CN113563029B - 一种火山岩防辐射混凝土 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种火山岩防辐射混凝土，属于防辐射混凝土技术领域，其原料包括水泥、改性陶粒、微珠、细骨料、外加剂等；其中，改性陶粒是用钢渣粉、火山岩粉、重晶石、污泥干粉、糖、纤维等原料烧结后，再分别进行酸液浸泡、微波和丙烯酸铅溶液浸泡等特殊处理步骤制备而成。本发明提供的防辐射混凝土，利用改性陶粒的特殊性能，提升了混凝土各原料的结合能力，同时能够含有更多具有抗辐射作用的原料，显著提升了混凝土的整体工作性能和力学强度，同时具有优异的防辐射性能。

Description

一种火山岩防辐射混凝土

技术领域

本发明属于建材混凝土领域，特别是一种火山岩防辐射混凝土。

背景技术

辐射以其来源分为天然辐射和人工辐射，天然辐射包括环境中宇宙射线、γ射线、氡、α粒子射线，人工辐射有核电、军事、教育、科研、医疗等领域应用过程中所产生的α、β、γ、X和中子射线等各种射线。人体受到这些射线长期辐射能诱发肿瘤、白血病、甲状腺机能紊乱、不育症、流产和生育缺陷等多种绝症，还会诱发植物基因变异、危害农作物生长。

为避免这些环境中的射线对人体伤害，可以建造各种防辐射的房屋等建筑物供人工作、居住，而防辐射混凝土是建筑主体实现防辐射功能的基础材料。防辐射混凝土主要防止α、β、γ、X和中子射线对人体的伤害，这些射线中，α、β射线穿透能力低且易被吸收，很小厚度的防护材料就能屏蔽这些射线，而γ射线穿透能力强，建筑物达到一定密度和厚度时，γ射线可完全被吸收，中子射线穿透能力更强，对防护中子射线比γ射线难度更大。

目前国内外关于防辐射混凝土的研究中，主要通过在混凝土材料掺入重金属元素来提高混凝土防辐射能力。在实际生产中，可使用蛇纹石、磁(赤)铁矿石、褐铁矿、氧化铁粉、重晶石、石膏粉、硼镁铁矿石、铬矿粉、方铅矿等含有重金属元素的骨料来提高混凝土屏蔽γ射线和中子射线能力。

例如中国授权专利CN110981370B提供的一种抗核爆防辐射3D打印混凝土，采用了由重晶石砂、钢砂、铁砂、橄榄岩砂、玄武岩砂、硬硼钙石砂、硼铁石砂、硼镁石砂、硼玻璃砂、蛇纹石砂或铬矿砂等组成的特种砂，还加入了钢粉、铁粉、磁铁矿粉、硼粉、铬矿粉等金属粉。该专利虽然提到其具有抗冲击、高密实、高屏蔽辐射能力等性能，但是其作用主要在于抗冲击抗核爆方面，对于防辐射效果并未直观体现。

又例如中国专利申请CN111875314A提供了一种防辐射混凝土及其制备方法，其原料包括水泥、矿粉、粉煤灰、重骨料、轻骨料、纤维添加物和其他外加剂，重骨料为重晶石和重晶砂；轻骨料为玄武岩；纤维添加物包括玄武岩纤维和钛纤维。又例如中国授权专利CN106977145B提供了一种防辐射混凝土，原料包括水泥、矿粉、粉煤灰、重晶砂、重晶石、火山岩渣陶粒(轻骨料)、纤维添加物、水、外加剂。但是这两种混凝土的力学强度不高，适用范围有限。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明提供了一种火山岩防辐射混凝土及其制备方法，具体通过以下技术实现。

一种火山岩防辐射混凝土，其原料包括水泥18-25wt％、改性陶粒30-36wt％、微珠7-14wt％、细骨料20-26wt％、外加剂0.5-1wt％、水6-10wt％；

所述改性陶粒的制备方法为：

S1、取原料为：钢渣粉16-20wt％、火山岩粉19-24wt％、重晶石31-37wt％、污泥干粉 9-14wt％、糖4-8wt％、纤维4-8wt％，混合均匀，再加水造粒制成生料球；

S2、将生料球在1000-1350℃烧结冷却，然后球磨制成粒径2-5mm的大小待用；

S3、将陶粒放入酸液中浸泡15-30min，然后继续浸泡并外加微波处理1-2.5min，取出后清水中清洗、干燥后待用；

S4、最后将陶粒放入丙烯酸铅饱和水溶液中，在真空度为0.02-0.05MPa的条件下浸泡 10-15min，取出后干燥得到改性陶粒。

上述火山岩防辐射混凝土，选用了经过特殊方法改性的陶粒，该陶粒利用纤维材料与改性陶粒的其他原料的相互交错缠绕形成的网状结构，增大了陶粒与混凝土其他原料的结合强度；利用烧结时火山岩粉熔化后再凝固和糖的炭化产生的多孔结构；然后再用酸液浸泡和微波处理对陶粒的表面进行一定程度的蚀刻，使其表面更粗糙，更容易吸附和附着丙烯酸铅和混凝土的其他原料；最终利用重晶石和分布于多孔结构内的丙烯酸铅起到双重防辐射的功能；最终使得制备的火山岩防辐射混凝土具有更有益的力学性能和工作性能以及良好的防辐射性能。改性陶粒的原料糖可以选用市面上可以买到的任意能溶于水的糖类，例如白砂糖、葡萄糖、果糖等。

优选地，火山岩防辐射混凝土的原料包括水泥22wt％、改性陶粒35wt％、微珠10wt％、细骨料24wt％、外加剂1wt％、水8wt％。

优选地，所述改性陶粒的制备方法中，步骤S1的原料为钢渣粉19wt％、火山岩粉22wt％、重晶石35t％、污泥干粉12wt％、糖6wt％、纤维6wt％。

优选地，所述改性陶粒的制备方法中，步骤S1的所述纤维为钢纤维或碳纤维，且直径不超过0.1mm，长度为2-4mm。纤维在烧结成型后，可能全部被包裹在陶粒内部，也有可能部分在内部部分伸出陶粒外。

优选地，步骤S2的烧结温度为1300℃，烧结时间为25min。

优选地，所述改性陶粒的制备方法中，步骤S3的所述酸液为浓度为2-3.5mol/L的盐酸、硝酸、硫酸、醋酸、甲酸水溶液。

更优选地，所述改性陶粒的制备方法中，步骤S3的所述酸液为浓度为3.2mol/L。

优选地，所述改性陶粒的制备方法中，步骤S3的微波处理时间为1.5min，功率300-500W。

优选地，所述改性陶粒的制备方法中，步骤S4的真空度为0.04MPa，浸泡时间为12min。

优选地，所述细骨料为石英砂、河砂、机制砂中至少一种；所述外加剂为质量比为(1.5-2):1的减水剂、膨胀剂。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明提供的防辐射混凝土，通过使用特殊方法制备得到的改性陶粒，显著提升了混凝土的整体工作性能和力学强度，同时具有优异的防辐射性能。

具体实施方式

下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

以下实施例和对比例的火山岩防辐射混凝土，如果不做特殊说明，则其原料所选用的水泥为华新牌42.5普通硅酸盐水泥；所选用的微珠为市售的超细粉煤灰微珠，堆积密度 800-1000kg/m³，烧失量≤1％；所用的细骨料为河砂，粒径≤4.75mm，细度模数2.5-2.7，含泥量不超过0.9％；所选用的外加剂为减水剂和膨胀剂且质量比为2:1，减水剂为市售的高效聚羧酸减水剂，膨胀剂为市售的CSAⅠ型膨胀剂。

以下实施例和对比例的火山岩防辐射混凝土的制备方法是将所有除水以外的原料混合均匀后，按比例直接加入水搅拌均匀，即得混凝土。

以下实施例和对比例的改性陶粒的制备方法，如果不做特殊说明，则其所用的原料钢渣粉的粒径为4-10μm；火山岩粉为市售常规商品；重晶石为重晶石砂，粒径≤5mm；污泥干粉为市售产品，粒度80-100nm；糖选用市售普通白砂糖；纤维选用钢纤维、碳纤维，且质量比为2:1，直径为0.08-0.1mm，长度为2-4mm；所用的酸液为2mol/L的盐酸水溶液或醋酸水溶液。

实施例1

本实施例提供的火山岩防辐射混凝土，其原料包括水泥22wt％、改性陶粒35wt％、微珠10wt％、细骨料24wt％、外加剂1wt％、水8wt％。

所述改性陶粒的制备方法具体为：

S1、取原料为：钢渣粉19wt％、火山岩粉22wt％、重晶石35wt％、污泥干粉12wt％、糖6wt％、纤维6wt％，混合均匀，再加水造粒制成生料球；

S2、将生料球在1300℃烧结25min，冷却，然后球磨制成粒径2-5mm的大小待用；

S3、将陶粒放入2mol/L的盐酸水溶液中浸泡25min，然后继续浸泡并外加微波处理1.5min，功率500W；取出后清水中清洗干净，烘干后待用；

S4、最后将烘干的陶粒放入丙烯酸铅饱和水溶液中，在真空度为0.04MPa的条件下浸泡12min，取出后干燥得到改性陶粒。

实施例2

本实施例提供的火山岩防辐射混凝土，其原料包括水泥25wt％、改性陶粒30wt％、微珠14wt％、细骨料24wt％、外加剂1wt％、水6wt％。改性陶粒的配方和制备方法与实施例1相同。

实施例3

本实施例提供的火山岩防辐射混凝土，其原料包括水泥20wt％、改性陶粒36wt％、微珠7wt％、细骨料26wt％、外加剂1wt％、水10wt％。改性陶粒的配方和制备方法与实施例1相同。

实施例4

本实施例提供的火山岩防辐射混凝土，其原料与实施例1相同，改性陶粒的制备方法与实施例1相同。改性陶粒的原料为：钢渣粉17wt％、火山岩粉24wt％、重晶石32wt％、污泥干粉14wt％、糖8wt％、纤维5wt％。

实施例5

本实施例提供的火山岩防辐射混凝土，其原料与实施例1相同，改性陶粒的制备方法与实施例1相同。改性陶粒的原料为：钢渣粉20wt％、火山岩粉20wt％、重晶石37wt％、污泥干粉10wt％、糖5wt％、纤维8wt％。

实施例6

本实施例提供的火山岩防辐射混凝土，其原料与实施例1相同，改性陶粒的原料与实施例1相同。改性陶粒的制备方法与实施例1的不同之处在于：步骤S2中，烧结温度为1000℃，烧结时间为30min；步骤S3中，选用的酸液为3.5mol/L的醋酸水溶液，且在醋酸溶液中浸泡的时间为30min；步骤S4中浸泡时间为10min。

实施例7

本实施例提供的火山岩防辐射混凝土，其原料与实施例1相同，改性陶粒的原料与实施例1相同。改性陶粒的制备方法与实施例1的不同之处在于：步骤S3中，浸泡的时间为15min；步骤S4中浸泡时间为10min。

实施例8

本实施例提供的火山岩防辐射混凝土，其原料与实施例1相同，改性陶粒的原料与实施例1相同。改性陶粒的制备方法与实施例1的不同之处在于：步骤S3中，微波处理时间为2.5min；步骤S4中真空度为0.05MPa，浸泡时间为15min。

对比例1

本对比例提供的火山岩防辐射混凝土，其原料与实施例1相同，改性陶粒的原料与实施例1相同。不同之处在于改性陶粒在制备时，步骤S3仅进行微波处理，未进行酸液浸泡处理，制备方法具体为：

S1、取原料为：钢渣粉19wt％、火山岩粉22wt％、重晶石35wt％、污泥干粉12wt％、糖6wt％、纤维6wt％，混合均匀，再加水造粒制成生料球；

S2、将生料球在1300℃烧结25min，冷却，然后球磨制成粒径2-5mm的大小待用；

S3、将陶粒放入清水中微波处理1.5min，功率500W；取出烘干后待用；

S4、最后将烘干的陶粒放入丙烯酸铅饱和水溶液中，在真空度为0.04MPa的条件下浸泡12min，取出后干燥得到改性陶粒。

对比例2

本对比例提供的火山岩防辐射混凝土，其原料与实施例1相同，改性陶粒的原料与实施例1相同。不同之处在于改性陶粒在制备时，步骤S3仅进行酸液浸泡处理，未进行微波处理，制备方法具体为：

S1、取原料为：钢渣粉19wt％、火山岩粉22wt％、重晶石35wt％、污泥干粉12wt％、糖6wt％、纤维6wt％，混合均匀，再加水造粒制成生料球；

S2、将生料球在1300℃烧结25min，冷却，然后球磨制成粒径2-5mm的大小待用；

S3、将陶粒放入2mol/L的盐酸水溶液中浸泡25min，取出后用清水清洗干净，烘干后待用；

S4、最后将烘干的陶粒放入丙烯酸铅饱和水溶液中，在真空度为0.04MPa的条件下浸泡12min，取出后干燥得到改性陶粒。

对比例3

本对比例提供的火山岩防辐射混凝土，其原料与实施例1相同，改性陶粒的原料与实施例1相同。不同之处在于改性陶粒在制备时，未进行酸液浸泡和微波处理，即生料球烧结之后直接放入丙烯酸铅饱和水溶液中浸泡等处理，烘干后直接使用，制备方法具体为：

S1、取原料为：钢渣粉19wt％、火山岩粉22wt％、重晶石35wt％、污泥干粉12wt％、糖6wt％、纤维6wt％，混合均匀，再加水造粒制成生料球；

S2、将生料球在1300℃烧结25min，冷却，然后球磨制成粒径2-5mm的大小待用；

S3、将陶粒放入丙烯酸铅饱和水溶液中，在真空度为0.04MPa的条件下浸泡12min，取出后干燥得到改性陶粒。

对比例4

本对比例提供的火山岩防辐射混凝土，其原料与实施例1相同，改性陶粒的原料与实施例1相同。不同之处在于改性陶粒在制备时，未进行步骤S4的处理，即酸液浸泡和微波处理后，烘干结束直接作为改性陶粒使用，制备方法具体为：

S1、取原料为：钢渣粉19wt％、火山岩粉22wt％、重晶石35wt％、污泥干粉12wt％、糖6wt％、纤维6wt％，混合均匀，再加水造粒制成生料球；

S2、将生料球在1300℃烧结25min，冷却，然后球磨制成粒径2-5mm的大小待用；

S3、将陶粒放入2mol/L的盐酸水溶液中浸泡25min，然后继续浸泡并外加微波处理1.5min，功率500W；取出后清水中清洗干净，烘干后得到改性陶粒。

对比例5

本对比例提供的火山岩防辐射混凝土，其原料与实施例1相同，改性陶粒的原料与实施例1相同。不同之处在于改性陶粒在制备时，未进行步骤S3和S4的处理，即生料球烧结制成陶粒后直接使用，制备方法具体为：

S1、取原料为：钢渣粉19wt％、火山岩粉22wt％、重晶石35wt％、污泥干粉12wt％、糖6wt％、纤维6wt％，混合均匀，再加水造粒制成生料球；

S2、将生料球在1300℃烧结25min，冷却，然后球磨制成粒径2-5mm的大小，即得到改性陶粒。

应用例1：火山岩防辐射混凝土的工作性能、力学性能测试

根据GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，分别对实施例1-10制备的混凝土和对比例1-2制备的混凝土的力学性能进行测试。根据GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》，分别对实施例1-10制备的混凝土和对比例1-2制备的混凝土的坍落度和扩展度进行测定；上述各检测结果详见表1所示。

表1火山岩防辐射混凝土的工作性能、力学性能测试结果

组名	坍落度，mm	扩展度，mm	28d抗压强度，MPa
				实施例1	215	535	51.6
实施例2	210	530	50.8
				实施例3	215	530	51.1
实施例4	205	525	50.3
				实施例5	215	530	51.4
实施例6	215	525	51.6
				实施例7	215	535	50.2
实施例8	210	535	51.0
				对比例1	235	530	47.3
对比例2	240	535	46.5
				对比例3	245	550	44.7
对比例4	240	545	45.2
				对比例5	245	545	43.6

从上表1可以看到，改变混凝土的原料的用量比例，将对混凝土的工作性能和力学性能产生一定影响。改性陶粒制备时是否进行酸液处理、微波处理，也会影响改性陶粒与混凝土其他原料的结合紧密度，进而影响力学强度和工作性能。

应用例2：火山岩防辐射混凝土的防辐射性能测试

采用GB18871-2002《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》的方法，分别对实施例和对比例制备的混凝土的抗辐射性能进行测试，测试结果如下表2所示。

表2 火山岩防辐射混凝土的防辐射性能测试结果

从上表2可以看到，改变混凝土的原料的用量比例，将对混凝土的抗辐射性能产生一定影响。改性陶粒制备时是否进行酸液处理、微波处理和丙烯酸铅饱和溶液浸泡处理，都会明显影响改性陶粒的微观结构，影响混凝土的抗辐射性能，进而影响力学强度和工作性能。

Claims (10)

1.一种火山岩防辐射混凝土，其特征在于，其原料包括水泥18-25wt％、改性陶粒30-36wt％、微珠7-14wt％、细骨料20-26wt％、外加剂0.5-1wt％、水6-10wt％；

所述改性陶粒的制备方法为：

S1、取原料为：钢渣粉16-20wt％、火山岩粉19-24wt％、重晶石31-37wt％、污泥干粉9-14wt％、糖4-8wt％、纤维4-8wt％，混合均匀，再加水造粒制成生料球；

S2、将生料球在1000-1350℃烧结20-30min，冷却，然后球磨制成粒径2-5mm的大小待用；

S3、将陶粒放入酸液中浸泡15-30min，然后继续浸泡并外加微波处理1-2.5min，取出后清水中清洗、干燥后待用；

S4、最后将陶粒放入丙烯酸铅饱和水溶液中，在真空度为0.02-0.05MPa的条件下浸泡10-15min，取出后干燥得到改性陶粒。

2.根据权利要求1所述的火山岩防辐射混凝土，其特征在于，其原料包括水泥22wt％、改性陶粒35wt％、微珠10wt％、细骨料24wt％、外加剂1wt％、水8wt％。

3.根据权利要求1所述的火山岩防辐射混凝土，其特征在于，所述改性陶粒的制备方法中，步骤S1的原料为钢渣粉19wt％、火山岩粉22wt％、重晶石35t％、污泥干粉12wt％、糖6wt％、纤维6wt％。

4.根据权利要求1所述的火山岩防辐射混凝土，其特征在于，所述改性陶粒的制备方法中，步骤S1的所述纤维为钢纤维或碳纤维，且直径不超过0.1mm，长度为2-4mm。

5.根据权利要求1所述的火山岩防辐射混凝土，其特征在于，所述改性陶粒的制备方法中，步骤S2的烧结温度为1300℃，烧结时间为25min。

6.根据权利要求1所述的火山岩防辐射混凝土，其特征在于，所述改性陶粒的制备方法中，步骤S3的所述酸液为浓度为2-3.5mol/L的盐酸、硝酸、硫酸、醋酸、甲酸水溶液。

7.根据权利要求6所述的火山岩防辐射混凝土，其特征在于，所述改性陶粒的制备方法中，步骤S3的所述酸液为浓度为3.2mol/L。

8.根据权利要求1所述的火山岩防辐射混凝土，其特征在于，所述改性陶粒的制备方法中，步骤S3的微波处理时间为1.5min，功率300-500W。

9.根据权利要求1所述的火山岩防辐射混凝土，其特征在于，所述改性陶粒的制备方法中，步骤S4的真空度为0.04MPa，浸泡时间为12min。

10.根据权利要求1所述的火山岩防辐射混凝土，其特征在于，所述细骨料为石英砂、河砂、机制砂中至少一种；所述外加剂为质量比为(1.5-2):1的减水剂、膨胀剂。