防輻射混凝土的研究進(jìn)展

劉奎生，段勁松，劉震國(guó)

（北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100088）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們需要應(yīng)用越來(lái)越多的核技術(shù)，其在醫(yī)療、軍事、核電站等科研領(lǐng)域應(yīng)用極廣。核技術(shù)在為人類(lèi)帶來(lái)方便的同時(shí)，也帶來(lái)了居大的危害，如核輻射，輻射可以導(dǎo)致癌癥、白血病、惡性腫瘤、不孕癥以及流產(chǎn)等，還可導(dǎo)致動(dòng)植物基因突變等[1]。在核技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生許多有害射線：α 射線，人體皮膚就可以屏蔽；β 射線，薄木片或者鋁片就能屏蔽[2]；γ 射線和 X 射線穿透能力較強(qiáng)（由混凝土對(duì)射線的吸收公式 I = 10e-σpx可知，對(duì)相同的 X 射線、γ 射線，即 σ 不變時(shí)，當(dāng)混凝土厚度 x 一定時(shí)，混凝土對(duì)射線的吸收能力隨表觀密度 ρ 的增加而增強(qiáng)；當(dāng)混凝土的表觀密度 ρ 一定時(shí)，混凝土對(duì)射線的吸收能力隨混凝土的厚度 x 增大而變強(qiáng)。因此，為了屏蔽 X 射線和 γ 射線，就需要混凝土具有更高的表觀密度或者更大的厚度）；中子射線不帶電，穿透能力最強(qiáng)，對(duì)細(xì)胞和人體的傷害遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他射線，中子射線按能量可劃分為快速中子、中速中子以及慢速中子，實(shí)際生活或工程中，最常見(jiàn)的是快中子，快中子和物質(zhì)作用時(shí)，造成傷害的過(guò)程是快中子散射、減速，慢中子釋放出 γ 射線[3]，理論上可通過(guò)與重原子核碰撞實(shí)現(xiàn)對(duì)快中子的減速[4]，中速中子和慢速中子需要輕元素來(lái)進(jìn)行有效屏蔽，比如氫原子、硼原子以及含有氫原子的水等，這些原子被稱(chēng)為“中子吸收劑”[5]。

目前，水泥混凝土作為應(yīng)用最廣泛、且相對(duì)來(lái)說(shuō)最經(jīng)濟(jì)的屏蔽射線的材料，已經(jīng)大量用于有關(guān)核技術(shù)的建筑中。本文根據(jù)輻射防護(hù)類(lèi)型以及防護(hù)要求，綜合國(guó)內(nèi)外的研究對(duì)防輻射混凝土的制備技術(shù)，包括水泥用料的選擇、骨料的選取、摻合料的種類(lèi)、外加劑的使用以及配合比設(shè)計(jì)等進(jìn)行綜述。根據(jù)防輻射混凝土現(xiàn)有研究中存在的問(wèn)題，提出防輻射混凝土未來(lái)的研究方向。

1 防輻射混凝土

防輻射混凝土的定義就是可以屏蔽 γ 射線、X 射線和中子射線的容重很大的混凝土。防輻射混凝土的膠凝材料大多選取水化熱低的水泥，其中包括高鋁水泥、鋇水泥、鍶水泥、鎂質(zhì)水泥等特種水泥。用重晶石、磁鐵礦、鉛尾礦、鋼渣等作骨料，加入含氫、硼、鎘、鋰等元素，來(lái)減弱中子流穿透。因?yàn)榉垒椛浠炷恋姆N種優(yōu)良性能，常用作鉛、鋼、鋅等防輻射材料的代替品，用于屏蔽 X 射線、γ 射線和中子輻射作用。對(duì)于 X 射線和γ 射線若采用鉛、鋼、鐵、鋅等密度大的材料，雖然防護(hù)效果較好，但經(jīng)濟(jì)成本太高。中子射線的屏蔽，重元素是不可或缺的，輕元素也起著很大作用，最輕的元素是氫元素，故在防輻射混凝土中加入氫元素可以產(chǎn)生良好的防護(hù)效果。防輻射混凝土用特定的膠凝材料和重骨料配制而成，含有輕元素和重元素，表觀密度大且結(jié)合水含量多[6]，是一種較好的屏蔽射線材料。

2 防輻射混凝土的制備技術(shù)

防輻射混凝土與普通混凝土的區(qū)別在于不僅具有普通混凝土的各項(xiàng)性能，還具備防射線的能力，本節(jié)通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外防輻射混凝土的制備技術(shù)進(jìn)行綜述，來(lái)說(shuō)明防輻射混凝土原材料的選擇和配合比設(shè)計(jì)。

2.1 水泥的選擇

防輻射混凝土原則上需選用水化熱相對(duì)低、表觀密度相對(duì)較大、結(jié)晶水的含量較多的水泥。選用低水化熱水泥是因?yàn)榉垒椛浠炷烈话闶谴篌w積混凝土，水化熱高，為了避免混凝土開(kāi)裂，避免選用高標(biāo)水泥，因?yàn)檫^(guò)細(xì)水泥水化速度快，收縮大，容易開(kāi)裂，所以一般選用32.5MPa 到 42.5MPa 之間的水泥。

水泥水化后的水化產(chǎn)物含有一定量的化學(xué)結(jié)合水，結(jié)合水的含量越高，越能屏蔽中子射線。葉棟等[7]通過(guò)對(duì)不同種水泥水化后的結(jié)合水含量試驗(yàn)，認(rèn)為特種水泥，包括石膏礬土水泥、礬土水泥、鎂質(zhì)水泥等的結(jié)合水量百分比高于硅酸鹽水泥，結(jié)合水的含量百分比最高的是鎂質(zhì)水泥，其達(dá)到硅酸鹽水泥的兩倍，對(duì)中子射線屏蔽的能力更強(qiáng)。M. Dominika 等[8]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，水泥中摻入 Sr、Ba 或 Zr 元素可提高混凝土屏蔽 γ 射線的性能。M. Kinno 等[9]通過(guò)研究水泥品種對(duì)輻射屏蔽能力的影響，認(rèn)為摻高鋁水泥、白水泥等材料的混凝土對(duì)中子射線能夠有效屏蔽。

2.2 骨料的選擇

骨料在混凝土中起骨架和填充作用，在防輻射混凝土中對(duì)其屏蔽性能還起著決定性的作用。對(duì)于骨料的選擇，不僅需要滿(mǎn)足強(qiáng)度以及質(zhì)量要求，還需要有特定成分的加入來(lái)加強(qiáng)混凝土的屏蔽性能，一般加入含氫元素、硼元素的骨料等，比如赤鐵礦、硼鎂石、褐鐵礦、重晶石、硼鐵礦、磁鐵礦、鋼骨料、鈦鐵礦等[10]。

王萍等[11]通過(guò)對(duì)粗骨料和細(xì)骨料進(jìn)行試驗(yàn)，用磁鐵礦碎石和褐鐵礦砂配制出表觀密度為 3670kg/m3、強(qiáng)度為 51.8MPa、結(jié)晶水含量≥4% 的防輻射混凝土，且該混凝土中含有大量磁鐵礦石，導(dǎo)熱性好，輻射產(chǎn)生的熱量擴(kuò)散快，混凝土在循環(huán)熱效應(yīng)的工作條件下表現(xiàn)出良好的熱學(xué)性能。劉華良等[12]通過(guò)采用回收的陰極射線管漏斗玻璃代替混凝土中的磁鐵礦砂，其質(zhì)量置換率分別為 0、20%、40% 和 60%，研究防輻射混凝土的力學(xué)性能和 γ 射線輻射屏蔽效果，研究結(jié)果表明含 20%～40% 細(xì)漏斗玻璃骨料混凝土具有良好的屏蔽性能。陳振富等[13]按 0%、20%、40%、60%、80%、100% 的比例用鉛鋅尾礦砂來(lái)替代普通河砂，制備了鉛鋅尾礦砂防輻射混凝土，對(duì)其進(jìn)行 γ 射線屏蔽性能測(cè)試，并與普通混凝土的性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：隨著替代率增加，γ 射線吸收系數(shù)逐漸增大，屏蔽效果越好。

含重晶石防輻射混凝土的表觀密度大，屏蔽能力強(qiáng)，故用常采用重晶石制備防輻射混凝土。國(guó)內(nèi)對(duì)重晶石作為骨料制備防輻射混凝土開(kāi)展了大量的研究工作。梁國(guó)強(qiáng)等[14]通過(guò)選用生產(chǎn)地為陜西的重晶石和重晶砂，以及用部分河砂代替重晶砂，按一定配合比制備出防輻射混凝土，并對(duì)其進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)。李政統(tǒng)等[15]采用貴州生產(chǎn)的重晶石破碎成連續(xù)級(jí)配的粗、細(xì)骨料，以及重晶石粉、42.5 級(jí)水泥、摻合料和外加劑制備防輻射混凝土，研究發(fā)現(xiàn)混凝土采用摻 15% 粉煤灰替代部分水泥得到的防輻射混凝土各項(xiàng)性能較佳。王杰之等[16]在北大醫(yī)院施工中，用重晶石作為粗骨料和細(xì)骨料，其中摻入鐵礦砂，制備出表觀密度為 3550kg/m3的防輻射混凝土，滿(mǎn)足醫(yī)院對(duì)防輻射混凝土性能的各項(xiàng)要求。高育欣等[17]通過(guò)試驗(yàn)用水泥做膠凝材料，重晶石和重晶砂做骨料，添加外加劑，配制出了表觀密度大于 3600kg/m3、力學(xué)性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的防輻射混凝土。

隨著工業(yè)發(fā)展，廢渣的排放量在增加，廢渣的堆積對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，廢渣需要經(jīng)濟(jì)成本來(lái)解決，如果能夠充分利用廢渣制備防輻射混凝土，不僅節(jié)約資源，還可以改善環(huán)境，一舉兩得。國(guó)外對(duì)工業(yè)廢渣作為骨料制備防輻射混凝土研究較多。M. Maslehuddin 等[18]研究了電弧爐渣骨料和鋼丸骨料制備的混凝土的輻射屏蔽性能。結(jié)果表明，50% 電弧爐渣骨料和 50% 鋼丸骨料混合后的混凝土滿(mǎn)足防輻射混凝土表觀密度和防輻射要求。M. Papachristoforou 等[19]通過(guò)試驗(yàn)研究了電弧爐渣骨料對(duì)混凝土力學(xué)性能和 γ 射線屏蔽性能的影響，采用電弧爐渣和石灰石碎石作為骨料，并在加入了不同幾何形狀的鋼纖維制備防輻射混凝土，測(cè)量了混凝土的單位重量、超聲脈沖速度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、屏蔽性能和韌性，并與常規(guī)混凝土的性能進(jìn)行了對(duì)比，研究發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的石灰石骨料混凝土相比，使用電弧爐渣骨料制備的防輻射混凝土表觀密度更高，強(qiáng)度更高，屏蔽性能優(yōu)異，且混凝土和易性好。J. Baalamurugan 等[20]將感應(yīng)爐鋼渣作為粗骨料部分替代傳統(tǒng)粗骨料制備防輻射混凝土，澆筑尺寸為 (150×150×50)mm3的混凝土砌塊，探究了混凝土的表觀密度、抗壓強(qiáng)度、線性衰減系數(shù)、伽馬衰減系數(shù)和半值層的影響，研究結(jié)果表明，相比于普通混凝土，當(dāng)摻加 50% 鋼渣骨料時(shí)，防輻射混凝土的表觀密度和抗壓強(qiáng)度均明顯提高，線性衰減系數(shù)和伽馬衰減系數(shù)也均顯著提高，對(duì)混凝土的半值層值也有積極影響，說(shuō)明用鋼渣作為粗骨料部分替代傳統(tǒng)骨料制備的防輻射混凝土具有較好的屏蔽效果。M. ?ullu 等[21]采用鉛礦廢棄物作為骨料制備防輻射混凝土，并研究了混凝土的抗壓強(qiáng)度與輻射屏蔽性能。研究發(fā)現(xiàn)礦山鉛礦廢棄物隨其在混凝土中骨料比例的增加而使混凝土的抗壓強(qiáng)度提高；在輻射吸收能力評(píng)價(jià)中，鉛礦骨料對(duì)輻射的吸收不如重晶石骨料，但其吸收比仍高于石灰石骨料；與重晶石骨料混凝土相比，鉛礦山廢棄物的輻射吸收能力相對(duì)較低的原因可能是使用過(guò)的鉛礦山廢棄物中的鉛含量較低，也可能是其結(jié)構(gòu)不均勻，建議今后的輻射吸收能力研究應(yīng)采用含 12% 以上的鉛礦骨料進(jìn)行。M.Alwaeli[22]研究了含氧化鋅渣和氧化鋅渣顆粒的混合物作為細(xì)骨料取代天然砂制備防輻射混凝土，研究氧化鋅渣廢料對(duì) γ 輻射屏蔽和混凝土抗壓強(qiáng)度性能的影響，并與常規(guī)混凝土的抗壓強(qiáng)度和輻射屏蔽性能進(jìn)行比較，結(jié)果表明，與普通混凝土相比，含氧化鋅渣和氧化鋅渣顆?；旌衔锏幕炷辆哂懈叩目箟簭?qiáng)度和更高效的輻射屏蔽性能，氧化鋅渣廢料可以完全替代混凝土中的天然砂。N.M. Azreen 等[23]以含不同惰性材料（硅砂、鉛玻璃）的鋼纖維增強(qiáng)超高性能混凝土作為研究對(duì)象，對(duì)其力學(xué)性能和輻射吸收能力進(jìn)行了試驗(yàn)，由于所涉及材料的豐富性和成本效益，認(rèn)為使用硅砂的超高性能混凝土建造核設(shè)施是可行的。B. Aygün 等[24]研究采用四種新開(kāi)發(fā)的鉻礦石作為骨料制備新型重質(zhì)混凝土，通過(guò)研究對(duì)中子和伽瑪?shù)钠帘涡?yīng)評(píng)價(jià)了混凝土的伽馬射線屏蔽性能、質(zhì)量衰減系數(shù)、半值層和有效原子數(shù)，將所得結(jié)果與石蠟、普通混凝土及部分重質(zhì)混凝土進(jìn)行了比較，理論和試驗(yàn)計(jì)算表明，所有制備的鉻礦石混凝土比參考樣品能夠吸收高速率的伽馬和中子輻射。

2.3 摻合料的選擇

摻合料一般是指礦渣、粉煤灰、硅灰、火山灰、石灰石粉、稻殼灰等能夠代替水泥做膠凝材料的物質(zhì)，能夠改善混凝土各項(xiàng)性能，調(diào)節(jié)混凝土強(qiáng)度等級(jí)，在混凝土拌合時(shí)摻入的粉狀礦物質(zhì)。摻合料按是否參與化學(xué)反應(yīng)可分為活性摻合料和非活性摻合料。

活性摻合料自身硬化速度慢，與石灰、消石灰等加水拌合后，凝結(jié)硬化產(chǎn)生強(qiáng)度。常用的活性礦物摻合料有粉煤灰、粒化高爐礦渣粉、火山灰、硅灰等。李平等[25]在研究防輻射混凝土摻合料時(shí)，為了使醫(yī)院達(dá)到防止射線穿透的能力，采用由礦渣微粉和粉煤灰組成的大摻量摻合料制備防輻射混凝土，試驗(yàn)結(jié)果表明，添加摻料后的混凝土中水泥水化熱顯著降低，可以有效控制混凝土內(nèi)外溫差，避免裂縫出現(xiàn)，且該混凝土可有效屏蔽射線。K. Singh 等[26]在保持水灰比不變的情況下，改變粉煤灰摻量 0%、20%、30%、40%、50% 和 60%，且混凝土中添加了鉛，制備了鉛—粉煤灰防輻射混凝土，在 662keV、1173keV 和 1332keV 輻射能量下，測(cè)量了用于輻射屏蔽設(shè)計(jì)的不同γ輻射相互作用參數(shù)、γ 輻射源輻照率和不同γ射線能量下混凝土的 γ 射線屏蔽性能，并將所得結(jié)果與普通粉煤灰混凝土進(jìn)行了比較，結(jié)果表明在相同的粉煤灰替代水泥百分比下，鉛—粉煤灰混凝土對(duì) γ 射線的屏蔽能力優(yōu)于普通粉煤灰混凝土。S.S. Amritphale 等[27]用赤泥和水泥做膠凝材料，與Ba(OH)2和分散劑經(jīng)高溫、高壓處理制備出新型防 γ 射線材料，發(fā)現(xiàn)赤泥屏蔽材料對(duì) γ 射線的屏蔽效果較好。K. Sakr[28]以硅灰和稻殼灰部分替代水泥、鈦鐵礦和重晶石作為重骨料制備防輻射混凝土，且以礫石作為骨料制備的混凝土做參考樣，研究了不同混凝土的物理力學(xué)性能、屏蔽性能和耐久性，結(jié)果表明：摻量為 15% 硅灰的鈦鐵礦混凝土表觀密度最高，抗壓、拉伸、彎曲和粘結(jié)強(qiáng)度等各項(xiàng)性能較好；摻硅灰和稻殼灰對(duì)混凝土γ衰減系數(shù)均無(wú)顯著影響，摻入稻殼灰的混凝土力學(xué)和物理性能高于不摻入任何摻合料的混凝土，但低于摻入硅灰的混凝土。N.A. El-Faramawy 等[29]對(duì)由純硅酸鹽水泥硬化漿體和含 5% 硅灰復(fù)合膠凝材料硬化漿體制成的試樣進(jìn)行了蒸壓處理，得到了不同蒸壓階段的總線性衰減系數(shù)、平均自由路徑和不同厚度下的半值厚度等衰減參數(shù)，結(jié)果表明，純硅酸鹽水泥試樣蒸壓 12h、13.8cm 厚度和含 5% 硅灰復(fù)合膠凝材料試樣蒸壓 6h、12.9cm 厚度的衰減效果與鉛板蒸壓 3cm 厚度的衰減效果相同。

非活性礦物摻合料是指摻入水泥中主要起填充作用，不發(fā)生反應(yīng)的摻合料。常用的非活性摻合料有石灰石、磨細(xì)石英砂等。伍崇明等[30]在防輻射混凝土中摻加含硼材料，如碳化硼能夠很大程度提高混凝土屏蔽中子射線的能力，只要在混凝土中摻加 1% 的硼含量，就會(huì)使吸收熱中子的強(qiáng)度提高 100 倍。王萍和王福川[31]在防輻射混凝土中摻用了含硼摻合料，進(jìn)一步提高混凝土的屏蔽性能，可屏蔽中子，且不形成二次射線。在防輻射混凝土中摻入鋼纖維、鉛纖維等也能提高混凝土防輻射能力。A. Sharma 等[32]研究了含鉛鋼纖維的防輻射混凝土的力學(xué)性能和輻射屏蔽性能，添加鉛鋼纖維的混凝土的輻射屏蔽性能有顯著提高，比普通混凝土高出50%，且該混凝土具有優(yōu)良的抗彎韌性、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。M. Santhosh 等[33]利用廢舊塑料制成一種新型的用于屏蔽 γ 和中子輻射的廢聚合物混凝土摻合料，這些摻合料是通過(guò)同時(shí)摻入廢鐵聚合材料和來(lái)自鐵工業(yè)的高密度細(xì)、粗骨料成分制成的。結(jié)果表明，廢舊塑料和鐵工業(yè)副產(chǎn)品可以用于制作混凝土摻合料，采用這些摻合料制備的防輻射混凝土具有可接受的抗壓強(qiáng)度，并顯著提高了混凝土對(duì)伽馬和中子輻射的屏蔽能力。

2.4 外加劑的選擇

外加劑在實(shí)際工程中應(yīng)用范圍較廣，混凝土外加劑主要包括：減水劑、早強(qiáng)劑、緩凝劑、速凝劑、引氣劑、防凍劑等[34]。這些外加劑能夠顯著改善混凝土的各項(xiàng)性能，從而使混凝土能夠更好地工作。防輻射混凝土工程一般是大體積混凝土，所以宜選用緩凝劑、減水劑、膨脹劑以及結(jié)晶水調(diào)節(jié)劑，其中緩凝劑是為了延長(zhǎng)初凝時(shí)間，有足夠的時(shí)間進(jìn)行澆筑；減水劑是為了降低混凝土的單位用水量，降低水化熱，減少收縮裂縫并提高和易性[35]；膨脹劑是為了防止防輻射混凝土出現(xiàn)開(kāi)裂，可以抵消混凝土收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力；結(jié)晶水調(diào)節(jié)劑可調(diào)節(jié)結(jié)晶水的含量，結(jié)晶水中的氫元素可以屏蔽中子射線。權(quán)偉博等[36]通過(guò)在防輻射混凝土中加入緩凝減水劑，進(jìn)行有效地保溫措施，使混凝土內(nèi)外溫差得到了控制，降低了裂縫出現(xiàn)的概率。另外，摻入纖維素增稠劑使?jié)仓^(guò)程不出現(xiàn)離析和泌水。

3 配合比設(shè)計(jì)

防輻射混凝土的配合比不僅要滿(mǎn)足普通混凝土的強(qiáng)度技術(shù)指標(biāo)，還要滿(mǎn)足屏蔽放射線的要求，比如表觀密度要大、結(jié)晶水含量要高等。普通混凝土的表觀密度為1950～2800kg/m3，而防輻射混凝土的表觀密度要求大于 3000kg/m3。為了設(shè)計(jì)出符合防輻射混凝土要求，滿(mǎn)足其性能的混凝土，往往需要進(jìn)行大量試驗(yàn)，得到大量數(shù)據(jù)才能選出最優(yōu)配合比[37]。

梁雪峰[38]采用重晶石粗細(xì)骨料與普通混凝土砂石復(fù)配，因密度等級(jí)要求不高，故普通砂與重晶石砂的比例為 6∶4 時(shí)不僅表觀密度達(dá)到要求，坍落度和可泵性也均良好，且符合工程造價(jià)的經(jīng)濟(jì)性。武龍輝[39]用大體積重晶石混凝土作為防輻射材料，在施工過(guò)程中，利用重晶石混凝土容重大特點(diǎn)，控制中心溫度，保證了大體積重晶石混凝土的質(zhì)量。李記恒[40]研究當(dāng)水灰比為 0.29和 0.27 時(shí)，添加碎卵石、鐵礦、鋼纖維和膨脹劑后，抗壓強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，混凝土容重為 3490kg/m3，也滿(mǎn)足防輻射混凝土的容重要求。趙青等[41]通過(guò)對(duì)玄武巖防輻射混凝土配合比設(shè)計(jì)研究，認(rèn)為使用玄武巖摻入硼鈣石粉，可以提高混凝土的防輻射性能，所制備的防輻射混凝土符合各項(xiàng)要求，且成本比用重晶石做骨料的成本減少 50%。王芳利等[42]認(rèn)為配合比的設(shè)計(jì)使用應(yīng)分兩步研究，第一是混凝土的表觀密度，以獲取最大表觀密度為目標(biāo)，進(jìn)行選材和配合比設(shè)計(jì)，同時(shí)要注意抗裂性能的優(yōu)化，選取密度大、孔隙率小的配合比；然后是生產(chǎn)與施工結(jié)合起來(lái)，將設(shè)計(jì)的配合比與實(shí)際工程對(duì)比，從而選出最優(yōu)配合比。佘子盈[43]通過(guò)對(duì)重晶石防輻射混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了力學(xué)性能好、滿(mǎn)足防輻射要求的最合適配合比，認(rèn)為基準(zhǔn)配合比對(duì)重晶石防輻射混凝土各方面要求均符合。

O.Lotfi-Omran 等[44]研究了不同水灰比對(duì)重質(zhì)磁鐵礦混凝土力學(xué)性能和屏蔽性能的影響，研究評(píng)估的參數(shù)為抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、線性衰減系數(shù)、平均自由程、第十值層和半值層，且試驗(yàn)中采用不同能級(jí)的 Cs137 和 Co60 輻射源，研究發(fā)現(xiàn)隨著水灰比的降低，重質(zhì)磁鐵礦混凝土的力學(xué)性能、屏蔽性能和微觀結(jié)構(gòu)均得到改善。A.M. El-Khayatt[45]通過(guò)試驗(yàn)計(jì)算研究發(fā)現(xiàn)灰硅比含量對(duì)質(zhì)量衰減系數(shù)的影響較為明顯，氫含量和混凝土密度對(duì)中子衰減起著最重要的作用。M.O.Azeez 等[46]對(duì)鋼渣、鋼彈等不同高密度粗骨料配制的重質(zhì)混凝土的輻射屏蔽性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。傳統(tǒng)石灰石骨料也被用于控制混凝土的表觀密度，用于部分替代高密度骨料制備重質(zhì)混凝土。考慮普通粗骨料和高密度粗骨料的不同組合，在保持水泥摻量和水灰比不變的情況下，制備了 19 種重質(zhì)混凝土，測(cè)試了其干密度、抗壓強(qiáng)度等，并通過(guò) γ 射線強(qiáng)度測(cè)量了混凝土的核輻射響應(yīng)，由于 SS100（100% 鋼丸骨料）混凝土配合比單位重量最高，在所有配合比中表現(xiàn)出最佳的輻射屏蔽性能。K.S. Bhargav 等[47]配制了不同摻量碳化鎢和碳化硼的混凝土配合比，研究了含碳化鎢和碳化硼添加劑防輻射混凝土的屏蔽效果，結(jié)果表明，摻入改性組分顯著提高防輻射混凝土的屏蔽效果，在混凝土中添加適量的碳化鎢和碳化硼可能是一種可用于多種輻射防護(hù)應(yīng)用的替代方案。

4 長(zhǎng)期性能和耐久性能的研究

防輻射混凝土必須要研究的問(wèn)題是在輻射條件下混凝土的組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能的變化。李國(guó)剛[48]認(rèn)為水泥石和防輻射混凝土經(jīng)高溫后，抗壓強(qiáng)度隨溫度的升高先增加后減少，在 300℃ 時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。王晶等[49,50]研究了用鐵礦石和重晶石配制的防輻射混凝土的滲透性能、抗碳化性能、抗氯離子滲透性能、早期收縮性能和抗凍性能，研究發(fā)現(xiàn)抗?jié)B性和抗碳化性由好到差依次為鐵礦石防輻射混凝土、重晶石防輻射混凝土、普通骨料防輻射混凝土；抗凍性和抗?jié)B性由好到差依次為鐵礦石防輻射混凝土、石灰石防輻射混凝土、重晶石防輻射混凝土；對(duì)其力學(xué)性能研究，隨著齡期的增長(zhǎng)，混凝土的抗壓強(qiáng)度均增長(zhǎng)，長(zhǎng)期強(qiáng)度石灰石防輻射混凝土最大，重晶石防輻射混凝土最低。董匯標(biāo)等[51]研究混凝土收縮，研究表明：防輻射混凝土的 72 小時(shí)收縮值由大到小依次為鐵礦石防輻射混凝土、普通骨料防輻射混凝土和重晶石防輻射混凝土。孫濤等[52]認(rèn)為鋼渣、鋼鍛單摻或復(fù)摻的防輻射混凝土，抗壓強(qiáng)度以及質(zhì)量損失率均隨著凍融次數(shù)的增加而增大，順序?yàn)殇撛畲?，鋼鍛碎石次之，鋼鍛最小?/p>

Vodák 等[53]根據(jù)不同輻照水平，研究了混凝土的強(qiáng)度、多孔結(jié)構(gòu)和相組成的變化?；炷猎?γ 射線的照射下，產(chǎn)生一系列化學(xué)反應(yīng)，從水的輻射分解開(kāi)始，直到方解石的形成，方解石的結(jié)晶減小了孔隙空間的大小，同時(shí)也減小了混凝土的強(qiáng)度。隨著輻照劑量的增加，三種強(qiáng)度都顯著降低。C. Basyigit 等[54]研究了凍融循環(huán)對(duì)混凝土輻射屏蔽性能的影響，分析了采用不同材料作為骨料的混凝土的線性衰減系數(shù)隨凍融循環(huán)的變化，測(cè)量了五個(gè)不同凍融循環(huán)周期的線性衰減系數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同骨料制備的所有防輻射混凝土的線性衰減系數(shù)隨凍融循環(huán)周期而衰減，線性衰減系數(shù)取決于材料的密度，而密度較高的材料對(duì)屏蔽 γ 射線效果更好；凍融循環(huán)可以降低混凝土的輻射屏蔽性能，雖然使用重晶石作為混凝土的骨料，在輻射屏蔽方面具有優(yōu)勢(shì)，但在凍融循環(huán)下也具有缺點(diǎn)。?. Demir 等[55]通過(guò)研究了石灰石、重晶石和菱晶石混凝土屏蔽層的高溫對(duì)混凝土強(qiáng)度、伽馬射線和中子衰減特性的影響。溫度升高到 600℃，使這些屏蔽層的超聲波脈沖速度和抗壓強(qiáng)度值分別降低了 59% 和 62%，重晶石混凝土的 γ 射線衰減系數(shù)增加了 9%，普通混凝土和菱鐵礦混凝土衰減系數(shù)降低了 15%。在 300℃ 條件下，普通混凝土、重晶石混凝土和菱晶石混凝土的中子衰減系數(shù)分別降低了 21%、14% 和 26%。重晶石混凝土在 600℃ 時(shí)的損失高達(dá) 31%。A.L. Beaucour 等[56]研究了高溫對(duì)電弧爐渣作粗骨料制備的防輻射混凝土性能的影響，電弧爐渣作為重級(jí)配粗骨料可以制備可持續(xù)防輻射混凝土，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。研究中將電弧爐渣混凝土的熱性能與重晶石骨料混凝土和普通混凝土性能進(jìn)行比較，一方面，通過(guò)熱重法和差示掃描量熱法同時(shí)測(cè)定了三種防輻射混凝土在加熱后的熱穩(wěn)定性；另一方面，研究了混凝土在加熱過(guò)程中導(dǎo)熱系數(shù)的演變、殘余力學(xué)性能和潛在剝落的評(píng)估。采用立體顯微鏡和掃描電子顯微鏡研究在 450℃ 加熱后防輻射混凝土的硬化漿體—骨料界面。研究發(fā)現(xiàn)電弧爐渣混凝土在升溫時(shí)強(qiáng)度降低較小，這是因?yàn)橛不瘽{體與骨料之間的粘結(jié)強(qiáng)度較高，以及與重晶石骨料相比，電爐渣骨料具有更好的熱性能。S.M.Raizal 等[57]研究了含石英砂和磁鐵礦細(xì)骨料的防輻射混凝土高溫輻照后的輻射屏蔽性能，研究發(fā)現(xiàn)兩種防輻射混凝土的半值層和第十值層均增加了，這主要是由于出現(xiàn)了過(guò)多的剝落和開(kāi)裂，且兩種防輻射混凝土在暴露于 800℃ 的溫度后，輻射屏蔽性能都有顯著下降，但磁鐵礦防輻射混凝土的輻射屏蔽效果略?xún)?yōu)于石英砂防輻射混凝土。

5 防輻射混凝土的研究方向與發(fā)展趨勢(shì)

隨著核技術(shù)的應(yīng)用防輻射混凝土產(chǎn)生，防輻射混凝土在很多防護(hù)工程中得到廣泛應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)防輻射混凝土的原材料選擇、配合比設(shè)計(jì)、耐久性等方面做了一定的研究工作。但是防輻射混凝土的研究還不夠系統(tǒng)深入，還有許多問(wèn)題亟待解決：

（1）現(xiàn)有防輻射混凝土配合比設(shè)計(jì)仍然依據(jù)普通混凝土的配合比設(shè)計(jì)理論，須在深入掌握防輻射原材料自身性能以及原材料對(duì)防輻射混凝土性能的基礎(chǔ)上，建立防輻射混凝土的配合比設(shè)計(jì)理論。

（2）防輻射混凝土微觀結(jié)構(gòu)研究極少，為了更系統(tǒng)全面地掌握防輻射混凝土的性能，必須對(duì)其微觀特性進(jìn)行深入研究。

（3）對(duì)長(zhǎng)期射線輻射下混凝土內(nèi)部溫度升高，水化產(chǎn)物組成和結(jié)構(gòu)的變化，揭示防輻射混凝土長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，提出防輻射混凝土耐久性的評(píng)價(jià)指標(biāo)等方面還有待研究。

（4）制備防輻射混凝土?xí)r采用重骨料導(dǎo)致混凝土極易離析和泌水，研究新型骨料代替?zhèn)鹘y(tǒng)重骨料，獲得更優(yōu)質(zhì)的防輻射混凝土。

（5）制備高強(qiáng)和高性能化的防輻射混凝土、功能化防輻射混凝土以及環(huán)境友好型防輻射混凝土。

6 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)今世界的發(fā)展，各種技術(shù)蓬勃發(fā)展，核技術(shù)作為一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的代表，在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中的作用越來(lái)越明顯，而防輻射混凝土就是其中一個(gè)重要組成部分，是我們必須研究的一個(gè)課題。防輻射技術(shù)應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、核電等重要領(lǐng)域中，我們需要對(duì)防輻射混凝土開(kāi)展更深層次的研究工作，研究新型防輻射混凝土對(duì)推動(dòng)我國(guó)核工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。