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泵送重混凝土试验应用研究
摘要
本文对泵送重混凝土进行了试验研究，采用理论分析和试验相结合的方法，对原材料、泵送重混凝土的配合比设计、性能等进行了试验分析，并对重混凝土的微观结构做了进一步的分析。
1.对赤铁矿、磁铁矿、重晶石、钢丸以及普通砂的表观密度、堆积密度、压碎指标等性能指标所作的测试与分析表明，这些骨料可以用作重混凝土的粗、细骨料能满足重混凝土的密度要求。
2.使用了质量配合比法和体积配合比法相结合的泵送重混凝土配合比设计方法，对密度为3000kg/m3-3900kg/m3的泵送重混凝土进行了配合比设计。
3.设计泵送重混凝土的配合比时，本设计所选用的是具有连续级配的5-20（mm）的粗骨料，细骨料选用由重砂和黄砂组成的混合砂，其密度越接近粗骨料的密度越好。
泵送重混凝土掺入了一定量的粉煤灰、减水剂等掺合料大大改善重混凝土的流动性、保水性以及提高了拌合物的塌落度可以达200mm左右。
4.重混凝土的密度与骨料的密度成线性关系；泵送重混凝土的密度随用水量的增加有所降低；泵送重混凝土坍落度随用水量、水灰比和砂率的增加而增大，每立方米的用水量增加5-lOkg，坍落度增大5-20mm；砂率每增加2％，坍落度也增大5-20mm；泵送重混凝土抗压强度随水灰比的增大而减小。
5.通过扫描电镜观察混凝土微观结构分析，重混凝土具有良好的密实度，孔结构相对普通混凝土较少。
关键词：
泵送；重骨料；重混凝土；原材料性能；配合比设计。
Abstract
InthisPaPer,PumPingheavyconcretewerestudiedbycombiningtheoreticalanalysisandtestmethodsforrawmaterials,heavyPumPingofconcretemixdesign,Performanceandothertestswereanalyzed,andre-dothemicrostructureofconcreteandfurtherAnalysis.
1.AftertestingandanalyzingdifferentorematerialsontheresPectsofunitvolumedensityandindexofcrushedmaterialsitshowsthattheseorematerial（namelyHematite,magnetite,barite,iron,steelshot,andacertainamountofcommonsand）canbeusedascoarse/fineaggregatesforPumPingheavyconcrete.
2.ThemixdesignratioforsuchPumPingheavyconcreteadoPtedwithbothqualitymixProPortionandvolumemixProPortionhasbeenused.Bythismethod,Onthedensityof3000kg/m3-3900kg/m3PumPingheavyconcretemixwasdesigned.
3.WhenthedesignProPortionismade,coarseaggregateswithconstantgrading（5-20mm）andfineaggregateswiththedensityofclosetocoarseoneshouldbeaPPlied.Theminimumdifferenceshallbethebest.PumPingheavyconcretegenerallymixedwithacertainamountofflyashandotheradmixtures.
4.ThedensityofthePumPingheavyconcretehasalinealrelationwiththedensityofaggregate.Waterquantitiesshalldecreaseonthecontrary.WaterquantitiesandgritProPortionhavethePrimaryimPactontheslumPthatshallincreasewithwaterquantities,watercementratioandgritProPortion.theslumPwillincreaseby5-20mmwithaddingwaterof5-10kg,So5-20mmwith2%increase.ThecomPressivestrengthismainlyinfluencedbywatercementratio,whichshalldecreasewiththeincreaseofwatercementratio.
5.SEManalysisofmicrostructureofconcretewas,heavyconcretewithgooddensity,Porestructureisrelativelylessordinaryconcrete,heavyconcretethatcanexPlainmorethantheradiationProPertiesofordinaryconcrete.
Keywords:
PumPing;Heavyaggregate;Heavyconcrete;RawmaterialPerformance;ProPortiondesign.
目录
第1章绪论1
1.1引言1
1.2国内外研究现状及发展趋势2
1.3本文研究内容与意义4
1.3.1泵送重混凝土原材料及其性能试验4
1.3.2不同密度的泵送重混凝土配制试验5
1.3.3泵送重混凝土物理性能试验5
1.3.4泵送重混凝土的微观结构的观察5
1.3.5研究意义5
第2章泵送重混凝土原材料性能试验6
2.1概述6
2.2泵送重混凝土原材料选择6
2.2.1材料的选择原则6
2.3泵送重混凝土原材料性能试验研究6
2.3.1泵送重混凝土所用胶结材料的性能试验6
2.3.2泵送重混凝土所用粗骨料、细骨料的性能试验7
2.4掺合料12
第3章泵送重混凝土配制14
3.1概述14
3.2泵送重混凝土须满足的性能指标要求14
3.3泵送重混凝土配制所用原材料14
3.4泵送重混凝土配合比的设计15
3.4.1泵送重混凝土配合比设计计算方法步骤15
3.4.2泵送重混凝土配合比设计中的主要参数的选择15
3.4.3泵送重混凝土配合比设计计算16
3.5泵送重混凝土配制18
3.5.1不同骨料密度3000kg/m3泵送重混凝土的配合比设计18
3.5.2不同骨料密度3500kg/m3泵送重混凝土的配合比设计20
3.5.3不同骨料密度3900kg/m3泵送重混凝土的配合比设计22
第4章试验结果及分析24
4.1不同用水量重晶石重混凝土配合比24
4.2不同砂率赤铁矿石重混凝土配合比25
4.3不同水灰比磁铁矿石重混凝土配合比25
4.4根据以上试验对泵送重混凝土物理力学性能分析26
4.4.1泵送重混凝土密度影响因素及规律27
4.4.2泵送重混凝土坍落度影响因素及规律27
4.4.3泵送重混凝土强度影响因素及规律29
第5章机理分析30
5.1泵送重混凝土的微观结构分析30
5.1.1C30磁铁矿石、赤铁矿石重混凝土水化产物微观结构对比分析30
5.1.2C30磁铁矿石、赤铁矿石重混凝土水化产物与骨料结合处微观结构对比分析31
5.1.3C50赤铁矿石重混凝土和C50普通混凝土微观结构对比分析33
5.2泵送重混凝土的可泵性分析34
第6章研究结论及建议35
6.1本文结论35
6.2建议35
参考文献36
致谢37
第1章绪论
1.1引言
随着天然能源逐渐枯竭，为减少二氧化碳排放量、保护环境以及政治、军事的需要，各种用途的核反应堆应运而生。
核技术自诞生以来便得到迅速的发展，目前已在如核电、军事、教育、科研、医疗等众多领域得到了广泛的应用。
众所周知，原子核反应产生的大量如α、β、γ、X射线和中子射线能够诱发癌症等多种人类绝症以及诱发植物的基因变异，危害农作物的生长，而且其潜伏期长，短时间内无法得知。
因此，在建造有辐射源的建筑时，必须设置防护体，用辐射屏蔽或生物屏蔽的方法减少或减弱中子和γ射线的辐射，使得辐射水平不致对核反应堆工作范围内的人员造成伤害，同时也使周围环境和广大公众得到保护。
重混凝土作为物美价廉的防护材料得到了广泛的应用。
重混凝土的研制和应用是随着原子能工业和核技术的发展应用而发展起来的。
当前核技术的安全性问题主要包括两个方面，其中之一是如何提高重混凝土的射线屏蔽性能；其二，如何安全处理日益增多的核废料。
重混凝土又称为防射线混凝土、原子能防护混凝土或核反应堆混凝土，它能有效屏蔽辐射，是原子能反应堆，粒子加速器及其它含放射源装置常用的的防护材料，在设计中最重要的是考虑对γ射线和中子射线的屏蔽。
防辐射问题主要归结为对γ射线和中子射线的防护。
γ射线穿透能力强，通常通过高密度建筑材料时，其能量能被减弱，达到一定密度和厚度时，可完全被吸收。
中子主要由核反应产生，不带电荷，具有高度的穿透能力和伤害作用。
所以用于屏蔽γ射线和中子流的混凝土要具有较大的表观密度。
重混凝土既有较好的防护性能，材料来源也广泛，成本低，又便于施工，可以根据要求制成任何尺寸和形状的结构，不少专家认为，在一切防止射线危害的材料中，综合技术经济效果最好的是混凝土。
屏蔽方面作为防辐射层，同时也作为结构支承物——混凝土它有良好的结构特性，重混凝土具有较高的密度，所以它是减弱辐射的合适材料。
故应用相当广泛，成为现代辐射场中最常用的屏蔽材料。
目前重混凝土技术主要分为两个方面：
①采用磁铁矿石、赤铁矿石或重晶石作粗细骨料，同时引入一定数量的掺和料，其特点是密度高的粗细骨料射线屏蔽作用较好。
但是由于采用密度大的材料做骨料，易离析，早期强度低，混凝土施工性能差，混凝土易开裂，耐久性差。
②应用高性能混凝土技术，掺加矿物掺合料。
降低混凝土水灰比，减少混凝土收缩率，提高混凝土的密实性和混凝土抗开裂能力。
重混凝土密度大，产生的阻力大，难以进行泵送施工；另外，即使将重混凝土进行泵送施工，其坍落度如果与普通混凝土泵送一样在100～180mm时，重混凝土就容易生产离析，重混凝土密度的均匀性将难以得到保证。
由于重混凝土的组成材料特殊，价格昂贵，因此有关泵送重混凝土的研究、试验，国内很少有报道。
随着核反应堆技术的发展，重混凝土作为特殊的屏蔽建筑材料其应用将日益广泛。
新一代核反应堆功率增大，中子通量更大、辐射性更强、设计寿命更长，有必要对高容重高性能（可提高屏蔽性能，减少泵送重混凝土厚度、增大建筑空间）进行系统研究以适应核技术的应用需求，本文重点阐述了有关重混凝土的原材料性能试验、重混凝土密度与粗细骨料的关系、重混凝土的配制、重混凝土的微观结构分析。
1.2国内外研究现状及发展趋势
美国、德国、法国及英国等国家专家学者用重骨料（赤铁矿、赤铁矿矿石、钛铁矿、钛铁矿矿石、纤铁矿、褐铁矿、磁铁矿矿石、碳酸矿、重晶石、高磷铸铁）制作混凝土的矿源、物理和化学特性等进行了研究，包括成份、搅拌和浇筑方法，详细研究一些高密度混凝土：
重晶石与铁块混凝土，高磷铸铁混凝土、钛铁矿混凝土和磁铁矿混凝土混合物比例、试验过程。
采用高级静态测试记录器反应堆生物泵送重混凝土样本活化分析和模似器光子、快中子光谱测量和蒙特卡洛计算方法。
通过中子通量经过混凝土块衰减来测量各种混凝土防护γ射线和中子的屏蔽性能，特性参数包括γ射线衰减线性系数，通过热中子测量、混凝土材料半厚度测量，铁和钡含量影响γ射线的防护性能，而硼、铍、锂和K则与防护热中子有关，矿物和有机玻璃合成的硼化物和硼铁矿和电气石有效地吸收热中子不产生γ射线。
日本泵送重混凝土用低活化石灰石、硅岩、硬硼酸钙石、氧化铝陶瓷与普通水泥和高氧化铝水泥进行中子照射屏蔽试验，结果表明这些原材料合成的混凝土应该用作中子屏蔽。
由于不同骨料混凝土性质不同，影响屏蔽性能，不同种类泵送重混凝土剂量率比同一骨料低，随着屏蔽厚度和骨料直径增加而影响增大。
球形矿渣用作细骨料混凝土的流动性增强，改善重混凝土的工作性。
在裂缝产生的部位将埋件按预定方式埋设在混凝土结构中，施压时所产生的裂缝就会得到控制，同时混凝土结构中产生的裂缝能够得到有效的预防，抗辐射屏蔽的功效可以大大加强。
印度对核辐射防护和电站用的高密度泵送混凝土进行了研究，主要研究内容有：
（1）重混凝土施工中选择所需材料时应考虑的因素，具体包括密度、化学成分、核性能、纯度、加工及成本；
（2）重密度混凝土的主要性能，具体包括密度、保水能力、空气含量、特制混凝土的渗透性；（3）赤铁矿等配制的或天然骨料的配制的重混凝土要求，包括水与水硬性胶凝材料的比率、胶凝材料的比率、配合比设计强度和骨料级配、泵送性能及施工方法。
我国自上世纪50年代建造核设施以来开始重混凝土的研究与应用，但可查阅到的相关的研究成果和工程应用实例的文献甚少。
进入80年代后，核技术开始和平利用，特别是上世纪90年代后核技术更是广泛应用于工业、农业、科研、医疗等多领域才有试验研究和相关工程应用报道。
对工业、医疗等领域射线较弱的屏蔽防护也常采用普通混凝土通过增加混凝土厚度来达到辐射防护目的，采用普通混凝土屏蔽防护其防护体厚度通常在lm以上，甚至超过2m。
混凝土配合比设计和施工均按照普通大体积混凝土施工技术措施进行控制，如优先选择低水化热水泥，控制原材料砂、石的级配、含泥量，提高混凝土密实性，尽量减少留置施工缝或将施工留设在射线不经过的部位并设置成凹凸缝，控制混凝土入模温度、做好混凝土测温及温差控制防止混凝土产生裂缝等。
对射线较强的屏蔽防护体则采用了重晶石混凝土、赤铁矿混凝土等，已开展了重晶石混凝土、赤铁矿混凝土、磁混凝土、褐铁矿混凝土及钒钛铁矿石混凝土的试验研究和工程应用并取得一定应用效果。
采用重晶石配制的泵送重混凝土通常用于γ射线的防护，已应用到实际工程中的密度主要有2900kg/m3、3200kg/m3和3300kg/m3。
混凝土搅拌采用二次上料即先投入水、黄砂、水泥，搅拌lmin左右再投入重晶石、重晶砂，再搅拌lmin，以减少泌水，提高混凝土的强度。
在掺加不同比例的普通碎石后，重晶石防辐射混凝土的工作性和力学性能随着普通碎石掺量的增加而有明显改善，但防辐射能力也将随之减弱，重晶石泵送重混凝土掺加一定量的普通碎石后，强度都有所提高，密度有所下降。
为满足重晶石混凝土泵送要求，配合比设计时掺加掺和料和外加剂。
采用重晶石、赤铁矿及磁铁矿矿石配制的泵送重混凝土，已应用到实际工程中的密度主要有3000kg/m3、3040kg/m3、3200kg/m3、3400kg/m3、3500k/m3和3600kg/m3。
赤铁矿混凝土常用于屏蔽中子射线的防护，岭澳核电站堆坑中使用含有硼化物及结晶水含量较高的赤铁矿作一部分骨料的屏蔽中子混凝土。
设计技术规格书要求水泥用量≥375kg/m3，坍落度≥180mm，但没有规定混凝土强度指标。
配合比设计时只计算褐赤矿中铁和硼酸钙粉中的硼含量满足要求，同时根据赤铁矿吸水率大和施工要求自流平密实的特点，选用自流平混凝土化学外加剂，而且采用了先加部分水使骨料吸足水再加水泥、外加剂和剩余水的搅拌工艺。
综上所述，我国尚未系统性的开展泵送混凝土的性能试验研究，包括泵送重混凝土原材料及其性能、不同骨料配制的泵送重混凝土性能及其差异、配合比设计方法及质量控制指标等。
并且长期以来，泵送重混凝土性能试验、配合比设计与施工技术等是参照国家现行普通混凝土技术规程。
由于泵送重混凝土在原材料的组成和性质上有别于普通混凝土，在泵送重混凝土配合比设计和施工中存在及需要解决的主要问题是：
（1）原材料及其性能指标是否满足泵送重混凝土的性能要求；
（2）泵送重混凝土性能影响因素及影响因素的变化规律；
（3）泵送重混凝土的配合比设计方法，配合比设计时如何确定泵送重混凝土原材料、密度合理允许的变动范围。
（4）已研究和使用的泵送重混凝土的密度通常均在3600kg/m3以内，密度超过3600kg/m3的泵送重混凝土研究应用很少。
1.3本文研究内容与意义
1.3.1泵送重混凝土原材料及其性能试验
（1）通过对重混凝土粗、细骨料的试验，确定能满足重混凝土密度要求以及细骨料在Ⅱ区级配区的矿石材料。
（2）泵送重混凝土原材料的性能试验研究，粗、细骨料的性能检验试验测定包括骨料尺寸与级配；密度；胶结材料水泥性能包括水泥凝结时间；安定性，强度等性能指标；粗、细骨料级配要求。
1.3.2不同密度的泵送重混凝土配制试验
选择密度为3000kg/m3-3900kg/m3等泵送重混凝土包括重晶石混凝土、磁铁矿石混凝土、赤铁矿石混凝土进行研究。
1.3.3泵送重混凝土物理性能试验
对泵送重混凝土的坍落度、扩展度、倒塌落筒时间、抗压强度、密度等性能进行试验研究，总结不同矿石原材料配制的重混凝土特点，不同矿石、不同密度的泵送重混凝土性能差异、影响因素及变化规律。
1.3.4泵送重混凝土的微观结构的观察
通过对重混凝土微观结构的观察与分析，从微观结构上解释重混凝土具有的密度大、强度高、抗辐射等特点。
1.3.5研究意义
为重混凝土配合比设计提供理论依据，提高重混凝土的施工效率，而且质量也得到了保证，解决重混凝土施工慢，施工难的问题，此工艺的研究成功可以广泛地应用于核电工程、核工程及其它特殊混凝土工程。
第2章泵送重混凝土原材料性能试验
2.1概述
普通混凝土中骨料体积大约占混凝土体积的3/4左右，骨料的性质对混凝土的技术性能或生产成本均产生相当影响，主要有：
（1）骨料的级配对新拌混凝土的和易性、泵送性能以及混凝土是否经济合理具有重大影响；
（2）粗骨料的针片状含量较多时，对混凝土的和易性、强度和泵送性能有较大影响；（3）骨料的稳定性对混凝土的耐久性有直接影响。
重混凝土主要由普通水泥或密度很大的水泥与重骨料制成。
重混凝土的骨料选择主要是赤铁矿、磁铁矿、重晶石、钢丸等，石英砂常作为细骨料使用来调整重混凝土和易性、泵送性能。
为保证重混凝土的性能，就需要通过对粗、细骨料性能进行试验研究，对粗、细骨料的性能检验试验测定包括密度；骨料尺寸、形状与级配；强度等性能指标。
通过性能试验系统总结配制泵送重混凝土的原材料性能特点。
2.2泵送重混凝土原材料选择
2.2.1材料的选择原则
泵送重混凝土选择的骨料须满足：
（1）骨料或骨料的混合物应满足混凝土密度的要求；
（2）骨料还须同时考虑混凝土特殊技术指标的要求，如可泵性；
（3）所选骨料配制的泵送重混凝土在相应的环境下必须有良好的稳定性。
2.3泵送重混凝土原材料性能试验研究
2.3.1泵送重混凝土所用胶结材料的性能试验
配制泵送重混凝土最常用的胶结材料是普通硅酸盐水泥，普通硅酸盐水泥最易获取，并含有一定量的结合水又便于施工。
如果混凝土要求结晶水含量很高，又无法从普通水泥和矿石原材料中引入时可考虑使用特种水泥，如高铝水泥、钡水泥、含硼水泥、锶水泥等。
高铝水泥配制的泵送重混凝土凝结硬化快，水化热高，施工中应采取适宜的抗裂措施。
1）水泥性能试验
本试验所用PO52.5R水泥的性能试验主要包括水泥细度、安定性、强度及凝结时间等指标，水泥性能测试结果见表2.1。
表2.1PO52.5R水泥的性能试验
水泥品种
细度（％）
初凝时间Min
终凝时间Min
安定性
抗折强度
抗压强度
3d
28d
3d
28d
P•O52.5
1.1
185
235
合格
5.2
8.6
29.7
59.8
2）重混凝土常用水泥的性能特点、规定和要求见表2.2。
表2.2常用水泥的性能特点
水泥品种
相对密度kg/m3
水泥性能、规定和要求
硅酸盐水泥
3000-3100
1.常温下含结晶水约为13.15％，在高温（1000C以上）脱水较小；
2.能满足一般防护结构的要求。
铝酸盐水泥
3000-3100
1.常温下含结晶水约为20-23％，但在高温（1000C以上）严重脱水；
2.早期强度增长较快,但水化热在浇筑后1-3d后集中散发,易出现早期裂纹；
3.用于结晶水含量有较高要求的防护。
2.3.2泵送重混凝土所用粗骨料、细骨料的性能试验
1）粗骨料、细骨料的性能试验
重混凝土的物理性能在很大程度上取决于骨料的性能，粗、细骨料的性能试验主要包括密度；骨料尺寸、形状与级配；强度等性能指标，骨料的表观密度、堆积密度、筛分试验等性能指标测试。
本次试验所用的骨料主要性能指标试验结果见表2.3。
表2.3骨料性能测试结果
产地
骨料种类
表观密度kg/m3
压碎指标%
FeO%
Fe2O3%
芜湖石峰
重晶石
4161
14.5
-
-
赤铁矿石
4450
8
12.36
73.28
磁铁矿石
4567
10.3
14.27
71.78
重晶砂
4111
-
-
-
赤铁矿砂
4310
-
13.46
73.56
磁铁矿砂
4193
-
15.56
72.28
2）骨料的级配筛分曲线
颗粒级配是骨料的重要特性，细骨料的级配显著影响混凝土的工作性。
颗粒外型多棱角表面粗糙，对骨料与水泥之间的粘结有利，但间隙较多，其粒径和结构趋向于形成干硬性的拌合物，加之骨料密度大，对混凝土和易性不利。
泵送重混凝土所用矿砂如果直接参照天然砂对颗粒级配的要求，会造成混凝土流动性、粘聚性、保水性差，影响混凝土工作性能。
1.以下是两组粗骨料的筛分析，每组取样品5000g,根据试验研究，表2.4和表2.5总结出了矿石的颗粒级配情况，图2.1、2.2为筛分析曲线图。
表2.4粗骨料的筛分析Ⅰ
筛孔尺寸（mm）
累积筛余量%
样品
26.5
19.0
16.0
9.50
4.75
2.36
筛底
重晶石
0
6.7
27.8
68.7
87.2
97.2
100
赤铁矿石
0
4
25.8
64.8
85.4
98.5
100
续表2.4
筛孔尺寸（mm）
累积筛余量%
样品
26.5
19.0
16.0
9.50
4.75
2.36
筛底
磁铁矿石
0
5.4
17.6
58.6
82.2
95.2
100
表2.5粗骨料的筛分析Ⅱ
筛孔尺寸（mm）
累积筛余量%
样品
26.5
19.0
16.0
9.50
4.75
2.36
筛底
重晶石
0
7.6
28.8
70.7
85.2
98.2
100
赤铁矿石
0
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