技术，以脱硫石膏、硬石膏、重晶 石为主要原料经过预
热、分解、煅烧，得到二氧化硫气体浓度为7.0~11.0％的窑气和钡水泥熟料 。采用
“二转二吸”酸洗制酸工艺将二氧化硫气体制成质量分数为92.5%和98.0%工业硫酸；< br>所得钡水泥熟料经冷却机冷却后，与2.0～4.5%的石膏共同入水泥磨，生产出具有防
辐射性 能的钡水泥。本发明的优点有：原料配比独特，便于生产硫酸；充分利用了
脱硫石膏、粉煤灰、石煤等废 物资源，且不产生二次污染；充分发挥了重晶石资源
的利用价值；采用五级旋风预热工艺，能耗低，效益 高。

二、防辐射混凝土

防辐射混凝土又称为防射线混凝土、原子能 防护混凝土、屏蔽混凝土，核反应
堆混凝土或重混凝土。作为原子能反应堆，粒子加速器及含放射源装置 的防护材料，
它能有效的屏蔽原子核辐射，即射线，一般指α、β、γ、X等射线和中子辐射。核
技术自诞生以来使得到迅速的发展，目前已在如核电、军事、教育，科研、医疗等
众多领域得到了广泛 的应用，然而其安全性一直是困扰其进一步发展的关键。众所
周知，原子核反应产生的大量如α、β、γ 、X射线和中子射线能够诱发癌症，白血
病和多发性骨髓癌、大胸恶性肿瘤，甲状腺技能紊乱、不育症、 流产和生育缺陷等
多种人类绝症以及诱发植物的基因变异，危害农作物的生长，而且其潜伏期长，短时间内无法得知。因此，为防止射线对人体的伤害，在建造有辐射源的建筑时，必
须设置防护体。
水泥混凝土是目前使用最为广泛的射线防护材料，主要用于制作核反应堆的内
外壳以及核废料的 固化处理。虽然在核工业问世的5O年里，尚未出现一例核事故是
因为屏蔽工程所引起的，但是核事故一 旦发生，将会造成灾难性的破坏。1986年4
月前苏联的切尔诺贝利核泄漏事故酿成了使大半个欧洲受 害，2 500平方公里的土地
不能居住，10万人不得不大迁移的悲剧，死伤也不计其数 。中国在1 992年发表科学
技术白皮书—《中国科学技术政策指南》指出：不仅要研究开发先进压水堆和固有安全压水堆技术以及先进的按燃料循环技术，其中包括压水堆反应屏蔽及核废料后
处理和贮存技术， 在建材工业一节中更是明确指出：开发研究适用于核工业核电站
发展的新型防护材料。近十年来美国、俄 罗斯等多国政府也早已认识到这一问题的
重要性，并加大了研究核反应堆射线防护技术，核废料后处理技 术以及新型防辐射
材料的开发力度。因此，对于建材行业来说，开发研究新型、经济、安全合理的防辐射混凝土及其核肥料固化材料，具有重大战略意义和深远的社会意义。
当前核技术的安全性问题 主要包括两个方面，其一，如何提高防辐射混凝土的
射线屏蔽性能；其二，如何安全处理日益增多的核废 料。自前苏联于1954年建成世
界上第一座核电厂以来，至今全世界已有按电厂400多座，核废料的 排放量在与日俱
增。据估计全世界核电放射性废物排放量已累计超过4×106m3。我国在今后十年中
每年也将产生核废物7×105m3,而由于目前所使用的按废料水泥固化材料的抗渗出
性能差 ，按废液渗入地下水，给人类的健康造成了巨大的危害，有关这类事件屡见
不鲜。但是由于此前这些研究 并没有对材料的组成，结构与性能的关系进行深入研
究，进而提高材料的防辐射能力，因而取得的成果甚 微。

防辐射混凝土研究现状
防辐射混凝土主要防止α 、β 、γ 、X 和中子射线对人体的伤害，这些射线
中，α 、β 射线穿透能力低且易被吸收，很小厚度的防护材料就能屏蔽这些射线，
设计防辐射混凝土时主要考虑对γ 射线和中子射线的屏蔽，γ射线穿透能力强，其
通过高密度建筑材料时能量能被减弱，达到一定密度和厚 度时，γ 射线可完全被吸
收，中子射线因不带电核，所以具有高度穿透能力，对中子射线防护相对于对γ 射
线防护难度更大。
目前国内外关于防辐射混凝土的研究主要集中在下面几个方向：１）原材 料对
防辐射混凝土性能影响；２）矿物掺和料对防辐射混凝土性能影响；３）防辐射混
凝土配合 比设计；４）防辐射混凝土长期性能研究。

1、胶凝材料‐水泥
配制防辐射混凝 土所用胶凝材料有普通硅酸盐水泥、高铝水泥、钡水泥、含硼
水泥、锶水泥等。高铝水泥具有早期强度高 、高强、耐高温、耐化学腐蚀等特点，
钡水泥相对密度较普通水泥高，可与重质集料配制成均匀、密实屏 蔽γ 射线混凝土，
但其热稳定性差，只适合于制作不受热辐射的防护墙。硼水泥早期强度增加率大，< br>硼元素吸收热中子与大量减少俘获辐射和屏蔽层发热，结合水中氢元素有慢化快中
子作用，适用于 快中子和热中子防护屏蔽工程，锶水泥屏蔽性能较钡水泥差。水泥
品种对防辐射混凝土屏蔽γ 射线和中子射线的效果有一定影响，Masaharu Kinno
等人研究表明掺加白水泥、石灰岩、 石英岩、硬硼酸钙、高铝水泥等低辐射原材料
配制混凝土对中子射线有良好屏蔽效果。但目前配制防辐射 混凝土还是使用普通硅
酸盐水泥和高铝水泥。
2、骨料
防辐射混凝土中引入重金属 元素提高混凝土对有害射线的屏蔽效果是国内外研
究热点问题，Sang Bum Hong和Alhajali S等人研究表明，混凝土材料掺入Mg 、Ti 、
3

H 、C 、Fe 和Co 能提高混凝土防辐射能力，混凝土防辐射能力与单方混凝土
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中重金属含量密切相关，使用蛇纹石、磁（赤）铁矿石、褐铁矿石、氧化铁粉、钢
丸、钢 锻、重晶石、石膏粉、硼镁铁矿石、铬矿粉、方铅矿等含有重金属元素骨料
来提高混凝土屏蔽γ射线和中 子射线能力是有效的方法。Creutz E等人使用磁铁矿
骨料制备重骨料混凝土，其混凝土强度、混 凝土凝结时间、收缩性能都满足要求。
王萍等人研究表明结晶水调节剂可明显增加水泥水化产物结合水量 ，混凝土中总结
晶水量的提高有利于提高对中子射线屏蔽和提高混凝土强度，磁铁矿与褐铁矿砂、
磁铁矿粉、含硼掺合料骨料能有效屏蔽γ 射线且具有良好导热性能，有利于对辐射
产生热量扩散，重 金属混凝土在循环热效应工作条件下具有良好的热学性能，此研
究结果与Harold等人得出的高水胶 比高温对含铁骨料重混凝土力学性能影响比普通
混凝土影响更大的研究结论有矛盾。Kan Yu‐Ch eng等人研究结果表明重混凝土具有
比普通混凝土更高的弹性模量，随着含铁骨料含量的增加，低掺量 时重金属混凝土
含气量、弹性模量、抗压强度不断增加而抗拉强度减少，铁骨料体积分数为40%时混< br>凝土有最大抗压强度和断裂力学性能，重金属混凝土裂缝形态和断裂力学性能与普
通混凝土没有区 别。Makarious A S等人对钛铁矿骨料混凝土抗辐射性能进行系统研
究，普通混凝土γ 射线强度比钛铁矿混凝土里的强度更强，保护层距离＜50cm钛铁
矿混凝土里γ 射线强度减少率比普通混凝土更大，保护层厚度＞50cm 普通混凝土
具有比钛铁矿混凝土更大的辐射 衰减程度，不同密度钛铁矿骨料混凝土对中子射线
辐射衰减有影响，高密度重骨料对中子射线辐射衰减更 为有效，高密度重骨料可反
射出更多辐射热量大大减少了硬γ射线、二次俘获γ射线产生，重骨料混凝土 中间
气泡的出现增加了中子射线的透过率，导致了一个透过热中子流峰值出现，重骨料
混凝土中 气泡数量增加，混凝土对热中子射线透过率增加。Makarious A S等人研究
了显示褐铁矿重 骨料混凝土，特别是用密度为4.6gcm
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褐铁矿制备的重混凝土具有
比钛铁矿、褐 铁矿重混凝土、普通混凝土更佳的对γ 、X 、中子射线、低速中子射
线辐射衰减效应。Mortazav S M J等人研究表明掺加方铅矿（PbS）重骨料的混凝土
具有比其他重骨料混凝土更好的对γ 射线屏蔽效果。Ermichev S G等人研究表明使
用核废料贫UO
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作为重骨 料制备防辐射混凝土可行。El‐Sayed Abdo A等人对γ 射
线和快中子射线通过重晶石混凝土透过率检测表明，γ 射线和快中子射线强度随重
混凝土厚 度的增加而减少，重晶石混凝土明显减少γ射线和快中子射线透过率。
Yarar YaSemin等人 研究使用硬硼酸钙石、含硼铁精矿作为骨料的重混凝土，研究了
不同掺量硬硼酸钙石混凝土抗压强度与对 中子屏蔽作用，比较了不同中子强度与辐
射时间条件下，普通混凝土与重混凝土对放射性同位素辐射衰减 程度，研究表明掺
硬硼酸钙石骨料重混凝土具有良好的屏蔽效果，制备屏蔽混凝土的硬硼酸钙石合适掺量是10%。Chichester D L等人发现含有聚乙烯、铋的普通混凝土是理想中子射线
屏蔽材料。Akkurt I等人发现含有BaSO
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重金属混凝土有更高γ 射线辐射衰减系数。
Bashter I I等人对赤铁矿、蛇纹石、钛铁矿、褐铁矿重骨料混凝土对γ 射线和中子
射线辐射衰减程度影响及中子射线与γ辐射衰减程度与混凝土厚度之间相关性研究
表 明，赤铁矿蛇纹石、钛铁矿、褐铁矿重骨料混凝土对γ 射线和中子射线有很好的
屏蔽效果。Facure A等人研究了重晶石、磁铁矿、钛铁矿、褐铁矿、磷 铁骨料密度
及不同混凝土厚度对中子透过率影响，骨料密度越大，中子透过率越小，且屏蔽效
果 越好。El‐Sayed Abdo A对白云岩、重晶石‐重晶石、磁铁矿‐褐铁矿、钛铁矿
‐钛铁矿等重骨料混凝土各组成成分对γ 射线 辐射衰减程度和吸收快中子效率进
行理论计算，计算出构成重混凝土各个成分吸收快中子效率。制备防辐 射混凝土除
了要使用重金属骨料以外，还需要掺加一定量外加成分，Akanshu Sharmaa等 人研究
了铅纤维、钢纤维和铅与钢混杂纤维对屏蔽混凝土力学性能（抗压强度、劈裂抗拉
强度、 弯曲韧性）和γ射线屏蔽性能影响，掺加钢纤维提高混凝土力学性能，但是
不能提高混凝土对γ射线的衰 减程度，铅纤维与钛纤维不能提高混凝土力学性能但
是能显著提高混凝土对γ射线的衰减程度，钢纤维与 铅纤维／钛纤维混杂纤维能显
著提高混凝土力学性能与对γ射线的衰减程度。Gaoa X F等人研究了水泥砂浆对放
射线氡屏蔽效果表明聚合物水泥砂浆对氡射线有很好屏蔽效果，但是对γ 射线没有
太好的屏蔽效果。Kharita MH等人在赤铁矿混凝土中掺加碳粉末，研究掺加碳粉末< br>对混凝土屏蔽特性及碳粉末掺量与混凝土力学性能与射线衰减程度的关系，得出了
掺加６％碳粉末 能提高混凝土抗压强度15%，随着碳粉末掺量增加，混凝土对于γ射
线和中子射线屏蔽效果减少的结论 。
3 矿物掺合料对防辐射混凝土的性能影响
高性能混凝土掺加矿物掺合料能显著提高混凝 土的工作性能与耐久性能，防辐
射混凝土中需加入一定比例矿物掺合料，矿物掺合料种类与掺量对防辐射 混凝土工
作性能与屏蔽性能有很大影响。Amritphale S S等人使用赤泥作为辅助胶凝材料 与
氢氧化钡和分散剂经高压与高温处理制备出新型防γ射线材料，赤泥屏蔽材料力学
性能满足要 求且对γ 射线具有比普通混凝土更好的屏蔽效果，在此基础上对赤泥材
料屏蔽γ 射线微观机理进行解释。Sakr K ，EL M N A等人研究了硅粉、谷壳灰对
重骨料混凝土力 学性能与屏蔽性能、耐久性能的影响，掺加15%硅粉重骨料的混凝土
具有高密度、抗压强度、抗拉强度 、抗折强度、粘接强度、弹性模量、辐射衰减度
的特点，掺加谷壳灰重骨料混凝土具有良好抗硫酸盐侵蚀 、高强度γ射线能降低重
骨料混凝土力学性能，而对掺有硅粉、谷壳灰掺料重骨料混凝土力学性能没有明 显
改变，掺加５％硅粉硬化水泥浆体是一种合适屏蔽γ射线材料。
4 防辐射混凝土的配合比设计
伍崇明等人用正交设计试验方法、回归分析方法，研究防辐射混凝土中用水 量、
砂率、水灰比对屏蔽混凝土性能影响及与普通混凝土性能差异。防辐射混凝土抗压
强度随水 灰比增大而减小，呈现线性关系，水灰比比骨料种类对防辐射混凝土抗压
强度的影响更显著；养护龄期对 屏蔽混凝土密度值影响不明显，屏蔽混凝土与普通
混凝土的力学性能变化规律相同。提出了屏蔽混凝土配 合比设计容重法和体积法相
结合的计算方法，给出屏蔽混凝土配合比设计方法步骤。Mahdy M等人 通过研究水胶
比、掺合料掺量、骨料种类、砂率对重骨料混凝土和高强混凝土机械性能影响，得
出掺加硅粉改善了混凝土界面结构、由于增加混凝土内聚力减少了混凝土泌水、混
凝土过渡区厚度增加导 致混凝土机械性能提高，硅粉最佳掺量为10% ，增加砂率重
骨料混凝土和高强混凝土机械性能有一定 程度提高，骨料种类对重骨料混凝土和高
强混凝土的机械性能几乎没有影响。


2 防辐射混凝土研究存在的问题
目前国内外关于原材料对防辐射混凝土性能影响、矿物掺 合料对防辐射混凝土性能
影响、防辐射混凝土配合比设计、防辐射混凝土长期性能等方面已经做了一些初 步
研究与探索，但是还存在下面的一些问题。
１）国内外制备防辐射混凝土通常采用重混凝土 技术，采用磁铁矿石、褐铁矿石或
重晶石作粗细集料，引入充分数量结晶水和含硼、锂等轻元素化合物是 制备防辐射
混凝土最为广泛的一种方法，采用此方法制备防辐射混凝土其粗细集料可屏蔽γ 射
线，轻元素化合物能有效捕捉中子且不形成二次γ 射线，对射线屏蔽作用较好，但
由于骨料 密度大、混凝土容重大，混凝土易离析、混凝土施工性能差，更为重要的
是采用重混凝土方法制备防辐射 混凝土会加大建筑物自重和对建筑物桩基础要求，
还会给建筑物抗震性能带来不利影响。采用新型、对射 线具有良好吸收与反射性能
的轻骨料或轻骨料和重骨料混掺技术是防辐射混凝土未来的研究方向与热点问 题。
２）单方防辐射混凝土的胶凝材料用量大、水化热高，需通过采用掺加矿物掺合料
技术来 降低混凝土水化热，减少混凝土收缩率，提高混凝土的密实性和混凝土抗开
裂能力。但是目前关于矿物掺 合料种类与掺量对防辐射混凝土屏蔽效果是正面还是
负面、影响程度如何及何种矿物掺合料对射线具有最 佳屏蔽效果等方面还很少有相
关的文献报道。
３）目前对于防辐射混凝土配合比设计方法还是 依据普通混凝土设计方法，防辐射
混凝土除了考虑混凝土的工作性能与力学性能以外，还需要考虑其对各 种射线的屏
蔽效果，目前国内外还没有适用于防辐射混凝土配合比设计方法。
４）防辐射混凝 土受到各种射线长时间照射后，硬化防辐射混凝土中的水化产物和
水泥石结构是否会发生改变而引起防辐 射混凝土耐久性不良等以及大剂量射线辐射
防辐射混凝土，导致混凝土内部温度升高，混凝土内部高温对 防辐射混凝土长期性
能将产生什么影响？ 高能量射线作用与多因素协同作用下防辐射混凝土耐久性问
题尚无人研究。