防辐射高性能混凝土材料研究

论文摘要

本文根据当今人防工程面临的挑战,针对我国大型地下人防工程建设需要,采用不同密度集料,掺入含硼防辐射添加剂,通过高性能化手段制备防辐射高性能混凝土,并对其物理力学性能、耐久性能、屏蔽效果及制备关键技术进行研究分析。通过对掺不同含硼添加剂水泥浆体凝结时间、抗压强度、结合水含量及碱度研究,并采用XRD和SEM测试手段分析了浆体微观结构,着重考察了硼元素的引入方式对水泥水化性能的影响。研究表明：硼砂、硼酐及硼玻璃粉对水泥浆体性能的影响存在很大差异,硼砂具有明显的缓凝作用；硼酐稍延缓了水泥的凝结时间,但严重影响了水泥石的力学性能；而硼玻璃粉对水泥的凝结时间和力学性能均不存在不良影响。探其原因可能是：水泥水化时,硼砂和硼酐中存在的可溶性硼与钙离子形成致密的水化硼酸钙膜,覆盖在水泥颗粒表面,阻止了水泥颗粒与外部溶液的接触,使水泥水化反应无法正常进行。利用不同粗集料,掺入硼玻璃粉,通过配合比优化设计,制备了密度2750kg／m3的C50钢渣防辐射高性能混凝土、密度3200kg／m3的C60钢段碎石防辐射高性能混凝土及密度4300kg／m3的C70钢段防辐射高性能混凝土,并对其抗冻性、抗氯离子渗透性及碳化性等耐久性能进行了研究。通过TG-DSC、XRD及高温热膨胀仪分析了水泥石和砂浆热分解过程、高温矿物组成变化和热膨胀性能,测试了不同温度后防辐射混凝土抗压强度。研究表明,高温受热后水泥石、防辐射混凝土抗压强度均随温度呈先增加后减少变化趋势,且在300℃达最大值：高于300℃,混凝土抗压强度急剧下降,温度高于500℃时,部分混凝土试件发生崩裂；经700℃高温后复掺矿粉、硅灰水泥石XRD图谱发生明显变化,钙矾石衍射峰消失,Ca（OH）2衍射峰明显减少,强度也明显降低,出现CaO衍射峰,其主要矿物组分为CaO、Ca（OH）2、C3S和p-C2S；从40℃升温至600℃过程中,复掺矿粉、硅灰水泥石和砂浆线膨胀总体趋势大体一致,均呈先膨胀后收缩的变化趋势,但砂浆线膨胀情况更为复杂,且收缩值远小于水泥石,其主要原因是砂浆膨胀受集料与水泥石双重作用,集料的膨胀限制了水泥石的膨胀或收缩。利用高密度集料配制防辐射混凝土时宜设计较小的混凝土坍落度,避免拌合物离析,搅拌宜采用二次投料的砂浆裹粗集料工艺,振捣时间相对普通混凝土短,加强养护有利于提高混凝土后期结合水含量,提高其屏蔽性能。本研究制备的含硼钢渣、钢段及钢段碎石防辐射混凝土对Y射线及中子射线具有良好的屏蔽效果,对新形势下的我国大型地下人防工程建设具有重要的理论意义和实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外防辐射材料研究状况
• 1.2.1 防辐射材料研究状况
• 1.2.2 防辐射混凝土研究状况
• 1.3 主要研究内容及技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 1.4 研究目的及意义
• 第2章 原材料及主要实验仪器
• 2.1 原材料性能要求及选择
• 2.1.1 水泥
• 2.1.2 集料
• 2.1.3 外加剂
• 2.1.4 活性矿物掺合料
• 2.2 实验设备仪器
• 2.2.1 实验设备
• 2.2.2 测试手段及仪器
• 第3章 含硼防辐射添加剂试验研究
• 3.1 概述
• 3.2 含硼防辐射添加剂对水泥水化影响研究
• 3.2.1 原材料
• 3.2.2 试验方法及配比
• 3.2.3 试验结果
• 3.2.4 含硼防辐射添加剂对水泥石性能影响机理分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 防辐射高性能混凝土配制及物理力学性能研究
• 4.1 防辐射高性能混凝土配制理论
• 4.1.1 概述
• 4.1.2 防辐射混凝土性能要求
• 4.1.3 提高混凝土表观密度途径
• 4.1.4 提高混凝土硼元素含量途径
• 4.1.5 提高混凝土结合水途径
• 4.1.6 混凝土高性能化途径
• 4.2 防辐射高性能混凝土配合比试验
• 4.2.1 原材料
• 4.2.2 配合比设计步骤
• 4.2.3 钢渣混凝土配制
• 4.2.4 钢渣混凝土物理力学性能分析
• 4.2.5 钢段混凝土配制
• 4.2.6 钢段混凝土物理力学性能分析
• 4.2.7 钢段碎石混凝土配制
• 4.2.8 钢段碎石混凝土物理力学性能分析
• 4.2.9 防辐射高性能混凝土配制
• 4.3 防辐射高性能混凝土微观结构
• 4.4 本章小结
• 第5章 防辐射高性能混凝土耐久性研究
• 5.1 概述
• 5.2 防辐射高性能混凝土耐久性试验
• 5.2.1 原材料
• 5.2.2 试验方法
• 5.3 试验结果
• 5.3.1 防辐射高性能混凝土抗冻性能
• 5.3.2 防辐射高性能混凝土抗氯离子渗透性能
• 5.3.3 防辐射高性能混凝土碳化性能
• 5.3.4 防辐射高性能混凝土热稳定性能
• 5.5 热稳定性试验结果分析
• 5.5.1 防辐射高性能混凝土水泥石TG-DSC分析
• 5.5.2 防辐射高性能混凝土水泥石XRD分析
• 5.5.3 防辐射高性能混凝土水泥石及砂浆热膨胀分析
• 5.5.4 防辐射高性能混凝土水泥石及砂浆热膨胀机理分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 防辐射高性能混凝土施工及屏蔽效果分析
• 6.1 概述
• 6.2 防辐射高性能混凝土拌合试验
• 6.2.1 防辐射高性能混凝土配料
• 6.2.2 防辐射高性能混凝土拌和
• 6.3 防辐射高性能混凝土浇筑
• 6.3.1 防辐射高性能混凝土运输
• 6.3.2 防辐射高性能混凝土振捣
• 6.3.3 防辐射高性能混凝土养护
• 6.4 防辐射高性能混凝土屏蔽效果测试分析
• 6.4.1 防辐射性能测试原理
• 6.4.2 防辐射性能测试结果
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论及需进一步研究问题
• 7.1 主要研究结论
• 7.2 需进一步研究问题
• 参考文献
• 致谢
• 附录作者在攻读硕士学位期间发表的论文