一种防辐射混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土加工的技术领域，更具体地说，它涉及一种防辐射混凝土及其制备方法。
背景技术
辐射存在于整个宇宙空间，辐射来源有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，受到这些射线长期辐射能诱发癌症、白血病和多发性骨髓癌、恶性肿瘤、甲状腺技能紊乱、不育症、流产和生育缺陷等多种人类绝症，同时还能诱发植物基因变异、危害农作物生长。
为防止环境中的各种射线对人体伤害，在建造有辐射源建筑时，一般需设置防辐射材料以屏蔽各种射线，混凝土材料是目前使用最为广泛的防辐射材料，主要用于教育、科研、医疗机构有辐射源建筑以及核反应堆内外壳防护。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，设计防辐射混凝土时主要考虑对γ射线和中子射线的屏蔽，γ射线穿透能力强，其通过高密度建筑材料时能量能被减弱，达到一定密度和厚度时，γ射线可完全被吸收，中子射线因不带电核，所以具有高度穿透能力，对中子射线防护相对于对γ射线防护难度更大。
目前国内外关于改进防辐射混凝土主要通过添加带有重金属元素的矿物掺和料对防辐射混凝土性能改进；目前的研究证明混凝土材料掺入Mg、Ti、14C、55Fe和60Co和Cu均能提高混凝土防辐射能力，在实际生产中，可以使用蛇纹石、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骨料来提高混凝土屏蔽γ射线和中子射线能力。
在目前的防辐射建筑施工中，大多使用的是重骨料进行防辐射，重骨料对射线的屏蔽效果较好。一般情况下以重晶石混凝土较多，重晶石混凝土在制备的过程中，要控制好添加量。若添加量过多，制成的混凝土的力学性能会降低，不利于建筑工程的稳定性。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的第一个目的在于提供一种防辐射混凝土，在保证防辐射的效果下，其具有降低容重、提高力学性能和施工性能的优点。
本发明的第二个目的在于提供一种防辐射混凝土的制备方法，用此方法制备的混凝土在保证防辐射的效果下，其具有降低容重、提高力学性能和施工性能以及减少成本的优点。
为实现上述第一个目的，本发明提供了如下技术方案：
一种防辐射混凝土，所述防辐射混凝土由包含以下重量份的原料制成：
水泥%20220-280份；
矿粉%2030-50份；
粉煤灰%2040-80份；
重骨料%201350-1400份；
轻骨料%20525-575份；
纤维添加物%2030-40份；
膨胀剂%2025-35份；
减水剂%205-8份；
水%20150-200份；
所述重骨料为重晶石和重晶砂；所述轻骨料为玄武岩；所述纤维添加物包括玄武岩纤维和钛纤维，所述玄武岩纤维和钛纤维的重量配比为1∶(1-1.5)。
通过采用上述技术方案，水泥、矿粉和粉煤灰为混凝土中的常规原料，向其中加入了重骨料，重骨料包括重晶石和重晶砂，重晶石和重晶砂的主要成分是硫酸钡，钡离子具有较好防辐射的能力，能够对射线进行吸收，起到较好的防辐射的作用；其中还加入了玄武岩轻骨料，玄武岩轻骨料具有一定的防辐射效果，在保证防辐射效果的同时，减少了重骨料的加入量，减少了成本，另一方面，玄武岩的加入能够降低重骨料的容重，减少了重骨料在新拌的过程中应力集中的问题，提升混凝土的力学性能；玄武岩轻骨料的孔隙在新拌的过程中，因其表面粗糙且有微孔，提高了轻骨料与其他原料的粘结力，在骨料的周围形成了坚硬的外壳，约束了骨料的横向变形，使骨料在混凝土中处于三向受力状态，提高了骨料的强度极限，从而提高了混凝土的强度；玄武岩和重骨料的配合使用，使混凝土达到较优的性能。
玄武岩纤维是一种多能纤维，其具有成本低和相容性好的优点，玄武岩纤维与混凝土混合时很容易分散，制备的混凝土的体积稳定、和易性好、耐久性好、具有较优越的高温性、防渗防裂性和抗冲击性；钛纤维的加入能够降低混凝土的容重，且能够提高混凝土对γ射线的衰减程度，钛纤维与玄武岩纤维的混杂纤维能够既能提高混凝土的力学性能，也能具有较好的防辐射作用。
进一步地，所述防辐射混凝土由包含以下重量份的原料制成：
水泥%20245-255份；
矿粉%2038-42份；
粉煤灰%2055-65份；
重骨料%201370-1380份；
轻骨料%20545-555份；
纤维添加物%2033-42份；
膨胀剂%2028-32份；
减水剂%206-7份；
水%20165-185份。
通过采用上述技术方案，各原料在此区间时制备的防辐射混凝土的综合性能更优。
进一步地，所述玄武岩纤维为玄武岩单丝纤维。
进一步地，所述减水剂为聚羧酸盐类高性能减水剂。
通过采用上述技术方案，聚羧酸盐高效减水剂属于表面活性剂，对水泥有很好的分散作用，能够提高水泥拌合物的流动性和混凝土坍落度，另一方面，能够大大的降低用水量；减水剂由于特殊的分子结构，具有亲水基团和憎水基团。减水剂加水后，其亲水基团会电离出离子，自身带电荷，由于电斥力作用，水泥絮凝结构被打开，被其包围的游离水被释放出来，使拌合水增加。其憎水基团定向的吸附于水泥颗粒的表面形成了一层水膜，在水泥颗粒中起到了润滑作用，提高了拌合物的流动性。水泥颗粒在减水剂的作用下，充分散开，水化面积增大，从而水化更为充分，提高了混凝土的强度。
进一步地，所述膨胀剂为CSA%20I型膨胀剂。
进一步地，所述玄武岩纤维为经过改性剂对玄武岩的表面进行粗糙化改性的改性玄武岩纤维。
通过采用上述技术方案，经过表面改性后的玄武岩纤维，表面变得粗糙，提高了玄武岩纤维本身的力学性能。
进一步地，所述改性玄武岩纤维的制备方法如下：
玄武岩纤维预处理：将玄武岩纤维置入烘箱中，控制温度为200-260℃，加热1.5h-2.5h，取出后冷却，将冷却后的玄武岩纤维置于乙酸乙酯溶液中浸泡，取出水洗后干燥，制得预处理玄武岩纤维；
预处理玄武岩改性：以无水乙醇为溶剂，向溶剂中置入改性剂，后搅拌均匀得到混合料a；将预处理玄武岩纤维加入到混合料a中，浴比为1∶(3-5)，浸泡1-2h，将玄武岩纤维取出，烘干，冷却，制得改性玄武岩纤维；
所述改性剂为硅烷偶联剂。
通过采用上述技术方案，硅烷偶联剂可以起到桥接纤维和基体的作用，可以大幅度提高玄武岩纤维的界面粘结性能，从而提高了混凝土的力学性能，便于混凝土的施工，且不会对玄武岩纤维本身的力学性能造成不利影响。
为实现上述第二个目的，本发明提供了如下技术方案：
一种防辐射混凝土的制备方法，包括以下步骤，
将称量好的水泥、矿粉、粉煤灰、重骨料和轻骨料进行搅拌，搅拌均匀后得到混合料b；
将称量好的纤维添加物加入到混合料b中，搅拌均匀得到混合料c；
将减水剂、膨胀剂溶于水中，搅拌均匀制成混合料d，通过雾化喷淋的形式喷入到混合料c中，搅拌均匀，制得防辐射混凝土。
通过采用上述技术方案，先将骨料和基料等进行干拌，在将纤维添加物加入到其中，使纤维添加物在体系中充分的进行分散，将减水剂和膨胀剂制成水溶液以雾化颗粒的方式加入其中，增大减水剂和膨胀剂与各组分的接触面积，使之混合搅拌的更加均匀，使得混凝土的制备均质性较好。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
第一、由于本发明添加了玄武岩轻骨料和纤维添加物，减少了重晶石的加入量，在保证不影响防辐射的效果的同时，减小了混凝土的容重，使其便于施工，还提高了混凝土的力学性能，减少了混凝土的生产成本。
第二、本发明中对玄武岩纤维进行改性，经过改性后的玄武岩纤维能够进一步提升了混凝土的力学性能，克服了重晶石混凝土力学性能低的缺陷。
第三、本发明还提供了一种制备混凝土的制备方法，将减水剂和膨胀剂以雾化颗粒的形式喷入其中，使其充分与原料进行混合。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
原料
水泥：硅酸盐水泥P.O42.5级，购自河南郑州垒固建材有限公司；
矿粉：S95级，购自石家庄灵寿县天昊矿产品加工厂；
粉煤灰：二级粉煤灰，购自河北石家庄驰磷矿产品有限公司；
重骨料：重晶石∶重晶砂为1∶1
重晶石，粒径为5-25毫米，购自山东省潍坊市正诚矿产材料加工厂；
重晶砂，II区中砂，购自石家庄灵寿县玄光矿产品加工厂；
轻骨料：玄武岩，购自石家庄灵寿县安邦矿产品加工厂；
玄武岩纤维：玄武岩单丝短切纤维，购自河北宏润玻璃有限公司；
钛纤维：购自上海奥领纺织新材料有限公司；
减水剂：HZ-2聚羧酸高性能减水剂，购自四川恒泽建材有限公司；
膨胀剂：CSA%20I型，北京海岩兴业混凝土外加剂销售有限公司；
改性剂：硅烷偶联剂KH570，购自济南荣广化工有限公司。
改性玄武岩纤维的制备
制备例1
玄武岩纤维预处理：将玄武岩纤维置入烘箱中，控制温度为200℃加热2.5h，取出后冷却，将冷却后的玄武岩纤维置于乙酸乙酯溶液中，以完全没过玄武岩纤维为准，浸泡1h，浸泡完成后，取出水洗后干燥，制得预处理玄武岩纤维；
预处理玄武岩改性：以无水乙醇为溶剂，向无水乙醇溶剂中加入改性剂，加入后的改性剂的浓度为溶剂的1％，搅拌均匀得到混合料a；
将预处理玄武岩纤维加入到混合料a中，控制浴比为1∶3，浸泡1h，将浸泡完成玄武岩纤维取出，烘干，自然冷却，制得改性玄武岩纤维。
制备例2
玄武岩纤维预处理：将玄武岩纤维置入烘箱中，控制温度为230℃加热2h，取出后冷却，将冷却后的玄武岩纤维置于乙酸乙酯溶液中，以完全没过玄武岩纤维为准，浸泡1h，浸泡完成后，取出水洗后干燥，制得预处理玄武岩纤维；
预处理玄武岩改性：以无水乙醇为溶剂，向无水乙醇溶剂中加入改性剂，加入后的改性剂的浓度为溶剂的1％，后搅拌均匀得到混合料a；
将预处理玄武岩纤维加入到混合料a中，控制浴比为1∶4，浸泡1.5h，将浸泡完成玄武岩纤维取出，烘干，自然冷却，制得改性玄武岩纤维。
制备例3
玄武岩纤维预处理：将玄武岩纤维置入烘箱中，控制温度为260℃加热1.5h，取出后冷却，将冷却后的玄武岩纤维置于乙酸乙酯溶液中，以完全没过玄武岩纤维为准，浸泡1h，浸泡完成后，取出水洗后干燥，制得预处理玄武岩纤维；
预处理玄武岩改性：以无水乙醇为溶剂，向无水乙醇溶剂中加入改性剂，加入后的改性剂的浓度为溶剂的1％，后搅拌均匀得到混合料a；
将预处理玄武岩纤维加入到混合料a中，控制浴比为1∶5，浸泡2h，将浸泡完成玄武岩纤维取出，烘干，自然冷却，制得改性玄武岩纤维。
实施例1
一种防辐射混凝土，由以下制备步骤得到：
1)将称量好的22kg水泥、3kg矿粉、4kg粉煤灰、135kg重骨料和57.5kg轻骨料放入搅拌机内进行搅拌，搅拌3min，搅拌均匀后得到混合料b；
2)将称量好的3kg纤维添加物加入到混合料b中，搅拌3min，搅拌均匀得到混合料c，其中玄武岩纤维与钛纤维的质量比为1∶1；
3)将0.5kg减水剂、2.5kg膨胀剂溶于15kg水中，搅拌均匀使减水剂和膨胀剂完全溶解，制成混合水溶液，再将混合水溶液，通过雾化颗粒的形式喷入到混合料c中，搅拌5min，使其完全溶解，制得防辐射混凝土。
实施例2
一种防辐射混凝土，与实施例1的区别在于各组分用量不同，其余均相同，具体为：
1)将称量好的24.5kg水泥、3.8kg矿粉、5.5kg粉煤灰、137kg重骨料和55.5kg轻骨料放入搅拌机内进行搅拌，搅拌3min，搅拌均匀后得到混合料b；
2)将称量好的3.3kg纤维添加物加入到混合料b中，搅拌3min，搅拌均匀得到混合料c，其中玄武岩纤维与钛纤维的质量比为1∶1；
3)将0.6kg减水剂、2.8kg膨胀剂溶于16.5kg水中，搅拌均匀使减水剂和膨胀剂完全溶解，制成混合水溶液，再将混合水溶液，通过雾化颗粒的形式喷入到混合料c中，搅拌5min，使其完全溶解，制得防辐射混凝土。
实施例3
一种防辐射混凝土，与实施例1的区别在于各组分用量不同，其余均相同，具体为：
1)将称量好的25kg水泥、4kg矿粉、6kg粉煤灰、137.5kg重骨料和55kg轻骨料放入搅拌机内进行搅拌，搅拌3min，搅拌均匀后得到混合料b；
2)将称量好的3.5kg纤维添加物加入到混合料b中，搅拌3min，搅拌均匀得到混合料c，其中玄武岩纤维与钛纤维的质量比为1∶1；
3)将0.65kg减水剂、3kg膨胀剂溶于17.5kg水中，搅拌均匀使减水剂和膨胀剂完全溶解，制成混合水溶液，再将混合水溶液，通过雾化颗粒的形式喷入到混合料c中，搅拌5min，使其完全溶解，制得防辐射混凝土。
实施例4
一种防辐射混凝土，与实施例1的区别在于各组分用量不同，其余均相同，具体为：
1)将称量好的25.5kg水泥、4.2kg矿粉、6.5kg粉煤灰、138kg重骨料和54.5kg轻骨料放入搅拌机内进行搅拌，搅拌3min，搅拌均匀后得到混合料b；
2)将称量好的4.2kg纤维添加物加入到混合料b中，搅拌3min，搅拌均匀得到混合料c，其中玄武岩纤维与钛纤维的质量比为1∶1；
3)将0.7kg减水剂、3.2kg膨胀剂溶于18.5kg水中，搅拌均匀使减水剂和膨胀剂完全溶解，制成混合水溶液，再将混合水溶液，通过雾化颗粒的形式喷入到混合料c中，搅拌5min，使其完全溶解，制得防辐射混凝土。
实施例5
一种防辐射混凝土，与实施例1的区别在于各组分用量不同，其余均相同，具体为：
1)将称量好的28kg水泥、5kg矿粉、8kg粉煤灰、140kg重骨料和52.5kg轻骨料放入搅拌机内进行搅拌，搅拌3min，搅拌均匀后得到混合料b；
2)将称量好的4kg纤维添加物加入到混合料b中，搅拌3min，搅拌均匀得到混合料c，其中玄武岩纤维与钛纤维的质量比为1∶1；
3)将0.8kg减水剂、3.5kg膨胀剂溶于2kg水中，搅拌均匀使减水剂和膨胀剂完全溶解，制成混合水溶液，再将混合水溶液，通过雾化颗粒的形式喷入到混合料c中，搅拌5min，使其完全溶解，制得防辐射混凝土。
实施例6
一种防辐射混凝土，与实施例3的区别在于步骤2)中玄武岩纤维与钛纤维的质量比为1∶1.25，其余均相同。
实施例7
一种防辐射混凝土，与实施例3的区别在于步骤2)中玄武岩纤维与钛纤维的质量比为1∶1.5，其余均相同。
实施例8
一种防辐射混凝土，与实施例6的区别在于用相应重量的制备例1制备的改性玄武岩纤维代替玄武岩纤维，其余均相同。
实施例9
一种防辐射混凝土，与实施例6的区别在于用制备例2制备的改性玄武岩纤维代替制备例1制备的改性玄武岩纤维素，其余均相同。
实施例10
一种防辐射混凝土，与实施例6的区别在于用制备例3制备的改性玄武岩纤维代替制备例1制备的改性玄武岩纤维素，其余均相同。
对比例1
与实施例9的区别在于用等量的重晶石代替玄武岩，其余均相同。
对比例2
与实施例9的区别在于制备防辐射混凝土的制备方法不同，各组分含量均相同，具体为：
将水泥、矿粉、粉煤灰、重骨料、轻骨料、纤维素纤维、减水剂、膨胀剂和水加入到搅拌机内进行搅拌。
性能检测试验
GB/T50081-2002《普通混凝土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；
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实施例1-10和对比例1-2制备的混凝土的性能检测结果
通过表1可知，实施例1-10制备的混凝土的力学性能较优，体现在坍落度较低，也就是说，实施例1-10制备的混凝土的和易性较对比例1-2要好，在保证强度的情况下，在添加了玄武岩轻骨料和纤维添加物后，对混凝土的施工性能、力学性能有了较大的改善。对比实施例8-10，将玄武岩纤维进行改性后制成的混凝土的力学性能有了进一步的提升，增加了混凝土的抗压强度的同时减少了混凝土的容重，便于混凝土的施工。
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1-10制备的混凝土和对比例1-2制备的混凝土的辐射性能进行测试，测试结果详见表2所示。
表2实施例1-10与对比例1-2制备的混凝土线型衰减系数(cm-1)
从表2可以看出，实施例1-10制备的混凝土与对比例1制备的混凝土可以得出用玄武岩代替一部分重骨料既能保证混凝土的防辐射效果，又能够降低混凝土的容重，提高力学性能，提高施工性能。
对比实施例1-5可以得出，当混凝土中各组分含量为实施例2、3和4的值时，具有较好的防辐射效果和较优的施工性能，随着混凝土中各组分含量的增加，混凝土的综合性能先上升后保持基本平稳。
对比实施例3和实施例6-7可以得出，通过控制纤维添加物的最佳比例在实施例6的条件下，能够达到最优的效果。
对比实施例6和实施例8-10可以得出，将改性后的玄武岩纤维代替玄武岩纤维能够使制成的混凝土有着更好的力学性能。
对比实施例8、9和10可以得到，使用制备例2的工艺参数制备的改性玄武岩纤维具有更优的综合性能。
对比实施例9和对比例2可以得到，使用本申请中的制备方法制得的混凝土效果更优。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
