第1章绪论
防辐射混凝土又称为防射线混凝土、原子能防护混凝土、屏蔽混凝土、核反应堆混凝土或重混凝土。作为原子能反应堆、粒子加速器及含放射源装置的防护材料, 它能有效的屏蔽原子核辐射, 即射线，一般指α、β、γ、χ等射线和中子辐射。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, 然而其安全性一直是困扰其进一步发展的关键。众所周知，原子核反应产生的大量如α、β、γ、χ射线和中子射线能够诱发癌症、白血病和多发性骨髓癌、大胸恶性肿瘤、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，为防止射线对人体的伤害，在建造有辐射源的建筑时，必须设置防护体。水泥混凝土是目前使用最为广泛的射线防护材料, 主要用于制作核反应堆的内外壳以及核废料的固化处理。虽然在核工业问世的50年里，尚未出现一例核事故是因为屏蔽工程所引起的, 但是核事故一旦发生，将会造成灾难性的破坏。1986年4月，前苏联的切尔诺贝利核泄漏事故酿成了使大半个欧洲受害, 2500平方公里的土地不能居住,10万人不得不大迁移的悲剧，死伤也不计其数。2011年，日本大地震导致的核泄漏事故，再次上演了这一悲剧，再次敲响了警钟。中国在1992 年发表科学技术白皮书——中国科学技术政策指南指出: 不仅要研究开发先进压水堆和固有安全压水堆技术以及先进的核燃料循环技术, 其中包括压水堆反应屏蔽及核废料后处理和贮存技术; 在建材工业一节中更是明确指出: 开发研究适用于核工业核电站发展的新型防护材料。近十年来美国、俄罗斯等多国政府也早已认识到这一问题的重要性, 并加大了研究核反应堆射线防护技术、核废料后处理技术以及新型防辐射材料的开发力度。因此, 对于建材行业来说, 开发研究新型、经济、安全合理的防辐射混凝土及其核肥料固化材料, 具有重大战略意义和深远的社会意义[1]。
当前核技术的安全性问题主要包括两个方面, 其一, 如何提高防辐射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。自前苏联于1954年建成世界上第一座核电厂以来，至今全世界已有核电厂400多座，核废料的排放量在与日俱增。据估计全世界核电放射性废物排放量已累计超过4×108 m 3，我国在今后十年中每年也将产生核废物7×105 m 3，而由于目前所使用的核废料水泥固化材料的抗渗出性能差，核废液渗入地下水，给人类的健康造成了巨大的危害，有关这类事件屡见不鲜。
另外，从当前的国际形势来看，总体和平，却是一种力量平衡下的“和平”，世界格局是总体和平与局部战争的相互平衡。人类自阶级社会产生以来，各类战争就没有间断过。“核技术将被越来越多的国家所掌握”的事实意味着，核战争爆发的可能性尽管很小，但还是存在的。此外，常规战争随时可能爆发。从国内局势来看，我国及周边地区仍存在重多不稳定因素。故我国新建人防工程必须面对这种挑战[2]！
本研究是根据当今人防工程及核电站防辐射工程面临的挑战，针对我国目前和将来在大型人防工程和
核电站建设中所遇到的关键性技术问题而进行的研究与探讨，对目前及将来的人防工程和核电站建设具有重要的理论意义和实用意义！
1.2国内外防辐射研究现状
防辐射混凝土一般要防止的是α、β、γ、χ射线和中子流。由于α、β射线穿透能力低, 易被吸收, 甚至很小的厚度的防护材料也能完全挡住它们, 因此表面防护材料本身就可以防护, 从防护的角度来看, 可以忽略。在设计中最重要的是考虑对γ射线和中子射线的屏蔽。因此, 防辐射混凝土结构主要问题是α、β、γ、χ射线和中子射线的防护。而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。中子射线是由不带电核的微粒组成, 具有高度的穿透能力, 其中可分为快速中速和慢速中子, 因为它们的防护机理不一样, 所以对于中子射线的防护只考虑材料的密度大还达不到目的。防止中子射线屏蔽不仅含重元素, 而且必须含充分数量的轻元素。目前国内外防辐射混凝土技术主要分为两个方面:
（1）采用磁铁矿石、褐铁矿石或重晶石作粗细集料, 同时引入充分数量的结晶水和含硼、锂等轻元素的化合物及其掺和料。该方法是目前使用最为广泛的一种, 其特点是密度高的粗细集料可以屏蔽射线, 含轻元素的化合物有效捕捉中子且不形成二次射线, 射线屏蔽作用较好。但是由于采用密度大的材料做集料, 易离析, 混凝土施工性能差, 水泥水化热大, 混凝土易开裂, 耐久性差, 核废料的固化安全效果差。
可控硅焊机
（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。如法国的西瓦克斯核电站反应堆内外壳混凝土就是采用的这种技术。但是由于该方法没有采用密度大的防辐射集料, 因而必须通过增加混凝土厚度才能达到屏蔽射线的目的, 而且混凝土防止中子射线的能力较差。
核电站作为20世纪的一种新型能源，具有广阔的发展前景。随着核电技术的发展和在电力能源的比例加大，在提倡环保和高度重视人类健康的今天，防护材料显得尤为重要。从经济发展和战略意义上讲防辐射混凝土理应成为人们研究的重点和
热点。但是，随着科学技术进步和混凝土技术的发展，使用环境的恶化以及防护建筑结构的复杂化，防辐射混凝土还有许多问题尚未有人进行过研究或者系统的研究, 而这些问题直接关系到核技术的进一步发展和核能的广泛应用，诸如下面的几个方面应该引起人们的重视值得人们去研究:
(1)由于核反应堆普遍采用多层结构如铅板、钢块等对射线进行屏蔽, 混凝土并没有受到高能量射线的直接照射, 而且大家通常认为在混凝土受到射线照射时射线的辐射对混凝土的性能几乎没有什么影响。但是吸收放射的能量可转化为热量，导致混凝土温度升高, 甚至达100℃以上，影响混凝土的结构和性能，如不采取有效的措施，将使混凝土结构遭到破坏。例如，用“石棺”处置核泄漏后的切尔诺贝利核电站，但是由于大量的射线直接作用在混凝土上，使得混凝土内部破坏深度在逐年加大，目前“石棺”的寿
防辐射材料
配煤命已受到了严峻的考验。由此可见，在射线作用下混凝土结构仍然存在巨大的隐患, 而这一问题目前并没有得到深入的研究。众所周知，水泥水化产生的主要矿物以及孔结构都有一个稳定存在的适宜条件。当混凝土在受到射线照射后，这些矿物和水泥石的结构是否会发生改变或者是否会引起混凝土耐久性不良等一系列问题都是亟需明了，如射线辐射以及大水泥掺量导致混凝土内部温度升高100℃以上，此时混凝土的矿物组成可能会发生晶型转变，混凝土中的结晶水可能脱去，则混凝土结构稳定性和防辐射能力又将如何?射线是否能使混凝土的水化产物发生改变，目前还没有人做过研究。而且随着混凝土的成分的复杂化，射线是否对混凝土的性能产生影响，还没有人进行系统研究。
(2)现在普遍采用硼掺和料代替水，虽然可以减小因为结晶水的脱去所造成的破坏，减少因为二次射线所造成的破坏，但是它可以延缓水泥的水化。因此，轻元素物质的掺加技术及其掺量也应引起足够的重视。
(3)配制防辐射混凝土集料密度大，水灰比小，水泥用量较大，水化放热速率高, 收缩率大，施工时容易离析，而且由于高性能混凝土水灰比低，自收缩大，以及因为温升产生的应力，造成混凝土开裂问题尤其严重。而射线却可以沿着裂缝射出，使混凝土根本起不到防护作用，此问题应进行系统研究。
(4)放射线混凝土由于集料的特殊原因, 容易产生离析。目前进行筛分，人工级配可以很大程度上得以克服，引入结晶水的量也受到限制，而干硬性混合料对于泵送也是不利的。
(5)高能量射线作用与多因素协同作用下混凝土的耐久性问题尚无人研究。
(6)至今尚没有防辐射混凝土耐久性的评价指标[1]。
1.3研究的主要内容、目的及意义
本论文采用查阅资料与理论分析相结合的方法，重点研究如下三个方面：(1)防辐射混凝土的配制，并对其物理力学性能进行分析研究。
（2）研究防辐射高性能混凝土耐久性能，主要包括抗冻性、抗氯离子渗透性、碳化性。
（3)研究防辐射高性能混凝土施工工艺的关键技术、裂缝控制及养护条件控制。
本研究旨在依据复合材料的设计理论，通过查阅资料与理论分析相结合的方法，结合人防工程和核电站防辐射的特点，采用不同密度集料，通过混凝土高性能化手段制备高性能防辐射混凝土，并对其的组成、力学性能、密度、施工工艺、耐久性能进行研究，对我国大型地下人防工程和电站建设具有重要的理论意义和实用价值。
第2章防辐射混凝土配制
促进剂ns2.1防辐射混凝土配制理论
2.1.1防辐射混凝土的特点
随着原子能工业和放射线元素提炼工业的飞跃发展以及放射线同位素在国民经济各部门的广泛应用，出现了保护工作人员不受放射性射线伤害的重要问题。因而，放射性射线的防护问题也就成了原子能建筑中的主要课题之一，并构成与其他工业建筑不同的固有特点。
原子反应堆所产生的放射性射线是多种多样的，其中有α、β、γ射线、中子射线及质子流等。它们的穿透能力是不同的。α、β粒子和质子具有电荷，当它们和防护物质的原子电场相互作用时，其能量降低，甚至厚度很小的防护材料也能完全挡住它们。
γ射线是一种高能量高频率的电磁波，具有极大的穿透能力。当它穿过防护物质，可以被逐渐吸收，但只有防护材料超过某一厚度时，才能完全被吸收。
中子是原子核中不具有电荷的粒子，中子射线即是这些不具电荷的中子构成的中子流。按能量的大小和运动的速度，中子射线又分为慢速中子、中速中子、快速中子，原子核只能俘获吸收慢中子，快中子只有通过与原子核碰撞才能减速，但某些物质的原子核和中子碰撞时会产生第二次γ射线。中速中子通过轻元素原子核可以减速到被俘获要求的能量。
因此，原子反应堆和加速器的防护问题主要归结为防护γ射线和中子流的问题。对于γ射线，物质的密
mhhpa度愈大，防护性能愈好。几乎所有的材料对γ射线都具有一定的防护能力，但是采用密度小的轻质材料时，则要求防护结构的厚度很大，这样增加了建筑面积和容积。采用铅、锌、钢铁等比重大的材料防护γ射线效果很高，防护结构可以做的较薄，但这些材料价格昂贵。
对于中子流，不但需要重元素而且需要充分多的轻元素，氢是最轻的元素，在这方面水具有优良的防护效果，因为氢在水中含得最多。
因此，作为反应堆，加速器或放射化学装置的防护结构应当是由轻元素和重元素有适当组成的材料做成。含轻、重元素的材料可以是分层布置，也可以均匀的混合物。混凝土正是这样的混合物，因为它的容重大，而且含有很多的水。此外，用混凝土作防护材料有以下优点[3]：
（1）价格低廉
（2）可以做成任何形状，设计施工均易。
（3）有足够的强度和耐久性。模具计数器
普通混凝土是低廉而满意的防射线材料，但是其容重不大，结合水不甚多。因此，采用普通混凝土结构时的厚度需要增加。
有效的防射线材料即防辐射混凝土，这种混凝土是采用普通水泥或比重很大、
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