王圳伦陈振富,2倪 康叶 涛吴文涛唐寿康

（1南华大学土木工程学院；2高性能混凝土湖南省重点实验室）

0 引言

近年来，我国核电装机规模不断增加，据中国核能行业协会统计，截至2020年9月底，我国核电机组达到47台，总装机容量为5102.7万千瓦，仅次于美国和法国，位列全球第三。然而，核反应产生大量的α、β、γ中子射线等，对人体及周边生物构成重大威胁，因此研究防辐射材料具有重大意义。

目前常采用磁铁矿、钛铁矿、重晶石、褐铁矿、钢丸等重骨料来配制防辐射混凝土[1-2]。Abdo和Akkurt等人[3-4]采用重晶石配制防辐射混凝土，发现重晶石混凝土对慢中子、快中子和伽马射线有较好的屏蔽效果，并指出线性衰减系数不依赖于水灰比和抗压强度，而是随着混凝土密度的增加而增加。Lotfi-Omran[5]等研究不同水灰比对磁铁矿混凝土力学性能及屏蔽性能的影响，发现磁铁矿混凝土的力学性能、屏蔽性能和微观结构随着水灰比的降低都有所改善。以磁铁矿、钛铁矿、重晶石等为骨料的防辐射混凝土国内外已经有大量文献报道其具有良好的γ射线屏蔽效果，但因其内部结晶水含量很低，对中子射线屏蔽效果不佳。而褐铁矿(2Fe2O3·3H2O)由于其内部结合水含量高达10%～18%，密度为3200～4000kg/m3，被认为是制备防辐射混凝土的良好骨料[6]。Berna等人[7]采用褐铁矿、碎石作骨料配制不同骨料混凝土，通过试验发现褐铁矿作粗细骨料具有最佳的中子屏蔽性能，并采用五参数几何级数（G-P）拟合法计算伽马射线能量吸收（EABF）和暴露累积因子（EBF），结果表明褐铁矿混凝土具有出色的伽马射线屏蔽性能。

当前对褐铁矿混凝土的物理力学性能及防辐射性能有关报道很少。因此本试验采用褐铁矿作为混凝土的粗、细集料，通过力学试验和伽马射线屏蔽试验对褐铁矿混凝土进行深入探究。

1 原材料和配合比

1.1 试验原材料

原材料有水泥、褐铁矿砂、褐铁矿石、普通碎石及河砂，褐铁矿原料选自贵阳某矿山，其化学成分如表1所示。

⑴水泥：采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥。

⑵细骨料：0～5mm褐铁矿砂，表观密度3447kN/m3，24h吸水率9.4%，属于中砂，级配良好，筛分曲线如图1(a)所示；0～5mm河砂，属于中砂，表观密度2623kN/m3，筛分曲线如图1(b)所示。

⑶粗骨料：5～20mm褐铁矿石，表观密度3549kN/m3，24h吸水率4.8%；5～20mm普通碎石，表观密度2713kN/m3。褐铁矿骨料如图2所示。

表1 褐铁矿主要化学成分(%)

图1 细骨料筛分曲线

1.2 配合比设计及试件制备

配合比参照相关规范，考虑到褐铁矿骨料吸水率超出一般范围，避免褐铁矿骨料在搅拌过程中吸收拌合水，在预搅拌混凝土时提前使其吸水，在拌合混凝土时不至于影响新拌混凝土的和易性。根据褐铁矿骨料24h吸水率和不同预湿水下混凝土的工作性能确定了预湿水量，预湿水占褐铁矿骨料质量的1%。经在实验室反复试配，最终确定配合比如表2所示。

表2 混凝土配合比(kg/m3)

试验分别制作了尺寸为150mm×150mm×150mm、100mm×100mm×100mm的褐铁矿混凝土试件及同等数量的普通混凝土试件，24h脱模后立即放入温度20±2℃，湿度为95%以上的标准养护室养护，用于测试试块力学性能及伽马射线屏蔽性能。

2 试验装置与方法

2.1 力学性能试验

混凝土抗压强度测试采用TYE-2000B型压力试验机，在试验过程中为满足精度要求以12kN/s连续加载，加载到破坏，并记录破坏荷载。依据规范[8]计算公式如下：

式中,

fcc——混凝土立方体抗压强度（MPa）；

F——试件破坏荷载（N）；

A——试件承压面积（mm2）。

图2 褐铁矿骨料

2.2 屏蔽性能试验

使用BH3216型核技术应用物理实验平台进行屏蔽性能测试，其主要有γ放射源铅室，NaI探测器，计数系统等三部分组成如图3所示，γ放射源为137Cs。在进行伽马射线屏蔽实验之前，首先要对放射源、铅室穿孔、NaI探测器进行调整使其在一条直线上，在测量材料的屏蔽性能之前，应先测试仪器的本底放射性，关闭铅室放射源，测量本底计数C0。γ射线通过试样的线性衰减系数[9]（μ）由式⑵计算。

图3 γ射线屏蔽试验示意图

式中：I0=N0－C0，I=N－C0

x是样品厚度，N和N0分别在有和没有试样的情况下检测器中记录的计数，I和I0分别在有和没有试样的情况下检测器中记录的计数的本底扣除数。此外屏蔽效果还可以用半值层(HVL)和十分值层(TVL)衡量，分别表示射线强度衰减到一半和衰减到十分之一的厚度，计算公式为：

将养护28d的6个100mm×100mm×100mm的立方体混凝土(褐铁矿和普通混凝土)，切割成尺寸为100mm×100mm×30mm的板块，如图4所示。由于本实验采用的核技术应用物理实验平台γ射线源为单点照射，为测试不同部位，减小误差，将试块表面按图5标记9个点，作为测试点。每块板测试前先测量本底数和γ射线初始光子通量数，之后按照9个测试点的分布位置进行重复性测量并取平均值[10]。

图4 伽马屏蔽试验试块

图5 屏蔽试验测试点分布

3 结果与分析

3.1 抗压强度发展规律

取在标准养护室养护7d、14d、28d的褐铁矿混凝土和普通混凝土试块分别作抗压强度试验，试验结果如图6。从图6中可以看出褐铁矿混凝土在7d、14d、28d的抗压强度均大于普通混凝土，分别增加了33.9%、27.4%，18.4%。经分析认为相同水灰比下褐铁矿混凝土强度高于普通混凝土的主要原因有两点：

⑴褐铁矿属于多孔结构，表面粗糙，吸水性强，水化初期粗细骨料与砂浆交界面不会有过多水分，而随着水化反应的不断推进，孔隙外部水分消耗完成，褐铁矿内部的水分在此时会由于孔内外压差渗出继续参与水化，水泥砂浆进入矿石内部孔隙，形成内嵌，提高了矿石的强度。

⑵如图1褐铁矿砂筛分曲线均在2级配区范围内，而河砂的筛分曲线有一部分在2级配区外，这说明褐铁矿砂级配更好，且发现河砂粒径在1mm以下的较多，即比表面比较大，需要水泥浆体较多，在相同水灰比和相同砂率下，普通混凝土形成的水泥砂浆包裹性比较差，导致水泥砂浆与粗骨料界面粘结性差，进而导致普通混凝土强度低于褐铁矿混凝土。

图6 混凝土各龄期抗压强度

为更好比较各个龄期的发展规律，分别以褐铁矿混凝土和普通混凝土28d的抗压强度为基准，绘制发展强度百分比柱状图，如图7所示。褐铁矿混凝土在7d龄期强度已经达到28d龄期强度的77.4%，而普通混凝只达到68.4%。另外通过图7还可以看出褐铁矿混凝土在7d龄期后其强度发展非常缓慢，这说明褐铁矿混凝土的强度主要在养护前期发展。

图7 混凝土各龄期发展强度百分比

褐铁矿混凝土在养护早期发展强度快的主要原因是褐铁矿中含有较多的铝元素，在混凝土中铝元素以硫酸铝等化合物存在，在水溶液中游离的Al3+能在极短的时间内加速水泥的水化[11]。

3.2 伽马射线屏蔽性能

γ射线衰减程度主要是由屏蔽材料本身对射线的吸收程度决定的。材料的屏蔽性能通常用线性衰减系数表示，其值越大屏蔽效果就越好。通过试验测得光子通量数与褐铁矿混凝土厚度之间的关系如图8 所示，通过非线性拟合，可以看出随着厚度的增加光子通量数呈指数衰减，与指数BeereLambert 定律[12]吻合较好。根据式⑵可得不同厚度下的线性衰减系数μ，如图9 所示，可以看出同种材料不同厚度下线性衰减系数上下波动，这是因为在测量过程中存在厚度误差和计数误差，为减小误差以Ln(I0/I)为纵坐标，厚度为横坐标绘图，然后进行线性拟合，如图10 所示，曲线斜率即为μ。由图10可知褐铁矿混凝土和普通混凝土的线性衰减系数μ 分别为0.02053mm-1和0.01745mm-1。褐铁矿混凝土的线性衰减系数明显大于普通混凝土的，说明褐铁矿混凝土对γ 射线具有良好的屏蔽性能。

图8 光子通量与褐铁矿混凝土板厚度之间的关系

图9 γ 射线在不同厚度中的线性衰减系数

图10 线性拟合得到的线性衰减系数

为更直观反应普通混凝土和褐铁矿混凝土的屏蔽效果，采用半值层和十分值层式⑶和式⑷计算普通混凝土和褐铁矿混凝土的屏蔽厚度，计算结果如表3 所示。由表3 可知，普通混凝土使γ 射线能量衰减一半时所需混凝土厚度为39.7mm，而褐铁矿混凝土只需33.8mm。普通混凝土使γ 射线能量衰减到十分之一时所需混凝土厚度为132mm，而褐铁矿混凝土厚度只需112.2mm，减少厚度约15%。

表3 普通混凝土和褐铁矿混凝土的HVL 和TVL

4 结论

⑴本试验采用褐铁矿砂和褐铁矿石成功配制出了结晶水含量为6.8%、密度在2826㎏/m3的褐铁矿混凝土。

⑵同水灰比下褐铁矿混凝土抗压强度高于普通混凝土，且发现褐铁矿混凝土在7d 龄期强度已经达到了28d 龄期强度的77.4%，而普通混凝只达到68.4%，这一规律与普通混凝土大不相同，建议在施工过程中要注重褐铁矿混凝土的前期养护。

⑶通过γ 射线屏蔽试验，表明所配制的褐铁矿混凝土比普通混凝土屏蔽效果更好，减少厚度约15%。