多元屏蔽防辐射水泥结构配位及性能研究

Along with the rapid development of nuclear reactor technology, the nuclear safety issues become increasingly serious, and then the research and application of radiation-shielding cement with a high performance become extremely urgent. Radiation-shielding cement should have the function of shielding neutron-radiation and γ, X rays simultaneously especially in national defense, military affairs, nuclear industry and other fields. However, the single radiation-shielding effect, poor thermal stability, and low gelling efficiency, poor earthquake resistance and durability of large specific gravity concrete and other problems become the main bottleneck to restrict the development of this technology. In this project, the B element with good effect of shielding neutron and Ba, Sr and other heavy metal elements with obvious effect of shielding γ, X rays are dissolved into the crystal structure of cement clinker minerals by calcining at high temperature, to prepare multi-shielding radiation-shielding cement clinker of steady coordination structure. By the incorporation of industrial solid waste and special modified admixture, the new-type high-efficient radiation-shielding cement with superior and long-lasting radiation-shielding performance and good thermal stability is prepared. The law of coordination polyhedron and its connection mode in crystal is utilized to reveal the physical and chemical properties of crystal structure of radiation-shielding materials. The long counter measurement systems, neutron time of flight measurement techniques and other methods are used to measure the radiation-shielding performance. The inner link between microstructure, physical and chemical performance and radiation-shielding performance is analyzed. The previous research has made substantive progress.

随着核反应堆技术的迅猛发展，核安全问题日趋严峻，高性能的防辐射水泥的研制和应用迫在眉睫。尤其在国防、军事、核工业等领域，防辐射水泥要具有同时防中子辐射和γ、X射线的功能。然而，防辐射效果单一、热稳定性差、胶凝效率低、大比重混凝土抗震及耐久性差等问题成为制约该项技术发展的主要瓶颈。本项目将防中子效果好的B元素及屏蔽γ、X射线效果明显的Ba、Sr等重金属元素，经高温煅烧固溶于熟料矿物结构中，制备配位结构稳定的多元屏蔽防辐射水泥熟料，并掺入工业固体废弃物、特殊改性混合材，制备防辐射性能优越且持久、热稳定性好的新型高效防辐射水泥。运用晶体中配位多面体及其连接方式的规律，揭示防辐射材料晶体结构的物理和化学特性，采用长计数器测量系统、中子飞行时间测量技术等方法测量其防辐射性能，分析研究其微观结构与理化性能、防辐射性能之间的内在联系。前期研究已取得实质性的进展。

世界工业技术高速发展，面临资源、能源危机与环境危机的多重压力，世界各国将开发利用经济、清洁、高效的新型能源放在优先发展的战略地位。核能与太阳能、水能、风能等新型能源相比，具有经济、持久、稳定等优势，是当前最具开发价值和发展潜力的新型能源。但是核能利用中的安全问题不容忽视，是核技术进一步发展的重点与难点，也是核能得到广泛应用的先决条件之一。研究制备一种结构性能稳定、生产能耗低、防护屏蔽效果良好的新型防辐射水泥，具有重要的经济效益、社会效益和环境效益。本项目通过在水泥生料中掺入适量B2O3，利用高温烧成，制备含有一定量的具有屏蔽中子性能的硼酸钙矿物的新型防辐射水泥熟料。并对制备的防辐射水泥熟料的力学强度及其屏蔽中子性能进行检测，探究新型防辐射水泥熟料的矿物组成和熟料强度及防辐射性能之间的关系，确定新型防辐射水泥熟料的制备方法。研究结果表明：熟料煅烧温度与B2O3掺量对水泥生料易烧性有一定影响，提高煅烧温度和B2O3掺量可以改善生料的易烧性，在较低煅烧温度时，提高煅烧温度和增加B2O3掺量能较好的改善生料的易烧性。熟料煅烧温度与B2O3掺量对水泥熟料的矿物组成及矿物形态有一定影响，随着煅烧温度的升高，熟料中C3S含量增加、C2S含量降低；随着B2O3掺量增加，熟料中Ca3B2O6含量逐渐增加。在1350℃煅烧制备的各组水泥熟料主要矿物发育完好，形貌清楚，晶体结构较完整，分布均匀。熟料的煅烧温度影响水泥的抗压强度和中子屏蔽效率；随着水泥熟料煅烧温度的升高，相同原料配比的水泥的各龄期抗压强度逐渐增加；而随着煅烧温度的升高，相同原料配比的水泥对中子的屏蔽效率先升高后降低，在1350℃煅烧制备的水泥对中子屏蔽效率较好。熟料的矿物组成对水泥的抗压强度和中子屏蔽效率有较大影响；水泥熟料中的C3S含量对水泥的早期强度影响较大，随着水泥C3S含量的增加，水泥的早期强度逐渐提高；水泥熟料中的Ca3B2O3含量对水泥的中子屏蔽性能影响较大，随着Ca3B2O3含量的增加，水泥的中子屏蔽效率得到提高。对新型多元屏蔽辐射防护胶凝材料的成分和晶体结构进行解析，从空间结构上探明防辐射元素在矿物相中的固溶方式及占位情况。结合其防辐射性能，揭示了其配位结构与防辐射效果之间的内在联系。