防輻射水泥的發展趨勢范文

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《環境工程雜志》2014年第七期

1防輻射材料

防輻射材料是指能夠吸收或消散輻射能，對人體或儀器起保護作用的材料［11］。目前用于防護各種射線的主要防護屏蔽材料有重金屬鉛板、鋼板、水、聚合物、水泥、混凝土等，各種防護屏蔽材料的性能及防輻射效果比較見表1［12-13］。由表1可知:水泥、混凝土材料較之其他材料具有成本低，易施工的特點，是較為理想的防輻射材料。

2防輻射水泥

2.1防輻射水泥對X射線、γ射線、快中子和熱中子能起較好屏蔽作用的水泥稱為防輻射水泥［14］。

2.2防輻射水泥的種類及特點目前，常用的防輻射水泥有鋇水泥、鍶水泥、含硼水泥等。普通硅酸鹽水泥、高鋁水泥與常見的防輻射水泥的化學組成見表2［15-16］。普通水泥含有一定的結合水，對中子有一定的屏蔽作用;高鋁水泥具有耐高溫特性，制成的混凝土屏蔽中子射線效果明顯;鋇水泥中Ba元素對γ和X射線具有較高的吸附系數;鍶水泥具有良好的防離子射線能力，但鍶水泥對γ射線屏蔽性能較鋇水泥差;含硼水泥含有一定量的B2O3和較多的化學結合水，所含的B元素能吸收熱中子，結合水中的氫元素有慢化快中子的作用。普通硅酸鹽水泥、高鋁水泥、鋇水泥、鍶水泥和含硼水泥的性能比較見表3

2.2.1鋇水泥鋇水泥在礦物組成上是以BaO代替傳統硅酸鹽水泥中的CaO，以重晶石和黏土為主要原料，燒制得到以硅酸二鋇為主要礦物組分的熟料，加入適量的石膏共同粉磨而成。在燒制過程中加入輔助原料焦炭有助于重晶石分解［3］。鋇水泥的密度一般為4.5～5.5g/cm3，早期強度高。鋇水泥對γ射線和X射線具有較高的吸收系數。鋇水泥的優點為干縮小、抗凍 性強，缺點為煅燒溫度較高，且熱穩定性差，100℃時水化結構會受到破壞，只適用于低溫度環境。

2.2.2鍶水泥鍶水泥在礦物組成上是以SrO代替傳統硅酸鹽水泥中的CaO，以碳酸鍶全部或部分代替石灰石為原料，經過煅燒獲得以硅酸三鍶為主要礦物組成的熟料，加入適量石膏磨制而成［4］。其性能與鋇水泥相近，但防射線性能稍遜于鋇水泥。

2.2.3含硼水泥通常采用鋁酸鹽熟料作為基材，摻入適量硼鎂石和石膏粉磨制備而成［5］。硼水泥具有較高的硼含量以及化學結晶水含量對快中子有慢化效應，同時對熱中子的吸收性能良好，但硼水泥中硼元素不是以固溶的形式存在，在防輻射過程中，易導致硼水泥制品產生膨脹。吸收中子時會有能量釋放并伴隨二次γ射線的產生，只能采用重骨料避免二次γ射線污染。

2.3防輻射水泥的研究現狀目前，在防輻射水泥研究應用領域，國內外研究和應用的主要是鋇水泥、鍶水泥、含硼水泥。很少能見到集防γ射線、X射線和中子射線于一體的高效防輻射水泥。水泥不是最終產品，水泥的性能要通過混凝土來體現。對單純的防輻射水泥的研究少之又少，更多地是關于防輻射混凝土的相關研究。在防輻射混凝土研究領域，更多地是以普通水泥、重骨料、合適的活性摻合料和適量外加劑制備的高性能混凝土。關于防輻射混凝土研究最多的是其配合比設計、施工工藝和防輻射性能。王萍等人［17］以磁鐵礦為粗集料，摻入結晶水調節劑配制有效防止γ射線和中子流的C30級防輻射混凝土。伍崇明等人［18］對高密度輻射屏蔽混凝土的配合比設計、施工工藝進行相關的實驗研究。Kharita等［19-20］采用普通礫石、白云石、赤鐵礦石、蛇紋石配制出一系列防輻射混凝土，并研究了水灰比、碳粉和溫度對防輻射混凝土屏蔽性能的影響。Sharma等［21］通過在混凝土中摻入鉛纖維、鋼纖維制備增強防輻射混凝土，防輻射效果明顯，但其耐久性有待提高。

2.4防輻射水泥存在的問題防輻射水泥有諸多品種，但存在防輻射效果單一、熱穩定性差等缺點。1)制備工藝不同于普通硅酸鹽水泥。鋇水泥、鍶水泥煅燒溫度較高，含硼水泥需要外摻硼鎂石煅燒，均不能直接套用普通硅酸鹽水泥工藝參數。2)防輻射效果單一。鋇水泥、鍶水泥對γ射線的屏蔽效果很好，但不能有效屏蔽中子射線。含硼水泥對快中子有慢化作用，對熱中子有良好的吸收效果，但吸收中子時會釋放能量并產生二次γ射線。3)水泥性能差異大。鋇水泥煅燒溫度高，且熱穩定性差，只適用于低溫環境。含硼水泥吸收中子時，會釋放氦氣，導致硼水泥膨脹。4)在射線輻射條件下，水泥的組成及結構的轉變規律研究不足。由于高能射線的輻射作用，水泥的組成成分與礦物結構會發生改變，將會影響水泥的防輻射效果。5)射線輻射條件下，水泥的長期使用性能研究不足。由于高能射線輻射作用會伴隨能量變化，導致環境溫度的改變，影響水泥的長期使用性能。

2.5防輻射水泥的發展趨勢目前階段，還沒有關于能同時防護屏蔽γ射線、X射線和中子射線的特種防輻射水泥的報道。防輻射混凝土的制備大多用的還是普通的硅酸鹽水泥，但是普通硅酸鹽水泥無法滿足特殊要求的防輻射混凝土。開發研制一種新型、穩定、高效的防輻射水泥，使其能同時對γ射線、X射線和中子射線都有很好的防護屏蔽效果，并且在射線輻射環境下，能夠長久保持其結構性能穩定及防護屏蔽效果顯著。制備這種新型、穩定、高效的防輻射水泥，具有重要的環境效益和社會經濟效益。

3防輻射水泥發展趨勢的思考

3.1制備多元復合型防輻射水泥的設想目前，對于輻射屏蔽效果單一的鋇水泥、鍶水泥、含硼水泥及防輻射水泥混凝土的研究報道并不少見。但同時對γ射線、X射線和中子射線都具備良好防護屏蔽效果的特種水泥相關報道較少。筆者所在團隊根據目前防輻射水泥的研究缺陷提出了多元復合型防輻射水泥的設計思路。設想將對α、β、γ、X射線防護屏蔽效果突出的金屬元素(如鐵、鉛、鋇、鍶等)以及對中子射線衰減屏蔽效應明顯的元素(如氫、硼、鋰、鎘等)通過物理化學作用以配位的形式摻入水泥礦物相晶體結構中，使其占據不同的原子位置，達到能同時防護屏蔽γ射線和中子射線的效果，同時保證水泥的高凝膠性，制備多元復合型防輻射水泥。

3.2多元復合型防輻射水泥的優勢多元復合型防輻射水泥不僅含有對γ、X射線防護效果突出的重金屬元素，而且摻雜有對中子射線吸收屏蔽明顯的輕元素，因而對核射線具有更加全面顯著的防護屏蔽效果。多元復合型防輻射水泥的熱穩定性得到加強，可以應用于不同溫度、不同環境的核防護工程。將這種多元復合型防輻射水泥與含重金屬元素(鐵、鉛、鋇、鎢等)的集料、合適的外加劑及含輕元素(氫、硼、鋰等)摻合料作原料制備高性能防輻射混凝土。得到的混凝土具有多重疊加效果，這種防輻射混凝土必將具備高效全面的防輻射效果，滿足日益提高的防輻射要求。制備這種熱學性能穩定、應用環境廣泛，防護屏蔽效果全面的高凝膠性多元復合型防輻射水泥，具有重要的社會效益和環境效益。

3.3多元復合型防輻射水泥的發展展望針對現階段防輻射水泥存在的問題，設想將具備防輻射效果的原料經過物理化學作用固化到水泥熟料礦物相中，制備新型、穩定、高效的多元復合防輻射水泥。對于制備多元復合水泥的具體方法(元素摻量、煅燒溫度等)，多元復合水泥的礦物相結構，多元復合水泥的工作性能、力學性能以及防輻射效果，不同射線與多元復合水泥礦物相的相互作用等問題還沒有相關的研究成果值得借鑒，還需要進行大量的基礎性實驗研究工作。

4結論

1)防輻射材料主要屏蔽γ、X射線和中子射線。2)目前常用的防輻射水泥主要是:鋇水泥、鍶水泥、含硼水泥。3)防輻射水泥目前存在屏蔽效果單一且某些品種熱穩定性差，其在輻射條件下的結構轉變規律及長期性能研究不足等問題。4)制備一種能同時防護屏蔽γ射線、X射線和中子射線，且在射線輻射作用下能夠長期保持其結構穩定及屏蔽效果顯著的多元復合型防輻射水泥，具有重要的經濟效益和環境效益。5)采用以重金屬元素(如Fe、Pb、Ba、Sr等)及“中子吸收劑”元素(如H、B、Li、Cd等)制備新型、穩定、高效的多元復合防輻射水泥具有可行性，但還需要進行大量的研究工作。

作者：田鍵朱兵兵申盛偉田進王金地單位：湖北大學材料科學與工程學院湖北大學天沭新能源材料工業研究設計院