新型建筑材料 课件 第11章 防辐射混凝土

第十一章

防辐射混凝土新型建筑材料2第十一章防辐射混凝土1234概述电离辐射与物质的相互作用电离辐射的衰减机制防辐射混凝土的原材料防辐射混凝土的配合比设计防辐射混凝土的质量控制防辐射混凝土工程案例CONTENTS5673第十一章防辐射混凝土1234概述电离辐射与物质的相互作用电离辐射的衰减机制防辐射混凝土的原材料防辐射混凝土的配合比设计防辐射混凝土的质量控制防辐射混凝土工程案例CONTENTS567411.1概述2核技术是现代科学技术的重要组成部分，是当代最重要的尖端技术之一，在国防、电力、医疗、农业和勘探等众多领域有着广泛应用。带来巨大经济、社会效益的同时，核技术在利用过程中所产生的核辐射，轻则可导致皮肤受损、毛发脱落，重则可诱发癌症、白血病等绝症，制约了核技术的应用和发展。核技术的应用核辐射的危害511.1概述常见的核辐射屏蔽材料铅板防辐射陶瓷防辐射混凝土……定义：干表观密度不小于2800kg/m3用于防护和屏蔽核辐射的混凝土。与其他防护材料相比，其耐久性优良、可塑性强、防护效果好等优势，是目前最为广泛使用的射线防护材料之一。应用：医院CT室防辐射墙体、核反应堆的外壳、粒子加速器、放射性同位素设备的维护、核废料的固化处理等场景。防辐射混凝土611.1概述防辐射混凝土分类（1）根据所用骨料分类重晶石防辐射混凝土（WZ）铁矿石防辐射混凝土（WT）复合骨料防辐射混凝土（WF）（2）按强度等级可划分为：C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60；（3）按干表观密度可划分为：RS1（2800~3200kg/m3）、RS2（3200~3600kg/m3）、RS3（3600~4000kg/m3）、RS4（4000~4400kg/m3）、RS5（4400~4800kg/m3）、RS6（≥4800kg/m3）；711.1概述（4）按拌合物坍落度可划分为：S1（10~40mm）、S2（50~90mm）、S3（100~150mm）、S4（≥160mm）；（5）按抗冻性能等级可划分为：F50、F100、F150、F200、F250、F300、F350、F400、>F400，即能够承受反复冻融循环次数为50、100、150、200、250、300、350、400、和>F400次；（6）按抗水渗透性能等级，可划分为P4、P6、P8、P10、P12、>P12，分别表示能抵抗0.4、0.6、0.8、1.0及1.2MPa的静水压力而不渗水；（7）按抗碳化性能等级，可划分为：T-Ⅰ（≥30d/mm）、T-Ⅱ（20~30d/mm）、T-Ⅲ（10~20d/mm）、T-Ⅳ（0.1~10d/mm）、T-Ⅴ（<0.1d/mm）。8第十一章防辐射混凝土1234概述电离辐射与物质的相互作用电离辐射的衰减机制防辐射混凝土的原材料防辐射混凝土的配合比设计防辐射混凝土的质量控制防辐射混凝土工程案例CONTENTS567911.2电离辐射与物质的相互作用按照辐射粒子能否引起传播介质的电离，辐射可分为非电离辐射和电离辐射。非电离辐射是指粒子不具有足够的能量将物质原子或分子电离化的辐射，由于没有达到将分子分解的能量，且非电离辐射主要是以热效应的形式作用于被照射物体上，因此人体组织基本上不受影响。电离辐射是一种高能量辐射，会破坏生理组织，对人的身体造成伤害，并且这种伤害具有累积效应，因此防辐射材料主要防护的是电离辐射。1011.2电离辐射与物质的相互作用电离辐射可分为粒子辐射（α粒子、β粒子和中子）和高能量电磁波（X射线和γ射线）两类。其中，α粒子和β粒子的穿透能力弱；X射线和γ射线没有质量和电荷，但拥有较高的能量，因此具有较强的穿透能力和生物伤害性；中子射线是由不带电的中子组成的粒子流，穿透力更强，相同照射强度下对生物

的伤害性高于X射线

和γ射线。因此，防

辐射混凝土的主要

防护对象是X、γ和

中子射线。1111.2电离辐射与物质的相互作用X和γ射线与物质的相互作用主要以三种方式为主：光电效应、康普顿效应、电子对效应。（1）光电效应当光子与物质原子的内层束缚电子作用时，光子与原子中的轨道电子发生弹性碰撞，光子的全部能量传递给轨道电子，使电子脱离轨道发射出去，而光子本身消失，这一现象称为光电效应。光电效应发射出的电子称为光电子。原子内层电子被激发电离形成空位，较高能级电子跃迁至该空位，多余能量使原子外层电子激发发射，形成无辐射跃迁的过程称为俄歇效应，被激发的电子即为俄歇电子。光电效应俄歇效应1211.2电离辐射与物质的相互作用（2）康普顿效应光子与物质原子核的外层电子或自由电子发生非弹性碰撞时，光子自身能量减少，波长变长，运动方向改变成为散射光子。电子获得光子一部分能量成为反冲电子，这一过程称为康普顿效应。康普顿效应电子对效应（3）电子对效应高能量光子与物质的原子核发生相互作用，光子放出全部能量，转化为一对正、负电子，这一过程称为电子对效应。在电子对效应中，入射光子消失，产生的正、负电子对在不同方向飞出，其方向与入射电子的能量相关。vv1311.2电离辐射与物质的相互作用中子射线和物质的相互作用主要分为两大部分，即散射和吸收。（1）散射中子的散射过程是指中子和靶原子核作用前后，仅仅是中子与靶核之间能量的交换。中子的散射可分为弹性散射与非弹性散射，如果在散射前后靶原子核并未发生能级上的跃迁，中子和靶原子核系统前后总动能不变，称为弹性散射；如果散射前后靶原子核不仅受到反冲，还吸收一部分动能用于能级上的跃迁，中子和靶原子核系统散射后总动能减少，则称为非弹性散射。弹性散射非弹性散射v1411.2电离辐射与物质的相互作用（2）吸收原子核俘获中子的过程称为吸收，中子的吸收过程包括中子的辐射俘获、发射带电粒子的核反应和核裂变反应。当中子进入到靶核内形成复合核，退激过程中除了发射γ光子外而不再发射其他粒子，则称为中子的辐射俘获。如果复合核退激过程还发射带电粒子，则称为发射带电粒子的核反应。核裂变是重原子核自发分裂为轻原子核并释放出大量能量的核反应。辐射俘获核裂变发射带电粒子的核反应v1511.2电离辐射与物质的相互作用射线种类辐射能力防护材料的选择α射线弱用一般厚度的材料即可，如纸。β射线较弱采用一般厚度的混凝土进行防护。γ射线强采用防辐射混凝土，或采用铅板、钢板、铅玻璃等材料。X射线强采用防辐射混凝土，或采用铅板、钢板、铅玻璃、陶瓷等材料。中子射线较强采用防辐射混凝土，或采用铁、铅板、石蜡、聚乙烯、碳化硼等材料。根据不同射线辐射能力的强弱来选择射线防护材料16第十一章防辐射混凝土1234概述电离辐射与物质的相互作用电离辐射的衰减机制防辐射混凝土的原材料防辐射混凝土的配合比设计防辐射混凝土的质量控制防辐射混凝土工程案例CONTENTS5672026/1/241711.3电离辐射的衰减机制X射线和γ射线没有质量和电荷，能量高，穿透能力强。在通过射线防护介质时，会与其发生反应，使得射线强度随着穿透深度的增加按指数规律减弱，从而达到屏蔽作用。用于屏蔽X射线和γ射线的材料应该选择原子序数高或者密度较大的物质。X射线屏蔽材料通常有铅及其氧化物、防辐射混凝土等；γ射线屏蔽材料通常有铅、钨、铁及其合金、防辐射混凝土等。v2026/1/241811.3电离辐射的衰减机制中子射线是由不带电荷的微粒组成，具有较高的穿透能力。按照能量可分为特快中子、快中子、中能中子和慢中子。

对于中子射线的屏蔽，可以选择铅、钨、铁、钡等重元素来屏蔽快中子，选用富含氢、锂、硼等轻元素的物质屏蔽中能中子和慢中子。v19第十一章防辐射混凝土1234概述电离辐射与物质的相互作用电离辐射的衰减机制防辐射混凝土的原材料防辐射混凝土的配合比设计防辐射混凝土的质量控制防辐射混凝土工程案例CONTENTS5672026/1/242011.4.1防辐射混凝土用水泥水泥种类射线屏蔽能力制备方式普通硅酸盐水泥有一定屏蔽中子射线的能力由硅酸盐水泥熟料、5%~20%的混合材料及适量石膏磨细制成。

钡水泥有效屏蔽γ和X射线以重晶石和黏土为原料，另加入少量有助于重晶石分解的焦炭，粉磨制得适当成分的生料，烧制得到以硅酸三钡为主要矿物组分的熟料，加入适量的石膏共同粉磨而成。

锶水泥以碳酸锶代替硅酸盐水泥原料中的石灰石，经烧结得到以硅酸三锶为主要矿物组成的熟料，加入适量石膏并经磨细而成。

高铝水泥有效屏蔽中子射线以铝矾土和石灰为原料，按一定比例配制，经煅烧、磨细制成。

含硼水泥以铝酸盐熟料作为基材，掺入适量硼镁石和石膏粉磨制备而成。

防辐射混凝土所用水泥2026/1/242111.4.1防辐射混凝土用水泥普通硅酸盐水泥：密度一般为3000~3150kg/m3。强度高、水化热大、抗冻性好、干缩小、耐磨性较好、抗碳化能力较好、耐腐蚀性差、不耐高温的特性。普通硅酸盐水泥水化后的产物含有一定量的结晶水，对屏蔽中子射线有一定能力。钡水泥：密度一般为4700~5200kg/m3。具有表观密度大、早期强度高、干缩小、抗冻性强的特点，对γ射线和X射线具有较高的吸收系数。锶水泥：密度一般4500~5000kg/m3。具有表观密度大、耐久性好、耐化学性能好的特点，对于γ射线和X射线有较好辐射屏蔽性能。2026/1/242211.4.1防辐射混凝土用水泥高铝水泥：密度一般为3200~3250kg/m3。具有早期强度高、结晶水含量高、耐腐蚀、耐高温的特性，且水化产物中有较高的结晶水，高铝水泥所制成的混凝土屏蔽中子射线效果显著。含硼水泥：密度一般为2900~3200kg/m3。具有早期强度高、抗冻性好、抗渗性好、热稳定性好、结晶水含量较高的特点。含硼水泥中有一定量的氧化硼和较多的化学结合水，所含的硼元素能吸收热中子，大量减少俘获辐射和屏蔽层的发热；结合水中的氢元素有慢化快中子的作用。因此所制成的混凝土屏蔽中子射线效果显著。2026/1/242311.4.1防辐射混凝土用水泥防辐射混凝土专用水泥存在的问题制备工艺复杂防辐射效果单一性能不够稳定组成及组成及结构的转变规律研究不足目前，很少能见到集防护γ射线、X射线和中子射线于一体，并且具备一定的耐热能力、水化后结合水较多、相对密度较大的高效防辐射水泥。通常还是以普通硅酸水泥为主要胶凝材料，结合重骨料、合适的活性掺合料和适量外加剂制备。?2026/1/242411.4.2防辐射混凝土用掺和料常用矿物掺合料不仅能降低材料成本，还能起到有效改善混凝土工作性能、降低混凝土温升、提高混凝土后期强度、提高混凝土体积稳定性和耐久性的作用。常用的掺合料对提高混凝土防辐射能力的效果有限，于是人们逐渐把研究的焦点转至重金属粉末、重金属污泥等其他材料。铅粉赤泥2026/1/242511.4.2防辐射混凝土用掺和料虽然重金属掺合料对提高混凝土防辐射性能有积极影响，但也存在着一定的风险，主要是因为重金属与水化产物反应生成的沉淀物或难溶凝胶附着在水泥颗粒表面，会延缓水泥水化，造成混凝土缓凝，甚至不凝。在混凝土中合理的使用纳米颗粒，可以优化混凝土的孔隙结构、提高水泥的水化程度，从而达到提高混凝土力学性能和耐久性的作用。与此同时，纳米颗粒也可以增强对射线的防护效果，随着其掺量的增加，混凝土的线性衰减系数逐渐增大，使得屏蔽性能得到明显改善。2026/1/242611.4.3防辐射混凝土用骨料对于防辐射混凝土而言，骨料的性质对其屏蔽性能有决定性的影响。高密度的重骨料对X射线、γ射线的屏蔽效果较好，而富含结晶水以及含硼、锂等轻元素的骨料对提高中子射线的屏蔽效果显著。由于不同骨料性能特点有所不同，因此要根据辐射源的辐射特性以及骨料的优缺点来优选最佳骨料，当然也可以采用多种骨料混合，从而克服单一骨料的缺点，发挥骨料的各自所长。2026/1/242711.4.3防辐射混凝土用骨料骨料的种类来源及矿产分布情况化学组成表观密度kg/m3特点对混凝土性能的影响重晶石产于低温热液矿脉、沉积岩中，主要分布于广西、贵州、湖南等地。BaSO44000-4400X射线、γ射线防护效果较好

重晶石所含石粉含量较高，混凝土坍落度值损失较普通混凝土大；掺入卵石和普通砂之后，重晶石混凝土的表观密度减小，强度增加；可以提高混凝土的耐久性。磁铁矿产于岩浆岩、变质岩、海滨沙中，主要分布于山东、河北、河南等地。Fe3O44600-5200压碎指标值和吸水率较小；磁铁矿作为骨料时，对混凝土凝结时间、收缩量和强度没有明显不良影响；可提高混凝土的耐久性；赤铁矿产于岩浆岩、变质岩中，主要分布于辽宁、甘肃、湖北等地。Fe2O34600-5200适量添加可以提高混凝土的和易性；赤铁矿骨料与水泥浆体表现出良好的粘附性；可以提高混凝土的抗压强度。钛铁矿产于火成岩、变质岩中，主要分布于四川、河北、云南等地。FeTiO34200-4800钛铁矿混凝土密度高，吸水率低，强度高；正常情况下，抗压强度、抗弯强度、弹性模量会提高；在高温下抗压强度会降低；可以改善混凝土的抗腐蚀性能。玄武岩产于火成岩中，主要分布于福建、河南、安徽等地。SiO22600-2800适量添加可改善混凝土的抗裂性和工作性能；可提高混凝土的耐久性。各种防辐射混凝土骨料及其特点2026/1/242811.4.3防辐射混凝土用骨料蛇纹石产于火成岩中，主要分布于江苏、江西、河南等地。Mg3Si2O5(OH)42400-2650

中子屏蔽效果较好结合水含量高，混凝土的容重大、强度高，和易性、保水性也较好，不影响混凝土物理力学性能。褐铁矿产于火成岩、石灰岩中，主要分布于云南、山东、广东等地。(HFeO2)x(H2O)y3400-3800吸水率大，压碎指标值高，在高温时易失水且强度降低；可以降低混凝土的渗透性，有助于提高混凝土耐久性。硼镁石产于夕卡岩型、热液交代型矿床中，主要分布于辽宁、吉林等地。Mg2B2O5H2O3400-3600加入适量含硼材料，不影响混凝土物理力学性能。2026/1/242911.4.3防辐射混凝土用骨料我国防辐射混凝土部分常用骨料的技术要求骨料种类技术要求重晶石BaSO4含量不低于80%；含石膏或黄铁矿的硫化物及硫酸化合物不超过7%；重晶石含量越高，混凝土的密度和能量吸收能力也就越高；具有严重多孔结构的重晶石，不能用于制作防辐射混凝土。磁铁矿表观密度应较大，坚硬石块含量高，细骨料中Fe2O3含量不低于60%，粗骨料中Fe2O3含量不低于70%，只允许有少量的杂质。但是，在相同中子射线作用下，处于高温的赤铁矿防辐射混凝土热导率、强度和弹性模量均低于室温的。赤铁矿蛇纹石在高温的情况下结晶水含量应偏多，屏蔽中子射线的效果最好。褐铁矿Fe2O3含量不应低于70%，杂质较少，尤其是粘土含量要低。硼镁矿石B2O3含量尽量多，不应溶于水；小于0.15mm的细粉料小于8%；含结晶水和B元素，屏蔽中子的效果较好。硬硼钙石B2O3含量尽量多，不应溶于水；掺入量为10%制备防辐射混凝土的效果最好。2026/1/243011.4.3防辐射混凝土用骨料重晶石：表观密度较高，成本低廉，来源丰富，并且能有效的屏蔽X、γ射线。但是重晶石的热膨胀系数较高，抗冻性较差，重晶石混凝土不适用于寒冷冰冻和温度变化大的环境。磁铁矿：表观密度较高，压碎指标值和吸水率较小，屏蔽X、γ射线性能优异。磁铁矿混凝土导热性能较好，有利于对辐射产生的热量进行扩散，进而提高混凝土的耐久性。赤铁矿：密度大、熔点高、热稳定性较好。屏蔽X、γ射线性能优异，适用范围较广，可用作铅、钢等昂贵防射线材料的替代品。2026/1/243111.4.3防辐射混凝土用骨料钛铁矿：表观密度较大，热稳定性好，具有较好的物理、机械性能，并且能有效的屏蔽X、γ射线。对比普通混凝土和重晶石混凝土具备较好的耐高温性能。蛇纹石：硬度高，具有较好的物理、机械性能。化学结合水含量超过10%，且加热至450~500℃化学结合水也几乎不丧失，因此其具备良好的中子射线屏蔽性能。褐铁矿：高密度、结合水含量为10%~18%，不仅能提高防辐射混凝土的密度，还能提高氢元素含量，因此其具有较好的中子射线屏蔽性能。2026/1/243211.4.3防辐射混凝土用骨料以天然岩石作为骨料外，金属颗粒以及各种工业和生活固废也可用作防辐射骨料。工业副产物作骨料电弧炉渣铜渣CRT铅锌矿2026/1/243311.4.4防辐射添加剂防辐射添加剂是掺入混凝土中，用以增强材料或产品对辐射(如电磁辐射、射线)的屏蔽能力，减少辐射对人体或环境造成影响的一种外加剂。含硼、锂、铬等元素的物质常用作防辐射添加剂。含硼、锂、铬等元素的防辐射添加剂应具有质量证明文件，其掺量应通过试验确定；掺加防辐射添加剂的防辐射混凝土的性能应符合国家现行相关标准的规定，且应通过试验确认防辐射混凝土性能满足工程应用要求。34第十一章防辐射混凝土1234概述电离辐射与物质的相互作用电离辐射的衰减机制防辐射混凝土的原材料防辐射混凝土的配合比设计防辐射混凝土的质量控制防辐射混凝土工程案例CONTENTS5672026/1/243511.5防辐射混凝土配合比设计根据射线屏蔽对象，可适当选择重晶石、磁铁矿、褐铁矿等作为骨料，硅酸盐水泥或高铝水泥、钡水泥等特种水泥作为胶凝材料，使用粒化高炉矿渣粉、粉煤灰等作为掺合料，掺入含硼、锂、铬等的防辐射添加剂，以及减水剂等外加剂，进行配合比设计。与普通混凝土类似，防辐射混凝土的配合比设计步骤同样包括初步配合比计算、试配和调整、施工配合比的确定等。其中，初步配合比计算主要可通过GB/T34008和GB/T50557进行。2026/1/243611.5防辐射混凝土配合比设计（1）GB/T34008方法

防辐射混凝土的配合比应根据干表观密度和强度等级设计要求选择原材料进行计算。

2026/1/243711.5防辐射混凝土配合比设计（2）GB/T50557-2010方法

重晶石防辐射混凝土的配合比应根据表观密度和强度等级设计要求选择原材料进行计算，并应经实验室试配、调整后确定。

重晶石防辐射混凝土基准用水重晶石防辐射混凝土砂率38第十一章防辐射混凝土1234概述电离辐射与物质的相互作用电离辐射的衰减机制防辐射混凝土的原材料防辐射混凝土的配合比设计防辐射混凝土的质量控制防辐射混凝土工程案例CONTENTS5672026/1/243911.6防辐射混凝土的质量控制生产阶段质量控制一优化投料顺序，混凝土搅拌宜以粗骨料、细骨料、水泥、水的顺序进料。针对防辐射混凝土的粗骨料密度大、易离析，宜采用专车运输供应。混凝土在装料时，罐体应高速搅拌，运输途中宜低速搅拌。选用优质人工破碎重质骨料，控制级配并整形，提升预拌混凝土工作性；通过外加剂增粘及掺入重质掺合料，增加浆体黏度和密度，增强重质骨料下沉阻力，降低浆固分离。优化投料顺序，混凝土搅拌宜以粗骨料、细骨料、水泥、水的顺序进料。针对防辐射混凝土的粗骨料密度大、易离析，宜采用专车运输供应。混凝土在装料时，罐体应高速搅拌，运输途中宜低速搅拌。降低水化温升，优先选择低热水泥，大掺量使用粉煤灰、矿渣等掺合料，在保证混凝土强度的基础上控制胶凝材料用量。2026/1/244011.6防辐射混凝土的质量控制生产阶段质量控制一优化投料顺序，混凝土搅拌宜以粗骨料、细骨料、水泥、水的顺序进料。针对防辐射混凝土的粗骨料密度大、易离析，宜采用专车运输供应。混凝土在装料时，罐体应高速搅拌，运输途中宜低速搅拌。严格控制骨料最大粒度、骨料级配和粒形，在保证混凝土耐久性和力学性能的情况下尽可能减少砂率，制混凝土收缩率。在混凝土制备过程中掺入适量减缩剂，减少混凝土毛细管中液相的表面张力，减少收缩开裂。由于重晶石的压碎指标值较大，针对其强度低、脆性的特点，因此混凝土的搅拌时间不宜过长。搅拌时间过长，将使重晶石粗骨料碰撞产生石粉，造成石粉含量增加，影响混凝土性能。2026/1/244111.6防辐射混凝土的质量控制浇筑阶段质量控制二优化投料顺序，混凝土搅拌宜以粗骨料、细骨料、水泥、水的顺序进料。针对防辐射混凝土的粗骨料密度大、易离析，宜采用专车运输供应。混凝土在装料时，罐体应高速搅拌，运输途中宜低速搅拌。防辐射混凝土应连续浇筑施工，一次成型。为确保连续浇筑，浇筑施工前建议设置专人对所需设备的维护情况、配备数量等进行检查，同时对现场供水、供电线路、混凝土泵车停放场地、混凝土搅拌运输车开行路线等情况逐一检查，落实相关的应急措施。由于防辐射混凝土的表观密度大，因此泵送距离不宜过长，以免发生堵塞管道，同时要适当控制混凝土浇筑厚度，以使混凝土可均匀填充模板内部。2026/1/244211.6防辐射混凝土的质量控制浇筑阶段质量控制二优化投料顺序，混凝土搅拌宜以粗骨料、细骨料、水泥、水的顺序进料。针对防辐射混凝土的粗骨料密度大、易离析，宜采用专车运输供应。混凝土在装料时，罐体应高速搅拌，运输途中宜低速搅拌。浇筑过程中要关注对钢筋位置和模板位置的保护，避免出现位移和变形现象。关注模板处是否出现螺栓、拉线的松动以及是否出现胀模和漏浆现象等。同时，混凝土浇筑应控制好浇筑周期。宜采用分层浇捣的方式，避免过度振捣导致骨料下沉。若需采用二次振捣，增加混凝土的密实度和均匀性，则要严格提高二次振捣质量和抹面水平。浇筑时若发现混凝土表层泌出大量水泥砂浆及水泥浆，有分层现象产生，有必要尽快消除引起分层现象的原因，必要时可利用振捣器对已浇筑混凝土中压入粗骨料，从而改进质量。2026/1/244311.6防辐射混凝土的质量控制养护阶段质量控制三优化投料顺序，混凝土搅拌宜以粗骨料、细骨料、水泥、水