CN102276207A - 一种硅铁牺牲混凝土 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种牺牲混凝土，属于建筑施工技术领域。该混凝土由以下质量百分比的组份搅拌混合而成：满足标准要求的水泥10-18%，粉煤灰3-8%，硅粉1-3%，赤铁矿30-40%，硅石32-42%，水5-10%，减水剂0.1-0.5%。将这些组份按一定比例混合后制成的本发明牺牲混凝土可以通过各组份原有特性的有机结合，同时满足作为反应堆堆芯构筑材料的各项要求，并具有控制熔融氧化物扩散以及扩散时熔融物均质性的作用，可以在高温下与堆芯其它熔融物相互作用，初步改变熔融混合物的特性，以便氧化堆芯熔融物的高放射性成分，降低堆芯熔融物的温度，通过减少安全壳中产生的气体来减少安全壳内部压力的增加。

Description

一种硅铁牺牲混凝土
技术领域
本发明涉及一种牺牲混凝土，尤其是一种硅铁牺牲混凝土，属于建筑施工技术领域。 
背景技术
据申请人了解，第三代EPR核电站的反应堆堆芯装配有捕集器，其作用是将严重事故(尽管几率非常低)中的堆芯熔融物扩散到侧边大面积区域上，从而通过明显增加熔融物的表面/体积比，以及将堆芯熔融物转移到可冷却区域，避免反应堆堆芯熔融物把底板熔化而穿透底板造成环境核污染。 
为了表面溢流，并充分发挥捕集器冷却结构的作用，从熔融物的顶部、底部和周边进行骤冷，带走表面的衰变热，希望反应堆堆芯的构筑材料都能够在高温下熔融，并满足以下要求： 
A.必须有足够的稳定性以提供熔融物聚集所需的时间； 
B.分解产物应对熔融氧化物的扩散性能产生有利影响，并且使熔融物在开始扩散时处于均匀状态； 
C.由于熔融物一混凝土相互作用产生的气体额外增加了释放到核反应堆安全壳中的质量和能量，故混凝土分解产生的气体必须尽可能少； 
D.机械性能应不低于普通建筑用混凝土。 
实验性熔融氧化物试验显示，普通建筑用混凝土只能满足上述A和D条要求。因此现有混凝土无法满足上述要求，难以使捕集器发挥作用。 
发明内容
本发明的目的在于：提供一种可以在高温下充分熔融的硅铁牺牲混凝土，从而使其构筑的核电站反应堆堆芯可以在一旦发生严重事故时，形成流动性良好的熔融物。通过这一方式将堆芯熔融物转移至一个冷却结构内，大幅度增加熔融物的表面/体积比。通过从熔融物顶部进行冲洗和急剧冷却，从而消除熔融物上表面衰变热；以及通过冷却堆心熔融物捕集器消除熔融物底部和侧面衰变 热，避免反应堆堆芯熔融物把底板熔化而穿透底板造成环境核污染。 
为了达到上述目的，本发明的硅铁牺牲混凝土由以下质量百分比的组份搅拌混合而成： 
满足标准(《通用硅酸盐水泥》GB175-2007中P·II42.5)要求 
上述作为骨料的赤铁矿最好由粒径0-4mm的为23-33％和粒径4-8mm的5-15％组成，硅石最好由粒径0-4mm的22-32％和粒径4-8mm的6-16％组成。减水剂宜采用减水率大于25％的高效减水剂，例如聚羧酸系减水剂。 
牺牲混凝土的功能是与堆芯熔融物相互作用并改变混合物(堆芯熔融物+容器+牺牲混凝土)的特性。硅铁牺牲混凝土的目的是：在事故中聚集熔融物后将其排入扩散区；在限制熔融成分扩散范围的同时，使熔融物扩散以控制熔融物；其主要用于：降低氧化阶段密度，从而转化构成堆芯熔融物的氧化物和金属层；氧化液态熔融物中的高活性成分，特别是从燃料组件和包壳中析出的铀和锆锡合金；降低熔融物温度；通过减少气体(H2O和CO2)的产生来减低安全壳内压力的增加。 
理论研究和实验表明，本发明上述各组份中： 
硅粉，又叫硅灰，通常在工业电炉高温熔炼工业硅及硅铁的过程中随废气逸出的烟尘经捕集收集处理而成。主要为SiO2，颗粒非常细小，平均粒度几乎是纳米级，在混凝土中同时起填充材料和火山灰材料作用，可以大大降低水化浆体中的孔隙尺寸，改善孔隙分布，使混凝土强度提高，渗透性降低，并有助于提高耐久性指标。 
粉煤灰通常主要由玻璃体、莫来石、石英及少量其他矿物组成，是火力发电厂产生的工业废渣，在混凝土中可以产生即“活性效应”、“滚珠效应”和“微集料效应”三种效应。“活性效应”是指粉煤灰中的活性成分铝硅玻璃体与水泥水化产生的Ca(OH)2发生二次反应生成水化硅酸钙等，消弱了Ca(OH)2在混凝土界面过渡层的结晶，大大降低了混凝土内部空隙率，改善了混凝土孔结构，提高了混凝土的强度和密实性。“滚珠效应”是指粉煤灰内大量的海绵玻璃体和铝硅酸盐玻璃微珠，其表面光滑，在混凝土内具有滚珠轴承作用，改善混凝土的工作性。“微集料效应”是指煤灰的微细颗粒填充到水泥颗粒之间的缝隙，改善了混凝土的微观结构，增加了混凝土的密实性。同时，粉煤灰微细颗粒均匀分布在水泥颗粒之间，阻止了水泥颗粒粘聚，有利于混合物的水化，减少了用水量，使混凝土不离析、泌水减少，改善了混凝土的粘聚性和可泵性。总之，粉煤灰可改善混凝土的和易性和泵送性能，同时延长混凝土的凝结时间，降低水化热，减少收缩，提高混凝土的抗渗性能和后期抗冻性能等。 
减水剂(外加剂)是一类分子中含有羧基接枝共聚物的表面活性剂，其中聚羧酸系减水剂是继萘系、三聚氰胺系、脂肪族系和氨基磺酸盐系减水剂之后的第三代高效减水剂，其分子结构呈梳状，主链短，由含羧基的活性单体聚合而成，具有较高的空间位阻效应以及低掺量、高减水率、早期强度增长显著、保坍性能好、不缓凝、对混凝土的干缩影响较小、使用效果不受掺加顺序影响等诸多优点。 
作为赤铁矿主要成分的Fe2O3有利于对锆(Zr)和铀(U)的氧化，其反应副产品铁(Fe)不影响金属熔融物的热化学性能。此外，当熔化金属与消耗性氧化反应之后，剩余的Fe2O3在氧化熔融物中聚集成FeOX，X≥1，降低了液态温度并相应地降低了熔融物-混凝土相互作用所产生的温度。其通过减少辐射热损耗，在扩散过程中冷却熔融物的同时减少熔融物-混凝土相互作用中裂变产物的释放，对熔融物进入扩散区产生了正面影响。 
作为硅质骨料主要成分的SiO2在与熔融物混合后生成硅酸盐，减少了熔融 物-混凝土相互作用池中裂变产物的释放，进一步降低熔融物与水进行能量反应的活性并帮助维持同普通混凝土一样的机械强度和分解性能。 
将这些组份按一定比例混合后制成的本发明牺牲混凝土可以通过各组份原有特性的有机结合，同时满足作为反应堆堆芯构筑材料的各项要求，并具有控制熔融氧化物扩散以及扩散时熔融物均质性的作用，可以在高温下与堆芯其它熔融物相互作用，初步改变熔融混合物的特性，以便氧化堆芯熔融物的高放射性成分，降低堆芯熔融物的温度，通过减少安全壳中产生的气体来减少安全壳内部压力的增加。 
具体实施方式
本发明具体实施的硅铁牺牲混凝土组份见下表 
Figure BDA0000071866310000041
有关技术要求见表1。 
表1 原材料及硅铁牺牲混凝土的技术要求 
Figure BDA0000071866310000042
Figure BDA0000071866310000051
(1)原材料 
水泥：珠江水泥有限公司生产的P·II 42.5水泥，满足《通用硅酸盐水泥》GB175-2007中P·II42.5要求，其性能见表2。 
表2 水泥的性能 
Figure BDA0000071866310000052
粉煤灰：珠海明惠贸易有限公司生产的I级F类优质粉煤灰，其性能见表3。 
表3 粉煤灰的性能 
Figure BDA0000071866310000062
硅粉：上海天恺硅粉材料有限公司90U型硅粉，其性能见表4。 
表4 硅粉的性能 
  序号   检验项目   检验结果
  1   烧失量   2.82％
  2   氯离子   0.003％
  3   二氧化硅   95.02％
  4   比表面积   20800m2/kg
  5   含水率   0.9％
  6   需水量比   110％
  7   28天活性指数   106％
  8   三氧化硫   0.75％
  9   总碱量   0.50％
  10   游离氧化钙   0.00
[0039] 
  11   硫离子   0.005％
硅石：广西融水产硅石的化学成分见表5。 
表5 硅石的化学成分 
Figure BDA0000071866310000071
0-4mm硅石：广西融水产0-4mm硅石的主要性能见表6。 
表6 0-4mm硅石的主要性能 
  含泥量％   泥块含量％   表观密度kg/m3   堆积密度kg/m3
  2.7   0.2   2600   1450
4-8mm硅石：广西融水产4-8mm硅石的主要性能见表7。 
表7 4-8mm硅石的主要性能 
  含泥量％   泥块含量％   表观密度kg/m3   堆积密度kg/m3
  0.4   0.2   2640   1520
赤铁矿：徐州利国铁矿产赤铁矿的化学成分见表8。 
表8 赤铁矿的化学成分 
0-4mm赤铁矿：徐州利国铁矿产0-4mm赤铁矿的主要性能见表9。 
表9 0-4mm赤铁矿的主要性能 
  含泥量％   泥块含量％   表观密度kg/m3   堆积密度kg/m3
  2.9   0.1   4610   2530
4-8mm赤铁矿：徐州利国铁矿产4-8mm赤铁矿的主要性能见表10。 
表10 4-8mm赤铁矿的主要性能 
  含泥量％   泥块含量％   表观密度kg/m3   堆积密度kg/m3
  1.4   0.2   4720   2420
减水剂：格雷斯中国有限公司生产的ADVA161C型减水剂，其性能见表11。 
表11 ADVA161C型减水剂的性能 
Figure BDA0000071866310000082
Figure BDA0000071866310000091
(2)硅铁牺牲混凝土硅质骨料颗粒级配计算见表12。 
表12 硅铁牺牲混凝土硅质骨料颗粒级配计算表 
Figure BDA0000071866310000092
(3)硅铁牺牲混凝土赤铁矿骨料颗粒级配计算，见下表13。 
表13 硅铁牺牲混凝土赤铁矿颗粒级配计算表 
Figure BDA0000071866310000093
Figure BDA0000071866310000101
(4)在原材料符合技术要求的前提下，对硅铁牺牲混凝土进行了研究试验，试验情况见表14，表中硅石、赤铁矿石未列出。 
表14 硅铁牺牲混凝土配合比研究试验情况 
Figure BDA0000071866310000102
经对硅铁牺牲混凝土研究试验用基准配合比的化学成分计算，其结果符合设计要求，具体见表15。 
表15 硅铁牺牲混凝土的化学成分 
(5)对研究试验用的基准配合比在混凝土搅拌站进行了可行性试验，硅铁牺牲混凝土拌合物出机坍落度在设计要求(170±30)mm范围内，其抗压强度满足要求。 
经泵送试验证实：硅铁牺牲混凝土经300s的搅拌，在出机后60min、90min时拌合物可泵性能良好；出泵后的拌合物和易性良好。该配合比能够满足泵送施工技术要求。 
经产出量试验证实：搅拌机生产1.0m3混凝土的实际产出量为0.995m3，误差为-0.50％，在2％误差允许范围内。 
因此，根据上述试验结果，最终确定了硅铁牺牲混凝土配合比，如下表16所示搅拌混合切实可行： 
表16 C30/37硅铁牺牲混凝土配合比 
Figure BDA0000071866310000111
为保证工程质量和改善混凝土施工性能和物理性能，在混凝土拌合物生产时加入矿物添加剂硅粉和粉煤灰，以及使用高减水率的聚羧酸高效减水剂。 
从试验结果看，本实施例混凝土的分解温度为约1180℃。由于生成气体产生的对流混合，熔融物-混凝土可以相互作用，使熔融物收集池边界形成均匀的热量分布。试验还显示，熔融物温度仅在试验过程中有少许降低(若存在)，这说明熔融物-混凝土相互作用具有一个较低的熔融速率，因而具备有利的熔融物扩散条件。 
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。例如减水剂也可以采用上海富斯乐生产的Sample A或Sample B、苏博特新材料有限公司的JM-PCA(I)、巴斯夫化学建材有限公司生产的ASTP5800-1或格雷斯中国有限公司生产的 ADVA160C或ADVA162C型聚羧酸系高效减水剂。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。 

Claims (9)

1.一种硅铁牺牲混凝土，其特征在于由以下质量百分比的组份搅拌混合而成：
满足国标要求的水泥               10-18%
粉煤灰                           3-8%
硅粉                             1-3%
赤铁矿                           30-40%
硅石                             32-42%
水                               5-10%
减水剂                           0.1-0.5%。
2.一种硅铁牺牲混凝土，其特征在于由以下质量百分比的组份搅拌混合而成：
满足国标要求的水泥              13.7%
粉煤灰                          4.5%
硅粉                            1.1%
粒径0-4mm赤铁矿                25.4%
粒径4-8mm赤铁矿                10.3%
粒径0-4mm硅石                  29.2%
粒径4-8mm硅石                  9.6%
水                               5.8%
减水剂                           0.4%。
3.根据权利要求1所述的硅铁牺牲混凝土，其特征在于：所述赤铁矿中粒径0-4mm的为23-33%，粒径4-8mm的为5-15%。
4.根据权利要求1所述的硅铁牺牲混凝土，其特征在于：所述硅石中粒径0-4mm的为22-32%，粒径4-8mm的为6-16%。
5.根据权利要求2或3或4所述的硅铁牺牲混凝土，其特征在于：所述粉煤灰的烧失量≤1.5%。
6.根据权利要求5所述的硅铁牺牲混凝土，其特征在于：所述硅粉中Si02含量≥90%。
7.根据权利要求6所述的硅铁牺牲混凝土，其特征在于：所述赤铁矿中Fe2O3含量≥90%。
8.根据权利要求7所述的硅铁牺牲混凝土，其特征在于：所述硅石中Si02含量≥83%。
9.根据权利要求8所述的硅铁牺牲混凝土，其特征在于：所述减水剂的减水率大于25%。
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Patentee after: China Nuclear Industry Huaxing Construction Co.,Ltd.

Patentee after: Jiangsu Zhonghe Huaxing Engineering Testing Co., Ltd

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