专利摘要

本发明涉及一种高抗裂大体积防辐射混凝土，其特征在于：它由水、胶凝材料、细集料、粗集料、减水剂和纤维组成，胶凝材料由水泥和矿物掺合料组成，纤维由钢纤维和铅绷聚乙烯纤维组成；其中各组分的配比为：水150～170kg/m³，水泥250～450kg/m³，矿物掺合料100～300kg/m³，细集料1000～1800kg/m³，粗集料1500～2200kg/m³，减水剂的质量掺量为胶凝材料总质量的0.6～1.2％，钢纤维的体积掺量为胶凝材料总体积的0.5～1.5％；铅硼聚乙烯纤维的体积掺量为胶凝材料总体积的0.8～1.2％。其物理性能优良，抗裂性能好，从而进一步增强了其防辐射性能。

说明书

技术领域

本发明属于辐射屏蔽建材领域，具体涉及一种高抗裂大体积防辐射混凝土及其施工工艺。

背景技术

随着国际能源危机的日益加深和气候变化威胁的日益逼近，核能作为一种清洁、高效、低碳的能源，在核能发电领域中稳步发展。并且，核设施凭借其优异的多功能特性(探测、寿命评估、发电等)，在医疗、军事、科研等各大领域中也发挥着越来越重要的作用。然而，由于核反应堆存在射线辐射的问题，对人体和周边环境存在着一些安全威胁。因此，在大力发展核设施的同时，必须对其核设施进行射线屏蔽材料方面的深入研究。在目前广泛使用的射线屏蔽材料中，混凝土材料以其经济性好、成分可调性大，屏蔽性能、力学性能和耐久性能均较好，尤其作为固定堆屏蔽材料时不受体积限制等优点，被最为广泛的应用。然而，防辐射混凝土材料还存在着如下的问题：首先，防辐射混凝土建造的屏蔽设施往往是厚度一般大于2m的大体积混凝土建筑，对于这种大体积混凝土而言，其较大的厚度将导致较高的内外温差，从而导致温差应力较大，造成较大的拉应力而使外表产生裂缝；第二，混凝土射线屏蔽设施在的长期的服役过程中，X、γ和中子等射线在与混凝土的各组成成分碰撞和相互作用过程中，会形成一定的热效应，从而导致混凝土产生局部的温升和热应力，这些也将使得大体积防辐射混凝土产生微裂缝。由于防辐射混凝土承担着射线屏蔽的任务，表面或内部的裂缝和微裂纹必将会大大降低其屏蔽性能。因而，提高防辐射混凝土的抗裂性能无疑对提高其核设施的安全性能有着重要的意义。

由于密度较大的材料对射线的屏蔽效果显著，国内外普遍以重晶石、赤铁矿、磁铁矿等密度较大的天然矿石以及钢段、铁粉、铅粉等作为防辐射混凝土的集料，在对于核设施的射线屏蔽方面取得了一定的效果。然而，这些集料的使用也存在以下一些问题：第一，这些密度较大的天然矿石数量有限，大量使用必然导致资源匮乏，盲目的索取不符合国家可持续发展的战略目标；第二，钢段、铁粉、铅粉等作为一种金属材料价格昂贵，也不适宜于大量的使用。

因此，探讨一种能够取代天然矿石的集料具有重要的价值。本课题组通过调研国内一些化工厂、钢铁厂、造纸厂、电镀厂排污区所沉积的污泥成分，发现某污水处理厂污泥中含有铜离子2.4％，锌离子1.0％，镍离子0.3％；某钢铁厂淤泥中含有锰离子26.2％；某电镀厂尾水处淤泥中含有镍离子3.0％，铬离子1.3％，且这些高重金属含量的污泥尚无较好的资源化利用方式。在课题组前期的研究中，采用这些污泥制备了具有射线屏蔽功能的集料和防辐射混凝土，然而在实际防辐射大体积混凝土工程中，还急需对这种环保型功能集料制备的大体积防辐射混凝土的抗裂性能和施工工艺进行深入研究和优化。

发明内容

针对大体积混凝土存在的裂缝问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种高抗裂大体积防辐射混凝土及施工工艺，达到制备高抗裂大体积防辐射混凝土并保证其屏蔽性能的目的。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种高抗裂大体积防辐射混凝土，其特征在于：它由水、胶凝材料、细集料、粗集料、减水剂和纤维组成，胶凝材料由水泥和矿物掺合料组成，纤维由钢纤维和铅绷聚乙烯纤维组成；其中各组分的配比为：水150～170kg/m³，水泥250～450kg/m³，矿物掺合料100～300kg/m³，细集料1000～1800kg/m³，粗集料1500～2200kg/m³，减水剂的质量掺量为胶凝材料总质量的0.6～1.2％，钢纤维的体积掺量为胶凝材料总体积的0.5～1.5％；铅硼聚乙烯纤维的体积掺量为胶凝材料总体积的0.8～1.2％；

所述的粗集料为环保型功能集料和重晶石，环保型功能集料与重晶石的掺配质量比例为1∶0.2～3.0，所述粗集料为5～31.5mm连续级配，所述环保型功能集料的表观密度2100～2800kg/m³，吸水率1.0％～5.0％，压碎值指标6％～16％，所述重晶石的表观密度3800～4200kg/m³；

所述的细集料为环保型功能集料和铅粉，环保型功能集料与铅粉的掺配质量比例为1∶0.2～3.0，所述细集料的细度模数2.5～3.5，所述环保型功能集料的表观密度2100～2800kg/m³。

按上述方案，所述的水泥为为具有防辐射性能的水泥和低热硅酸盐水泥，具有防辐射性能的水泥与低热硅酸盐水泥的掺配质量比例为1～5∶1；所述具有防辐射性能的水泥为钡水泥或锶水泥。

按上述方案，所述的矿物掺合料为粉煤灰、钢渣微粉中的一种或两种的混合，粉煤灰和钢渣微粉两种混合时，粉煤灰和钢渣微粉的掺配质量比例为1∶1～10。

按上述方案，所述的减水剂为聚羧酸系高效减水剂。

按上述方案，所述的环保型功能集料是由主料和辅料混合均匀，在高温炉中进行阶梯式煅烧，然后随炉冷却，得到环保型功能集料；各原料所占质量份数为：主料100份、辅料2～10份；

所述的主料为城市淤泥、污泥或工业废弃物中的一种；

所述的辅料为高岭土、粘土和偏高岭土中的一种。

按上述方案，所述的城市淤泥、污泥为城市河道、湖泊淤泥或生活淤泥以及废水处理厂污泥中的一种。

按上述方案，所述的工业废弃物为钢铁厂、印刷厂、造纸厂、化工厂等工业厂污水处理后的废弃物中的一种。

按上述方案，所述的阶梯式煅烧的阶梯式煅烧制度为：由室温加热至105℃保温20min～40min，在450℃保温20min～45min，在850℃保温20min～30min，在1100℃～1200℃保温40min，其中各阶段的升温速率不得高于10℃/min。

如上所述的高抗裂大体积防辐射混凝土的施工工艺，包括以下步骤：

a)准备工序

将环保型功能集料在使用前浸于水中24h以上，因为在烧制过程中存在一些空隙，集料需要保水后进行混凝土的拌制；

严格控制各原料的温度，使水泥的温度不得高于50℃，矿物掺合料温度不超过35℃，粗集料温度不超过30℃，细集料温度不超过32℃；若水泥温度高于50℃，可要求水泥厂家在水泥出厂前放置一段时间或采取其它降温措施，使水泥温度不高于50℃；以确保砂、石料的温度满足要求，可采取遮阳措施，防止太阳直晒砂和石料；

b)混凝土的拌合

首先加入胶凝材料、粗集料、细集料以及纤维干拌15～20s，再加入水和减水剂湿拌40～60s，湿拌时间过长可能破碎粗集料，从而影响集料级配，达不到密实的目的；

c)混凝土的浇筑和振捣

采用分层浇筑方法进行浇筑，每层浇筑厚度200～500mm，并在每层浇筑完成后进行振捣至密实为止，每次振捣时间15～30s，振捣棒的移动距离小于400mm。密实的标志是：混凝土停止下沉，不再冒气泡，表面呈平坦、泛浆；然后在上一层混凝土初凝之前，进行下一层的浇筑、振捣，振捣方式如上；

d)混凝土的养护

在混凝土初凝后进行覆盖养护，拆模，然后在混凝土终凝后进行蓄水养护，蓄水深度10～20cm，所述的覆盖养护为：在混凝土表面覆盖至少一层湿的覆盖物进行养护，所述覆盖物为麻袋片、草帘、竹帘中的一种。养护一方面避免塑性收缩裂缝的出现，另一方面起到保温的作用。

按上述方案，步骤d)中所述的覆盖养护为：当遇到寒潮时，在混凝土各面覆盖两层湿麻袋，再在其上面包裹一层塑料薄膜进行养护，推迟拆模时间，并选择一天中温度较高的时刻进行拆模，拆模后，涂刷养护液并及时保温覆盖，以满足内表温差要求。

本发明使用环保型防辐射功能集料作为粗、细集料，可以资源化利用含重金属的城市淤污泥、工业污泥；对胶凝材料体系进行优化，按照一定比例复合掺加具有防辐射性能的水泥和低热硅酸盐水泥，在确保防辐射混凝土屏蔽性能的同时，通过降低混凝土的水化热，提高其抗裂性能。

本发明提供的高抗裂大体积防辐射混凝土的施工工艺中：在准备工序中：按一定制度对环保型功能集料进行预处理，发挥环保型功能集料的吸放水特性，从而使其制备的混凝土具有较好的工作性能，提高其抗裂性能；在拌合、浇筑、振捣过程中分别通过控制干拌和湿拌时间、每层浇筑厚度、振捣距离等，提高防辐射混凝土的密实度，减少新拌混凝土的裂纹；在养护阶段，所采取的养护工艺有助于降低该高抗裂大体积防辐射混凝土的水化热，减小温度应力，从而提高该高抗裂大体积防辐射混凝土的抗裂性能。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供的高抗裂大体积防辐射混凝土物理性能优良，抗裂性能好(见表1)；

(2)本发明提供的施工工艺提高了该高抗裂大体积防辐射混凝土的抗裂性能，从而进一步增强了其防辐射性能。

表1高抗裂大体积防辐射混凝土的性能指标

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面通过实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1-3：环保型功能集料的制备

实施例1

根据表2中原料的配比，取100份(质量)城市某化工厂污水处理后的废弃物作主料，加入2份(质量)高岭土作辅料，混合均匀，于高温炉中进行阶梯式煅烧，阶梯式煅烧的煅烧制度为(见表3)：105℃保温40min，在450℃保温45min，在850℃保温30min，在1200℃保温40min，其中各阶段的升温速率不得高于10℃/min，煅烧完毕后随炉冷却即得环保型功能集料，测定其物理性能见表4，其TCLP值见表5。

表2各实施例中各环保型功能集料中原料的配比

表3各实施例中环保型功能集料的阶梯式煅烧制度

实施例2～3

参照实施例1的方法，根据表2中各原料的配比选取原料，按照表3中的阶梯式煅烧制度进行阶梯式煅烧，其中各阶段的升温速率不得高于10℃/min，煅烧完毕后随炉冷却即得环保型功能集料，测定其物理性能指标见表4，其TCLP值见表5。

表4各实施例中环保型功能集料的物理性能指标

表5各实施例中环保型功能集料的TCLP值

表4表明：实施例1-3得到的环保型功能集料的压碎值≤25％，吸水率为1～5％，表观密度为2100～2800kg/m³，筒压强度≥7.0MPa，物理性能优异。

表5表明：实施例1-3得到的环保型功能集料中各重金属危害组分的TCLP值均明显小于允许值，满足TCLP指标要求。

实施例4-7：高抗裂大体积防辐射混凝土的制备

实施例4

表6实施例4的高抗裂大体积防辐射混凝土中各原料的配合比

注：减水剂的质量掺量以其占胶凝材料总质量的百分数计量，纤维的体积掺量以其占胶凝材料总体积的百分数计量。

实施例4中：所述的水泥为钡水泥和低热硅酸盐水泥，钡水泥和低热硅酸盐水泥的掺配质量比例为3∶1，矿物掺合料为钢渣微粉；所述细集料为实施例1制备得到的环保型功能集料和铅粉，掺配质量比例为1∶1.5，该细集料的细度模数为2.5～3.5；所述粗集料为实施例1制备得到的环保型功能集料和重晶石，掺配质量比例为1∶2.5，所述重晶石的表观密度为3800～4200kg/m³。

按照表4中的原料配比选取原料，按下述施工工艺，制备高抗裂大体积防辐射混凝土，其物理性能技术指标列于表10，其对γ射线线性衰减系数及对中子射线总宏观截面列于表11。施工工艺如下：

a)准备工序

将环保型功能集料在使用前浸于水中24h；

严格控制各原料的温度；其中水泥的温度不得高于50℃，否则必须要求水泥厂家在水泥出厂前放置一段时间或采取其它降温措施；砂、石料要采取遮阳措施，防止太阳直晒；使粗集料温度不超过30℃，细集料温度不超过32℃；矿物掺合料温度不超过35℃；

b)混凝土的拌合

首先加入胶凝材料、粗集料、细集料以及纤维干拌15s，再加入水和减水剂湿拌40s；

c)混凝土的浇筑和振捣

采用分层浇筑方法进行浇筑，每层浇筑厚度200mm，并在每层浇筑完成后进行振捣至密实为止，每次振捣时间15～30s，振捣棒的移动距离小于400mm，密实的标志是：混凝土停止下沉，不再冒气泡，表面呈平坦、泛浆；然后在上一层混凝土初凝之前，进行下一层的浇筑、振捣，振捣方式如上；

d)混凝土的养护

在混凝土初凝后进行覆盖养护，拆模，然后在混凝土终凝后进行蓄水养护，蓄水深度15cm，所述的覆盖养护为：在混凝土表面覆盖至少一层湿的麻袋片进行养护。

实施例5

表7实施例5的高抗裂大体积防辐射混凝土中各原料的配合比

注：减水剂的质量掺量以其占胶凝材料总质量的百分数计量，纤维的体积掺量以其占胶凝材料总体积的百分数计量。

实施例5中：所述的水泥为钡水泥和低热硅酸盐水泥，钡水泥和低热硅酸盐水泥的掺配质量比例为1∶1，矿物掺合料为粉煤灰；细集料为实施例3制备得到的环保型功能集料和铅粉，掺配质量比例为1∶1.8，该细集料的细度模数为2.5～3.5，粗集料为实施例3制备得到的环保型功能集料和重晶石，掺配质量比例为1∶1.0，所述重晶石的表观密度为3800～4200kg/m³。

按照表7中的原料配比选取原料，按下述施工工艺，制备高抗裂大体积防辐射混凝土，其物理性能技术指标列于表10，其对γ射线线性衰减系数及对中子射线总宏观截面列于表11。施工工艺如下：

a)准备工序

将环保型功能集料在使用前浸于水中24h；

严格控制各原料的温度；其中水泥的温度不得高于50℃，否则必须要求水泥厂家在水泥出厂前放置一段时间或采取其它降温措施；砂、石料要采取遮阳措施，防止太阳直晒，使粗集料温度不超过30℃，细集料温度不超过32℃；矿物掺合料温度不超过35℃；

b)混凝土的拌合

首先加入胶凝材料、粗集料、细集料以及纤维，干拌20s，再加入水和减水剂湿拌，湿拌60s；

c)混凝土的浇筑和振捣

采用分层浇筑方法进行浇筑，每层浇筑厚度250mm，并在每层浇筑完成后进行振捣至密实为止，每次振捣时间15～30s，振捣棒的移动距离小于400mm，密实的标志是：混凝土停止下沉，不再冒气泡，表面呈平坦、泛浆；然后在上一层混凝土初凝之前，进行下一层的浇筑、振捣，振捣方式如上；

d)混凝土的养护

在混凝土初凝后进行覆盖养护，拆模，然后在混凝土终凝后进行蓄水养护，蓄水深度15cm，所述的覆盖养护为：在混凝土表面覆盖至少一层湿的草帘进行养护。

实施例6

表8实施例6的高抗裂大体积防辐射混凝土中各原料的配合比

注：减水剂的质量掺量以其占胶凝材料总质量的百分数计量，纤维的体积掺量以其占胶凝材料总体积的百分数计量。

实施例6中：所述的水泥为钡水泥和低热硅酸盐水泥，钡水泥和低热硅酸盐水泥的掺配质量比例为3.7∶1，矿物掺合料为钢渣微粉和粉煤灰，其质量掺配比例为1∶1；细集料为实施例2制备得到的环保型功能集料和铅粉，掺配质量比例为1∶0.2，该细集料的细度模数为2.5～3.5，粗集料为实施例2制备得到的环保型功能集料和重晶石，掺配质量比例为1∶3.0，所述重晶石的表观密度为3800～4200kg/m³。

按照表8中的原料配比选取原料，按下述施工工艺，制备高抗裂大体积防辐射混凝土，其物理性能技术指标列于表10，其对γ射线线性衰减系数及对中子射线总宏观截面列于表11。施工工艺如下：

a)准备工序

将环保型功能集料在使用前浸于水中24h；

严格控制各原料的温度；其中水泥的温度不得高于50℃，否则必须要求水泥厂家在水泥出厂前放置一段时间或采取其它降温措施；砂、石料要采取遮阳措施，防止太阳直晒；使粗集料温度不超过30℃，细集料温度不超过32℃；矿物掺合料温度不超过35℃；

b)混凝土的拌合

首先加入胶凝材料、粗集料、细集料以及纤维干拌20s，再加入水和减水剂湿拌50s；

c)混凝土的浇筑和振捣

采用分层浇筑方法进行浇筑，每层浇筑厚度300mm，并在每层浇筑完成后进行振捣至密实为止，每次振捣时间15～30s，振捣棒的移动距离小于400mm，密实的标志是：混凝土停止下沉，不再冒气泡，表面呈平坦、泛浆；然后在上一层混凝土初凝之前，进行下一层的浇筑、振捣，振捣方式如上；

d)混凝土的养护

在混凝土初凝后进行覆盖养护，拆模，然后在混凝土终凝后进行蓄水养护，蓄水深度15cm，所述的覆盖养护为：在混凝土表面覆盖至少一层湿的竹帘进行养护。

实施例7

表9实施例7的高抗裂大体积防辐射混凝土中各原料的配合比

注：减水剂的质量掺量以其占胶凝材料总质量的百分数计量，纤维的体积掺量以其占胶凝材料总体积的百分数计量。

实施例7中：所述的水泥为钡水泥和低热硅酸盐水泥，钡水泥和低热硅酸盐水泥的掺配质量比例为5∶1，矿物掺合料为钢渣微粉和粉煤灰，其质量掺配比例为10∶1；细集料为实施例1制备得到的环保型功能集料和铅粉，掺配质量比例为1∶3.0，该细集料的细度模数为2.5～3.5，粗集料为实施例1制备得到的环保型功能集料和重晶石，掺配质量比例为1∶0.2，所述重晶石的表观密度为3800～4200kg/m³。

按照表9中的原料配比选取原料，按下述施工工艺，制备高抗裂大体积防辐射混凝土，其物理性能技术指标列于表10，其对γ射线线性衰减系数及对中子射线总宏观截面列于表11。施工工艺如下：

a)准备工序

将环保型功能集料在使用前浸于水中24h；

严格控制各原料的温度；其中水泥的温度不得高于50℃，否则必须要求水泥厂家在水泥出厂前放置一段时间或采取其它降温措施；砂、石料要采取遮阳措施，防止太阳直晒；使粗集料温度不超过30℃，细集料温度不超过32℃；矿物掺合料温度不超过35℃；

b)混凝土的拌合

首先加入胶凝材料、粗集料、细集料以及纤维，干拌20s，再加入水和减水剂湿拌50s；

c)混凝土的浇筑和振捣

采用分层浇筑方法进行浇筑，每层浇筑厚度400mm，并在每层浇筑完成后进行振捣至密实为止，每次振捣时间15～30s，振捣棒的移动距离小于400mm，密实的标志是：混凝土停止下沉，不再冒气泡，表面呈平坦、泛浆；然后在上一层混凝土初凝之前，进行下一层的浇筑、振捣，振捣方式如上；

d)混凝土的养护

在混凝土初凝后进行覆盖养护，拆模，然后在混凝土终凝后进行蓄水养护，蓄水深度15cm，所述的覆盖养护为：在混凝土表面覆盖至少一层湿的竹帘进行养护。

表10高抗裂大体积防辐射混凝土的技术指标

表11高抗裂大体积防辐射混凝土的γ射线线性衰减系数及对中子射线总宏观截面(cm-1)

(*：中子数据A.S.MAKARIOUS，I.I.BASHTERZ，A.EL-SAVED ABDO M.SAMIR ABDEL AZIMand W.A.KANSOUH，On the utilization of heavy concrete for radiation shielding.Ann.Nucl.Energy Vol.23，No.3，195-206，1996；γ射线数据Faculty of Science，Zagazig University，Zagazig，Egypt.calculation of radiationattention coefficients for shielding concretes.Ann.Nucl.Eherev.Vol.24，No.17，1389-1401.1997)。

表10说明：本发明制备的高抗裂大体积防辐射混凝土的塌落度和扩展度良好，抗裂性能优异，具有良好的工作性能。

表11说明：本发明制备的高抗裂大体积防辐射混凝土的屏蔽性能达到国外性能指标，具有良好的屏蔽性能。

一种高抗裂大体积防辐射混凝土及其施工工艺专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。