一种防辐射功能梯度混凝土板及其制备方法
阅读说明：本技术 一种防辐射功能梯度混凝土板及其制备方法 (Radiation-proof functional gradient concrete slab and preparation method thereof ) 是由 贺行洋 于肖雷 杨进 苏英 王迎斌 张强 王铁 白行 唐袁珍 王福龙 周创 翟 于 2021-07-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及建筑材料的技术领域,具体涉及一种防辐射功能梯度混凝土板及其制备方法,包括自近辐射面依次连接的减速功能层和吸收功能层,其中,减速功能层的原料包括防中子辐射固废湿磨浆料,份水泥,份富水集料,碎石,硼砂,水,减水剂；吸收功能层原料包括混合协同湿磨重质浆料,水泥,重晶石砂和/或铁砂,重晶石,水,减水剂,所述混合协同湿磨重质浆料包括质量比为3:1-3的铅锌尾矿和/或铜渣、重晶石粉。本发明的防辐射功能梯度混凝土板,具有防快中子辐射、屏蔽γ射线、防辐射耐久性好、抗离析防中子辐射的功能。本发明制备方法,制备工艺简便,原料采用固废材料、成本低。(The invention relates to the technical field of building materials, in particular to a radiation-proof functional gradient concrete slab and a preparation method thereof, wherein the radiation-proof functional gradient concrete slab comprises a deceleration functional layer and an absorption functional layer which are sequentially connected from a near radiation surface, wherein the raw materials of the deceleration functional layer comprise neutron radiation-proof solid waste wet grinding slurry, cement, water-rich aggregate, broken stone, borax, water and a water reducing agent; raw materials of the absorption function layer comprise mixed and wet-milled heavy slurry, cement, barite sand and/or iron sand, barite, water and a water reducing agent, wherein the mixed and wet-milled heavy slurry comprises lead-zinc tailings and/or copper slag and barite powder in a mass ratio of 3: 1-3. The radiation-proof functional gradient concrete slab has the functions of preventing fast neutron radiation, shielding gamma rays, being good in radiation-proof durability, being resistant to segregation and preventing neutron radiation. The preparation method has simple and convenient preparation process, adopts solid waste materials as raw materials and has low cost.)
技术领域
本发明涉及建筑材料的技术领域，具体涉及一种防辐射功能梯度混凝土板及其制备方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展和科技水平的进步，核技术逐渐应用于关乎民生的各个领域，大量核电站、原子能工业、医院等的建筑投入建设，辐射逐渐引起人们的注意。中子射线作为一种高能射线，与X射线和γ射线相比，其能量高，穿透性能更强。有研究报道，中子射线可以穿过人体并且使人体内的分子和原子变质或变成带电粒子，造成器官严重损伤甚至致使染色体畸变，此外中子射线在减速吸收过程中大多会产生γ射线，在建造有中子辐射源的建筑时，需要防中子辐射材料屏蔽中子射线。混凝土材料是目前使用最广泛的建筑材料，具有防中子辐射功能的混凝土可以作为建筑外壳防护。
在防中子辐射混凝土一般通过结晶水引入H元素减速快中子，通添加硼、锂元素捕捉吸收慢中子，通过引入重晶石、磁铁矿石、褐铁矿石等增大混凝土密度达到屏蔽γ射线的效果，但是由于射线穿过水化合物会引起水的损失，防辐射效果会随时间而衰弱，而且，由于胶凝材料与重质骨料之间密度差较大，混凝土会出现离析、均匀性较差等问题，影响防中子辐射混凝土的应用。CN106495577B公开了用废弃混凝土和重晶石湿磨工艺制备防辐射混凝土的方法，通过将含钡渣的矿物掺合料和重晶石粉协同湿磨，制备了防辐射混凝土，具有优良的防辐射性能。但是，由于轻元素的缺失，防快中子辐射有待提高，且混凝土在服役过程中所受辐射会加速结晶水的散失，防辐射耐久性较差。
现有技术中，尚未有较好的方法向混凝土中长久的引入自由水；且在屏蔽快中子时，加轻元素所带来的效果远好于加密度，而密度对防γ射线有着决定性作用。介于此，快中子减速吸收和吸收可以分为两个步骤，功能梯度混凝土恰可满足此功能，这在以往防辐射领域中亦无涉及。
因此研究出一种防快中子辐射、屏蔽γ射线、防辐射耐久性好、抗离析、成本低的防辐射功能梯度混凝土已势在必行。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种防辐射功能梯度混凝土板，具有防快中子辐射、屏蔽γ射线、防辐射耐久性好、抗离析防中子辐射的功能。
本发明的目的之二在于提供一种防辐射功能梯度混凝土板的制备方法，制备工艺简便，原料采用固废材料、成本低。
本发明实现目的之一所采用的方案是：一种防辐射功能梯度混凝土板，包括自近辐射面依次连接的减速功能层和吸收功能层，
其中，按重量份数计，减速功能层的原料包括100-300份防中子辐射固废湿磨浆料，40-240份水泥，0.7-2份富水集料，1200-1350份碎石，1500-1900份硼砂，140-150份水，5-8份减水剂；
按重量份数计，吸收功能层原料包括100-300份混合协同湿磨重质浆料，40-240份水泥，1200-1350份重晶石砂和/或铁砂，1200-1350份重晶石，140-150份水，5-8份减水剂，所述混合协同湿磨重质浆料包括质量比为3:1-3的铅锌尾矿和/或铜渣、重晶石粉。
优选地，所述减速功能层中的防中子辐射固废湿磨浆料的制备步骤为：
A1、将硼铁矿和废弃硼玻璃破碎至粒径为30-50μm；
A2、将硼泥、硼铁矿、废弃硼玻璃中的至少一种协同湿磨，水料比0.5-0.7，球料比1.5-2，湿磨至浆料中值粒径为2-10μm。
优选地，所述减速功能层中水泥为硅酸盐PI 52.5水泥；碎石粒径为5-20mm；硼砂粒径为2-5mm；减水剂为聚羧酸系减水剂。
优选地，所述减速功能层中富水集料的外壳材料为聚苯乙烯、酚醛树脂或石蜡中的至少一种，内部包裹自由水，富水集料的粒径为300-700μm。
优选地，所述吸收功能层的协同湿磨重质浆料的制备步骤为：
B1、将混合协同湿磨重质浆料的原料分别破碎至中值粒径30-50μm；
B2、将破碎后的原料协同湿磨，水料比0.5-0.7，球料比1.5-2，湿磨至浆料中值粒径为2-10μm，即得到所述协同湿磨重质浆料。
优选地，所述吸收功能层中水泥为硅酸盐PI 52.5水泥；重晶石砂和铁砂粒径为2-5mm；重晶石粒径为5-20mm；减水剂为聚羧酸系减水剂。
优选地，所述减速功能层的厚度为5-10cm，所述吸收功能层的厚度为10-20cm。
优选地，所述减速功能层或吸收功能层的表面具有压印，所述吸收功能层或减速功能具有与所述压印相对应的突印，减速功能层和吸收功能层接触时所述压印与突印对应啮合，所述压印间隔18-22cm，压印深度2-4mm。
本发明实现目的之二所采用的方案是：所述的防辐射功能梯度混凝土板的制备方法，制作水平方向混凝土板时，包括以下步骤：
C1、将减速功能层的原料按照比例搅拌均匀后进行浇筑并震实，震实后不进行抹平处理，待终凝临近时，对混凝土表面进行压印处理；
C2、待减速功能层终凝之后，将吸收功能层原料按照比例搅拌均匀后，浇筑于减速功能层的表面，终凝之后即可得到所述防辐射功能梯度混凝土板。
本发明实现目的之三所采用的方案是：所述的防辐射功能梯度混凝土板的制备方法，制作竖直方向混凝土板时，减速功能层与吸收功能层接触面用带凹印的钢模板浇筑，具体制备方法包括以下步骤：
D1、支模板过程中，减速功能层与吸收功能层接触面用特制带凹印的钢模板，带有凹印面朝向吸收功能层；将减速功能层混凝土的原料按照比例搅拌均匀后进行浇筑并震实；
D2、待减速功能层混凝土拆模之后，将吸收功能层混凝土的原料按照比例搅拌均匀后进行浇筑并震实，终凝之后即可得到所述防辐射功能梯度混凝土板。
本发明具有以下优点和有益效果：
本发明的防辐射功能梯度混凝土板采用固废材料为原料，制备出具有防快中子辐射、屏蔽γ射线、防辐射耐久性好、抗离析防中子辐射的功能的混凝土板。
本发明的制备方法，工艺简单，成本低，便于工程应用。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1-6及对比例1中，所述减速功能层中的防中子辐射湿磨浆料中值粒径为2-10μm，具体步骤为：将硼铁矿和废弃硼玻璃分别置于破碎机中破碎至中值粒径30-50μm；采用湿磨机将硼泥、硼铁矿、废弃硼玻璃按1:1:1混合后的混合料协同湿磨，水料比0.5，球料比2，湿磨时间40min，湿磨后浆料中值粒径为2-10μm。
所述水泥为硅酸盐PI 52.5水泥；所述碎石粒径为5-20mm；所述硼砂粒径为2-5mm；所述减水剂为聚羧酸系减水剂；所述富水集料粒径为300-700μm；所述重晶石砂和铁砂粒径为2-5mm；重晶石粒径为5-20mm；所述特制带凹印的钢模板凹印间隔为20cm，凹印深度为3mm。
所述吸收功能层的协同湿磨重质浆料的中值粒径为2-10μm，具体步骤为：将锌尾矿、铜渣和重晶石粉分别置于破碎机破碎至中值粒径30-50μm；水料比0.5，球料比2，湿磨时间40min，湿磨后浆料中值粒径为2-10μm。其中实施例1-4中铅锌尾矿、铜渣、重晶石粉按1:1:4的混合料协同湿磨。
实施例1
(1)减速功能层制备：称取湿磨防中子辐射固废浆料300份，水泥40份，富水集料2份，碎石1200份，硼砂1500份，水150份，减水剂5份，按顺序置于搅拌机中，搅拌均匀后浇筑并震实，震实后不进行抹平处理；
(2)吸收功能层制备：称取混合协同湿磨重质浆料300份，水泥40份，1200份重晶石砂，150份铁砂，重晶石1350份，水150份，减水剂5份，按顺序置于搅拌机中，搅拌均匀；待减速功能层临近终凝时，对混凝土表面进行压印处理，压印间隔20cm，压印深度3mm；再将阻根混凝土浇筑在自愈抗裂防水混凝土上方。最后在自然条件下养护，由此得到功能梯度混凝土。其中，减速功能层混凝土厚度为5cm，吸收功能层混凝土层厚度为15cm。
实施例2
(1)减速功能层制备：称取湿磨防中子辐射固废浆料200份，水泥140份，富水集料2份，碎石1200份，硼砂1500份，水150份，减水剂5份，按顺序置于搅拌机中，搅拌均匀后浇筑并震实，震实后不进行抹平处理；
(2)吸收功能层制备：称取混合协同湿磨重质浆料200份，水泥140份，1200份重晶石砂，150份铁砂，重晶石1350份，水150份，减水剂5份，按顺序置于搅拌机中，搅拌均匀；待减速功能层临近终凝时，对混凝土表面进行压印处理，压印间隔20cm,压印深度3mm；再将阻根混凝土浇筑在自愈抗裂防水混凝土上方。最后在自然条件下养护，由此得到功能梯度混凝土。其中，减速功能层混凝土厚度为5cm，吸收功能层混凝土层厚度为15cm。
实施例3
(1)减速功能层制备：称取湿磨防中子辐射固废浆料100份，水泥240份，富水集料0.7份，碎石1200份，硼砂1500份，水150份，减水剂5份，按顺序置于搅拌机中，搅拌均匀后浇筑并震实，震实后不进行抹平处理；
(2)吸收功能层制备：称取混合协同湿磨重质浆料100份，水泥240份，1200份重晶石砂，150份铁砂，重晶石1350份，水150份，减水剂5份，按顺序置于搅拌机中，搅拌均匀；待减速功能层临近终凝时，对混凝土表面进行压印处理，压印间隔20cm,压印深度3mm；再将阻根混凝土浇筑在自愈抗裂防水混凝土上方。最后在自然条件下养护，由此得到功能梯度混凝土。其中，减速功能层混凝土厚度为5cm，吸收功能层混凝土层厚度为15cm。
实施例4
在制作竖直结构时，减速功能层与吸收功能层的接触面用特制带凹印的钢模板。
(1)减速功能层制备：称取湿磨防中子辐射固废浆料200份，水泥140份，富水集料2份，碎石1200份，硼砂1500份，水150份，减水剂5份，按顺序置于搅拌机中，搅拌均匀后浇筑后震实，待达到拆模强度后，拆下特制带凹印的钢模板，支架吸收功能层模板；
(2)吸收功能层制备：称取混合协同湿磨重质浆料200份，水泥140份，1200份重晶石砂，150份铁砂，重晶石1350份，水150份，减水剂5份，按顺序置于搅拌机中，搅拌均匀后浇筑后震实，最后在自然条件下养护，由此得到功能梯度混凝土。其中，减速功能层混凝土厚度为10cm，吸收功能层混凝土层厚度为20cm。
实施例5
本实施例中，所述吸收功能层的协同湿磨重质浆料中铅锌尾矿、铜渣、重晶石粉按0:3:1的混合料协同湿磨。
(1)减速功能层制备：称取湿磨防中子辐射固废浆料200份，水泥140份，富水集料2份，碎石1200份，硼砂1500份，水150份，减水剂5份，按顺序置于搅拌机中，搅拌均匀后浇筑并震实，震实后不进行抹平处理；
(2)吸收功能层制备：称取混合协同湿磨重质浆料200份，水泥140份，1200份重晶石砂，150份铁砂，重晶石1350份，水150份，减水剂5份，按顺序置于搅拌机中，搅拌均匀；待减速功能层临近终凝时，对混凝土表面进行压印处理，压印间隔20cm,压印深度3mm；再将阻根混凝土浇筑在自愈抗裂防水混凝土上方。最后在自然条件下养护，由此得到功能梯度混凝土。其中，减速功能层混凝土厚度为5cm，吸收功能层混凝土层厚度为15cm。
实施例6
本实施例中，所述吸收功能层的协同湿磨重质浆料中铅锌尾矿、铜渣、重晶石粉按3:0:1的混合料协同湿磨。
(1)减速功能层制备：称取湿磨防中子辐射固废浆料200份，水泥140份，富水集料2份，碎石1200份，硼砂1500份，水150份，减水剂5份，按顺序置于搅拌机中，搅拌均匀后浇筑并震实，震实后不进行抹平处理；
(2)吸收功能层制备：称取混合协同湿磨重质浆料200份，水泥140份，1200份重晶石砂，150份铁砂，重晶石1350份，水150份，减水剂5份，按顺序置于搅拌机中，搅拌均匀；待减速功能层临近终凝时，对混凝土表面进行压印处理，压印间隔20cm，压印深度3mm；再将阻根混凝土浇筑在自愈抗裂防水混凝土上方。最后在自然条件下养护，由此得到功能梯度混凝土。其中，减速功能层混凝土厚度为5cm，吸收功能层混凝土层厚度为15cm。
对比例1
本对比例中，所述吸收功能层的协同湿磨重质浆料是只将重晶石粉湿磨得到的。
(1)减速功能层制备：称取湿磨防中子辐射固废浆料300份，水泥40份，富水集料2份，碎石1200份，硼砂1500份，水150份，减水剂5份，按顺序置于搅拌机中，搅拌均匀后浇筑并震实，震实后不进行抹平处理；
(2)吸收功能层制备：称取湿磨重晶石粉浆料300份，水泥40份，1200份重晶石砂，150份铁砂，重晶石1350份，水150份，减水剂5份，按顺序置于搅拌机中，搅拌均匀；待减速功能层临近终凝时，对混凝土表面进行压印处理，压印间隔20cm，压印深度3mm；再将阻根混凝土浇筑在自愈抗裂防水混凝土上方。最后在自然条件下养护，由此得到功能梯度混凝土。其中，减速功能层混凝土厚度为5cm，吸收功能层混凝土层厚度为15cm。
实施例1-6及对比例1的防辐射混凝土的物理性能指标见表1
表1
实施例
强度系数
坍落度(mm)
扩展度(mm)
实施例1
C30
200
500
实施例2
C40
210
510
实施例3
C40
215
510
实施例4
C40
210
510
实施例5
C40
215
510
实施例6
C40
210
510
对比例1
C30
210
515
由表1可见，实施例1-6制备的防辐射混凝土各项物理性能良好，有较好的工作性能。对比例1成型过程中有泌水离析现象。
实施例1-6及对比例1的防辐射混凝土的线性衰减系数(cm-1)见表2
表2
由表2可见，实施例1-6制备的防辐射混凝土对不同的γ射线和中子射线均优于国外性能指标，防辐射性能优异。
由数据可知，防辐射性能富水集料和防辐射湿磨浆料掺量增大而增强，但是过多的固废浆料会影响防辐射混凝土的物理性能指标，如强度。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
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