掺有碳化硼的铁矿石混凝土亚高温后性能试验研究

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论文字数:33232 论文编号:sb2021080716591936782 日期:2021-08-18 来源:硕博论文网
通过对掺有碳化硼材料的铁矿石混凝土亚高温后性能试验研究,得到以下结论: (1)定量碳化硼掺入使铁矿石混凝土干表观密度减小了 1.5%,抗压强度减小了 3%,在符合强度和密度等级要求的前提下引入了含硼元素,配制了高强防辐射混凝土,提高防中子能力的同时增大了了铁矿石混凝土的热工参数,碳化硼材料的作用随温度升高逐渐显现,尤其在 105℃以后碳化硼材料抑制铁矿石混凝土比热容和导热系数降幅更明显,对比热容减幅抑制了 54.5%,对导热系数减幅抑制了 17%;

第 1 章  绪论

1.1 课题背景
防辐射混凝土是干表观密度不小于 2800  kg/m3、用于防护和屏蔽核辐射的混凝土[1]2。中子射线穿透能力强,杀伤力大,对生物的破坏能力远强于 χ、γ 射线且伤害不可修复[2]。利用混凝土的密度和厚度可有效减弱 χ、γ 辐射,对于中子屏蔽除了高密度外还需要轻元素,例如氢、硼等等,因此防辐射混凝土主要采用重晶石、磁铁矿、褐铁矿等重金属百分数含量较高的材料作为粗细骨料,以充足含量的结晶水、硼、锂等轻元素化合物作为掺入材料,重金属高密度骨料可以有效屏蔽 χ、γ 射线,结晶水、硼、锂等轻元素化合物能高效捕捉中子,且不形成二次射线,对混凝土中子屏蔽能力提升效果显著[3]。材料性质对于混凝土防辐射能力起决定作用,碳化硼材料质地轻、体积小、耐高温、耐辐照,性质稳定,吸水性极低,对防中子辐射效果明显,其屏蔽效果好于传统防护材料,研究表明定量碳化硼的掺入提高了混凝土的防中子辐射能力,尤其对于结构材料,要充分考虑其活化及热积累、二次 γ 射线产生、不可更换等特点,碳化硼材料是新型辐射屏蔽材料开发的主要方向之一[4]。
核电站需要防辐射混凝土来建造,尤其是安全壳、压力容器和蓄水池等建筑设施的结构构件,由于核电站的特殊属性,防辐射混凝土比普通混凝土所处的应用环境更为恶劣且复杂,核电站安全壳所用的防辐射混凝土首当其冲,随着核电站使用年限的延长,防辐射混凝土受周围恶劣环境影响更为严重,劣化加速,尤其属温度劣化最为严重,热老化是核电站混凝土的常见问题之一,其中复杂温度环境有高温或高温循环、辐射高温以及事故温度等[5,6]。防辐射混凝土劣化加速了安全壳结构的性能老化,严重影响了核安全壳的密闭性与完整性,是影响核电站持续运营的主要原因之一[7]。
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1.2 研究的目的和意义
复杂温度环境加快了防辐射混凝土的老化,为构件埋下了安全隐患,降低了核电站建筑设施的安全系数和使用期限,防辐射混凝土经受劣化温度影响不可避免,辐射或事故原因导致的持续亚高温环境尤为常见,为提高核电站的安全和抗老化能力,延长核废料的储存时间,增强防辐射混凝土亚高温下的性能稳定性,有必要对优质防辐射材料筛选,使其保证混凝土防辐射能力稳定提高的同时加强其在亚高温环境下热工性能、力学与耐久性能的抗劣化能力。材料决定混凝土的性质,以优质防辐射材料抑制复杂温度环境下防辐射混凝土各方面性能劣化速率,是我们对防辐射混凝土进行优化的研究方向之一。
铁矿石混凝土是防辐射混凝土的主要种类之一,碳化硼材料是新型的屏蔽材料,一定掺量的碳化硼材料加入防辐射混凝土能有效提高防辐射能力,掺有碳化硼的铁矿石防辐射混凝土亚高温后性能试验研究,以碳化硼材料和亚高温环境各为控制变量进行性能试验,在保证铁矿石混凝土防辐射能力稳定提高的同时研究碳化硼材料在亚高温环境后对混凝土性能稳定性的影响,对筛选和推广优质防辐射掺料意义重大。铁矿石混凝土的工作性能研究对防辐射混凝土的施工方案和施工易操作性提供参考;热工参数是描述压水堆和沸水堆等核反应堆生物屏蔽层热力性能的重要参数,在核电站高温反应堆中,它们意义重大,碳化硼材料掺入铁矿石混凝土在不同亚高温温度下的热工性能研究联系了温度实际,通过热工参数随温度变化规律提出了温度稳定性的作用,加强了材料掺入对防辐射混凝土热工性能影响的认识。通过铁矿石混凝土微观性能联系宏观力学和耐久性能表现来探寻碳化硼材料在亚温度环境下的适用性,可以让我们对防辐射混凝土在复杂温度环境下的性能表现有更加系统、全面和深刻的认识,亚高温处理后对铁矿石混凝土抗压强度、抗折强度、抗氯离子渗透性能和抗碳化性能研究贴合了工程实际,为铁矿石混凝土的实际工程应用和亚高温后的防辐射性能表现提供了试验数据支撑和理论依据。
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第 2 章 掺碳化硼的铁矿石混凝土配合比与工作性能

2.1 混凝土材料性能
2.1.1 混凝土组成材料
水泥材料为吉林市冀东水泥厂生产的 P·O42.5 级水泥,物理性能详见表 2-1。中冶鑫盾合金生产的碳化硼粉,密度为 1500kg/m3,碳化硼粒度尺寸和化学组成见表 2-2。粗骨料选择赤铁矿碎石,主要组成成分为 Fe2O3,粒径 5-30mm,莫氏硬度 6.2,如图 2-1 a)。细骨料选择褐铁矿砂,为粗砂,如图 2-1 b)。碳化硼颗粒材料如图 2-1 c)。减水剂为聚羧酸减水剂,减水效果 25%,如图 2-1 d)。
表 2-1  水泥物理性能
表 2-1  水泥物理性能
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2.2 配合比设计
防辐射混凝土配合比设计参照《防辐射混凝土》[1]12-15中铁矿石防辐射混凝土配合比计算方法,设计以达到防辐射混凝土设计强度 C50 和干表观密度等级 RS2 为目标,干表观密度等级见表 2-5。采用铁矿石防辐射混凝土配合比计算方法,以该计算配合比配制防辐射混凝土,经抗压强度和干表观密度试验验证后不断试配,最终确定合理配合比。
表 2-5  防辐射混凝土密度等级划分
表 2-5  防辐射混凝土密度等级划分
本试验采用《 普通混凝土拌合物性能试验方法标准》[70]中规定的方法测定铁矿石混凝土坍落度和表观密度。坍落度试验过程如下:试验采用坍落度筒、钢尺、光滑硬度板和插捣棒,将坍落度筒内壁和硬度板湿润,将新拌铁矿石混凝土分三层放入坍落度筒中,每放一层均匀插捣, 顶层插捣完后对其填补或刮平,然后垂直提起坍落度筒,待混凝土不再继续坍落时,测量筒高与坍落完成后混凝土最高点的高度差值,如图 2-6 所示。铁矿石混凝土表观密度试验过程如下:将 5L 的容量筒用水湿润并称其质量,记为1m ,已知混凝土坍落度大于 90mm,筒内分两层放入新拌混凝土,每放入一层均匀插捣,直至轻拍容量筒外壁拌合物表面不出现水泡;利用振动台振实,直至铁矿石混凝土拌合物表面孔洞消失且不见大气泡;对筒口混凝土进行填补或刮平后将容量筒外壁擦干净,对铁矿石混凝土和容量筒称重,总质量记为2m ,然后计算铁矿石混凝土表观密度。 
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第 3 章  掺碳化硼的铁矿石混凝土热工性能与力学性能 .......................................... 18
3.1  引言 ........................................ 18
3.2  热工性能试验 ............................. 18
第 4 章  掺碳化硼的铁矿石混凝土耐久性能与微观性能 ..................................... 28
4.1  引言 ....................................... 28
4.2  亚高温前后氯离子渗透性能测试 ............................... 28
结论 .............................................. 47

第 4 章  掺碳化硼的铁矿石混凝土耐久性能与微观性能


4.1 引言
近年来,核电站多处恶劣温度环境下的结构构件耐久性问题突出,结构老化加快,安全问题显现,维护费用高昂,费时费力,钢筋锈蚀是结构出现安全隐患的主要原因之一,钢筋的锈蚀主要是混凝土结构耐久性能失效引起的,恶劣温度环境加速了耐久性劣化,耐久性劣化影响结构安全,因此有必要对掺有碳化硼材料的铁矿石混凝土在亚高温作用后的耐久性能进行试验研究,以探索碳化硼材料在亚高温前后对铁矿石混凝土耐久性能稳定性的影响,并依此作为提高混凝土长期安全性和抗老化能力的研究方向之一。进行的耐久性试验为氯离子渗透试验与碳化试验。
微观结构促进了材料领域的进步,加深了宏观性能由来的认识,对于混凝土材料亦如此,混凝土的组成结构复杂且材料不匀质,微观结构影响混凝土宏观性能表现,尤其研究掺入材料对混凝土力学性能和耐久性影响机理方面微观试验必不可少。进行的微观性能试验为气泡参数试验与微观形貌试验。
表 4-1  电通量试验结果
表 4-1  电通量试验结果

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结论


以保证防辐射能力为前提,为提高复杂温度环境下防辐射混凝土的抗劣化性能,延长亚高温环境下防辐射混凝土的服役年限,试验对掺有碳化硼的铁矿石混凝土亚高温后性能表现进行了研究。试验首先以碳化硼材料等质量 5%替代褐铁矿砂配制出了强度等级 C50、干表观密度等级 RS2 的铁矿石防辐射混凝土。通过工作性能试验证明碳化硼材料提高了铁矿石混凝土的流动性能,测试了以碳化硼为变量的铁矿石混凝土在 25、65、105、145℃亚高温温度点下的热工参数变化趋势与规律,测试了以碳化硼材料和亚高温环境各为控制变量的铁矿石混凝土抗压强度、抗折强度、氯离子渗透性能、碳化性能、气泡参数和微观形貌变化,结合气泡参数和微观形貌联系分析了碳化硼材料对铁矿石混凝土宏观性能变化的影响机理。
通过对掺有碳化硼材料的铁矿石混凝土亚高温后性能试验研究,得到以下结论:
(1)定量碳化硼掺入使铁矿石混凝土干表观密度减小了 1.5%,抗压强度减小了 3%,在符合强度和密度等级要求的前提下引入了含硼元素,配制了高强防辐射混凝土,提高防中子能力的同时增大了了铁矿石混凝土的热工参数,碳化硼材料的作用随温度升高逐渐显现,尤其在 105℃以后碳化硼材料抑制铁矿石混凝土比热容和导热系数降幅更明显,对比热容减幅抑制了 54.5%,对导热系数减幅抑制了 17%;在 25-145℃温度变化范围内,碳化硼材料对热扩散系数的减幅抑制了 6.8%,对表观密度的减幅抑制了 25%。碳化硼材料使铁矿石混凝土热工参数随温度变化的增幅或减幅都相应减小,提高了不同亚高温温度点下的热工性能稳定性,使得掺有碳化硼的铁矿石混凝土具有较好的导热率和稳定的温度变化环境。
(2)常温状态下定量碳化硼的加入对铁矿石混凝土抗折强度的提高率为 5.95%,对折压比的提高率为 9.78%,常温下碳化硼材料掺入铁矿石混凝土对其抗折强度和折压比均有利。亚高温作用对铁矿石混凝土的力学性能均大幅提高,碳化硼材料的掺入相对未掺的混凝土抗折强度提高率增加了 3%,折压比的提高率相对增加了 5.4%,但对抗压强度提高出现了瓶颈,抑制了抗压强度增幅率 18%,总之碳化硼材料在亚高温温度环境下抑制了铁矿石混凝土抗压强度增幅,提高了抗折强度、折压比与其变化幅值。
参考文献(略)


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