[0001] 本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种吸水树脂防中子辐射屏蔽高性能混凝土及其制备方法。

[0002] 核技术在应用过程中会产生大量对人类健康构成严重威胁的放射性射线，长时间受到放射性射线的影响，会出现头晕、失眠、脱发、呕吐等症状。当前，核能产业中防护构件屏蔽性能有限，是制约核能产业可持久安全发展的主要原因。因此，防辐射材料的研发在近年来得到了不断的重视与发展。目前，国内外学者对混凝土、砖、钢板、铅板以及水等材料进行了辐射屏蔽研究。其中，混凝土取材广泛、成本低、易于生产、力学性能好，并且具备良好屏蔽性能，作为辐射屏蔽材料的同时，也是重要的建筑结构材料，因此，混凝土被认为是最具应用前景的防辐射材料之一。

[0003] 对于快中子(中子能量大于1MeV)而言，与原子序数较低的原子核(如氢原子)发生碰撞，能量损失将更大，因此氢原子可以有效的屏蔽快中子。在辐射屏蔽混凝土制备过程中，添加具有较大吸收截面元素的材料(比如含氢元素材料)是提高中子辐射屏蔽能力的重要方法，高吸收截面元素的选择是性能提升的关键。

[0004] 在水泥基复合材料中，氢主要以自由水(水蒸气、物理机械结合水)和化学结合水(骨料、聚合物)的形式存在，如褐铁矿(2Fe2O3·3H2O)、针铁矿(FeO(OH))和结晶水含量较多的蛇纹石Mg6[Si4O10](OH)8)。对此国内外学者展开了含氢骨料的屏蔽性能研究。Daungwilailuk、Berna，Prochon等分别使用重晶石、褐铁矿、磁铁矿等作为细/粗骨料加入混凝土中，由于骨料密度高并含有结晶水，随着骨料用量的增大，一定程度上增大了氢元素的含量，通过中子屏蔽测试以及理论计算得到的宏观去除截面值也逐步上升，提高了混凝土的中子辐射屏蔽能力，这也证实了高氢含量的骨料可提高混凝土的快中子屏蔽效果。然而，天然高密度骨料作为防辐射混凝土的粗细骨料，虽可在一定程度上提高混凝土的屏蔽性能，但其内部结晶水含量很低，氢元素较少，其屏蔽效果有限。

[0005] 为进一步实现快中子屏蔽，研究者把目光转向了聚合物。Zalegowski在磁铁矿混凝土中加入聚合物分散体(聚丙烯、环氧树脂)，结果表明，聚合物可以一定程度提高中子屏蔽性能。DiJulio等发现使用聚乙烯制备出的混凝土中子屏蔽效果达到了40％，但其力学性能受到了影响。Malkapur、Min等研究发现，与常规砂浆相比，聚合物和树脂基等混合料的等效中子剂量降低更多，但需要通过特殊处理提高其力学性能。虽然聚合物混凝土能够提高中子屏蔽性能，但辐射的热效应和聚合物链降解引起的体积膨胀会破坏混凝土的结构，增加孔隙率，降低抗压强度、耐热性能和屏蔽性能。

[0006] 随着核能小型源、移动源的发展，功能、结构一体化已成趋势，要求混凝土屏蔽材料不仅具备良好的综合屏蔽功能，还应具备一定的结构力学性能、耐热性能以及环保性能、兼做结构材料。因此，制备出高强度的中子屏蔽混凝土具有广泛的应用场景和重大的工程意义。

[0042] 现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。

[0043] 另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

[0044] 除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

[0045] 在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。

[0046] 关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

[0047] 以下实施例及对比例中，所采用的水泥为P·O 52.5硅酸盐水泥，技术指标如表1所示；所采用的粉煤灰为一级粉煤灰，组成如表2所示；所采用的硅灰的组成如表2所示；所采用的减水剂为聚羧酸高效减水剂，减水率30％，固含量30％；所采用的吸水树脂(SAP)购自万华化学集团，型号为WHS600，平均粒径为0.6mm，主要成分是丙烯酰胺共聚物，形态及微观形貌如图1所示，其中(a)为树脂形貌图，(b)为饱和吸水树脂的形貌图，(c)为吸水树脂的SEM图；所采用的粗骨料为直径为0.6～1.18mm的天然河砂，所采用的细骨料为直径为0～1.18mm的天然河砂。以下不再重复描述。

[0048] 表1P·O52.5技术指标

[0049]

[0050] 表2硅灰与粉煤灰组成/wt％

[0051]

[0052] 实施例1

[0053] 吸水树脂防中子辐射屏蔽高性能混凝土的制备，步骤如下：

[0054] (1)干燥吸水树脂饱水处理：称取1g SAP置于500mL烧杯中，加入500mL水，浸泡5h，使SAP充分吸收水，然后进行过滤，反复称量直至SAP吸水至饱和，质量不再增加。SAP吸水率如公式(1)所示：

[0055]

[0056] 式中：M2‑吸水饱和后吸水树脂的质量，g；M1‑干燥吸水树脂的质量，g。

[0057] SAP吸水过程如图2所示，从图2中可以看出SAP在放入水中的前2个小时内吸水量增长较快，随时间延长，SAP吸水量增速逐渐变缓，直至与外部水分交换达到平衡，得到饱和SAP。制备结束后，吸水量为SAP质量的22倍。

[0058] (2)配合比设计：形成致密的颗粒堆积结构是制备高强度混凝土的关键。根据修正后A&A的模型确定目标曲线，计算公式如(2)所示，通过调整混凝土中拌合物的比例使其组成的粒径分布曲线接近目标曲线，得到紧密的堆积结构，如图3所示。前期对于SAP的掺量进行多次基本性能测试实验，最终选取具有代表性的3组数据，SAP的掺量分别选取拌合物总质量的0.1％、0.2％、0.3％，所得混凝土配合比见表3。

[0059]

[0060] 其中，D‑颗粒粒径，μm；P(D)‑粒径小于D的颗粒百分含量，％；Dmax‑最大粒径，μm；Dmin‑最小粒径，μm；q‑分布模量，取值为0.23。

[0061] 表3混凝土配合比设计(kg/m3)

[0062]

[0063]

[0064] 注：Control为对照组，不加入SAP；SAP0.1、SAP0.2及SAP0.3分别代表拌合物中干燥的SAP的质量分数分别为0.1％、0.2％和0.3％(SAP0.1、SAP0.2及SAP0.3中，干燥SAP的加3 3 3
入量分别为2.2kg/cm、4.4kg/cm 和6.6kg/cm)；ADD0.3代表直接引入水，使得水的加入量与SAP0.3组相同，但因水灰比太大，减水剂不宜过多，调整减水剂量，保持SAP0.3和ADD0.3的流动度一致。W0代表所加入的SAP达到饱和吸水状态时的吸水量。

[0065] (3)混凝土样品制备

[0066] 原料的混合方案如图4所示。SAP需预先浸泡5h，然后过0.6mm钢筛，将水、高效减水剂和硅灰混合，低速(140±5r/min)搅拌1min，以提高硅灰颗粒的分散性；再将P·O 52.5硅酸盐水泥、筛分处理过后的吸水树脂、一级粉煤灰加入搅拌锅中，低速(140±5r/min)搅拌1min，最后加入河沙，，先低速(140±5r/min)搅拌2min，后高速(280±10r/min)搅拌2min，得到均匀性良好的中子屏蔽混凝土(ARC)砂浆。脱模后放入标准养护室(温度为20±2℃，湿度大于等于95％)养护28天。

[0067] 性能验证方法

[0068] 1.物理性能测试

[0069] (1)根据《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419—2005)，采用跳桌法进行混凝土拌合物的流动度测试。

[0070] (2)采用湿堆积密度来对拌合物的密实程度进行表征。

[0071] (3)进行标准养护下试块质量变化测试，试块24小时脱模后记为试块的初始质量。此后试块一直处于标准养护状态，分别测试7、21、35、49、56天质量，计算公式如(3)所示。

[0072] a＝(mn‑m2)/m2×100  (3)

[0073] 式中a为质量变化百分率，％；m2为脱模时质量，g；mn为标准养护第n天的质量，g。

[0074] (4)制备规格为40mm×40mm×160mm的单轴抗压强度试样，依据《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671‑1999)，采用电液伺服压力试验机以2.4kN/s的加载速率进行抗压强度测试。

[0075] 2.物相组成测试

[0076] 使用X射线衍射仪(布鲁克公司，D8 ADVANCE)进行水化过程测试，对粉末样品(＜75μm)进行物相表征分析，样品扫描角度范围为10‑70°，扫描速度为2°/min；采用热重分析仪(德国耐驰公司，STA449F5)进行热重分析，温度范围设定为25～800℃，以10℃/min的加热速率记录样品的重量持续损失情况。

[0077] 3.微观结构测试

[0078] 采用场发射扫描电子显微镜(日立公司，S4800)对混凝土进行微观形貌测试。测试过程中加速电压为15kV，选取固化28天试块进行测试，测试前先放入50℃的烘箱中干燥2小时。选用压汞仪(麦克默瑞提克仪器有限公司，AutoPore V 9600)对试块进行压汞试验，最大压力为55000psia，接触角为130°，测算混凝土中孔隙分布以及孔体积。

[0079] 4.中子屏蔽仿真测试

[0080] 采用MCNP进行中子屏蔽模拟，MCNP(Monte Carlo N‑Particle)是一个基于蒙特卡罗方法的粒子输运计算的模拟代码。在MCNP中，输入粒子相互作用的截面、材料元素的质量百分比和材料的密度进行凝土试样的中子屏蔽性能模拟，通过增加历史记录的数量，提高程序的运行时间和计算精度。后续具体讨论了混凝土试样的模拟参数设置。采用10cm×10cm×5cm混凝土试样，堆叠成不同厚度(5、10、40、60、80cm)进行辐射测量，根据公式计算混凝土的透射率、半层值、宏观截面，然后用于评估试块的中子屏蔽能力。

[0081] 性能验证结果

[0082] 1.ARC物理性能分析

[0083] 1.1流动度

[0084] 吸水树脂混凝土的流动度变化规律如图5所示。从中可以看出，随着掺量的增加，混凝土拌合物的流动度逐渐升高。与参照组(C0，流动度210mm)相比，当混凝土通过饱和吸3
水树脂添加水46(SAP0.1)、92(SAP0.2)、138(SAP0.3)kg/m 时，流动度分别上升了9.52、
19.04和38.1％，出现这种现象的原因如下，在搅拌的过程中，预先吸水的SAP水分渗出，增
3
加了砂浆的自由水，导致流动度上升。直接引水138kg/m的混凝土试块(ADD0.3)流动度也显著提高，这是由于直接引水后水灰比过大造成的。一些研究也证实了饱和SAP加入对混凝土流动度产生显著影响。

[0085] 1.2湿堆积密度

[0086] 不同吸水树脂掺量的砂浆湿堆积密度如图6所示。由图可知，随着吸水树脂掺量增加，拌合物的湿堆积密度呈现逐渐降低的趋势。当通过饱和吸水树脂引水量为0、48、96、3 3
144kg/cm时，湿堆积密度分别为0.721、0.688、0.65、0.607、0.721g/cm。这可能是因为饱和吸水树脂的粒径较大(如图1所示)，质量较轻，且随着掺量的增加，其本身也占据了拌合物内部一定的体积，因此湿堆积密度表现出下降的趋势。湿堆积密度是把粉料自由填充于容器中，测其刚填充完成的单位体积质量，因此对于仅添加水量不同的Control和ADD0.3而言，其湿堆积密度相同。

[0087] 1.3质量变化

[0088] 在不同龄期下，水泥基材料质量变化率如图7所示，由图可知，与脱模时试块质量相比，试块在标准养护室内的室养护一段时候后质量都略微增大。当混凝土通过饱和吸水3
树脂添加水0(Control)、46(SAP0.1)、92(SAP0.2)、138(SAP0.3)kg/m 时质量分别增大
0.128、0.129％、0.130、0.132％。因为质量变化较小，所以在后面计算试块元素质量占比时可忽略质量变化情况，按初始质量计算。此外由图可知，养护7天之后，随着龄期的增加，混凝土质量基本保持不变，即在标准养护下，混凝土的质量变化只与添加的材料有关，而与养护时间无关。

[0089] 1.4力学性能

[0090] 不同配合比下混凝土抗压强度如图8所示。可以看出，通过SAP附加填水时，养护3天、7d和28d试块抗压强度都呈现先增大后减少的趋势。当通过饱和吸水树脂添加水463
(SAP0.1)、92(SAP0.2)、138(SAP0.3)kg/m 时，抗压强度分别为108、113、99、93MPa，当直接
3
引入水138kg/m(ADD0.3)时，抗压强度为78MPa。随着SAP总附加水量增大，试样的力学性能呈现先增大后减少的趋势，这可能是因为饱和吸水树脂在湿度差的作用下释水，促进水泥水化，提高强度，但SAP掺量越多，释水后留下的孔隙则就越多，当SAP对水泥水化促进生成的水化产物不能弥补孔隙率增加时，就会造成混凝土的强度降低，此时掺量越大，对强度的降低效果越显著，这与已有研究相符。在相同含水量的情况下，通过SAP引入水后，SAP0.3抗压强度比直接引水的ADD0.3高19％，这则是因为SAP通过延缓释水的能力，在水化反应后期促进了二次水化反应，起到了内养护作用，因此相较于直接加入水的ADD0.3，通过饱和吸水树脂引入水的SAP0.3试块的抗压强度更高。

[0091] 饱和吸水树脂对混凝土抗压强度的影响主要是考虑两个方面：一是在养护早期，如果饱和吸水树脂掺量过多，则在搅拌过程释放过多自由水含量，增加水灰比，造成强度的降低；二是在养护后期，饱和吸水树脂的释水会在混凝土中留下孔隙，如果掺量过大，则会过多的增加内部孔隙率，造成强度的大幅度降低，如果掺量过少则不能很好的促进水泥的水化进程，起到很好的达到养护的效果。所以饱和吸水树脂的掺量要适宜，在本发明中，0.1％的掺量时强度最高。

[0092] 2.ARC水化产物物相组成分析

[0093] 2.1X射线衍射分析

[0094] 吸水树脂混凝土在28天龄期时的XRD图谱如图9所示。在环境温度下，试样中的物相主要包括：氢氧化钙(Ca(OH)2)、水化硅酸钙(C‑S‑H)、硅酸二钙(2CaO·SiO2，C2S)、硅酸三钙(3CaO·SiO2，C3S)、碳酸钙(CaCO3)、石英(SiO2)以及AFt(Magnetite)。其中，Ca(OH)2、C‑S‑H和CaCO3是作为水化产物而存在。XRD图谱中显示存在C2S和C3S，这是因为混凝土具有较低水灰比，内部存在大量未水化的水泥。

[0095] 分析28d龄期各试样的衍射峰值及XRD图谱可知，相对空白组Control，掺入饱和超吸水树脂后，其CH含量和C‑S‑H生成量均有所增加，且在相同引水量的情况下，通过饱和吸3 3
水树脂引水138kg/m (SAP0.3)的水化产物量大于直接引水138kg/m(ADD0.3)的水化产物，说明饱和超吸水树脂一定程度上促进了水泥颗粒的水化，生成了更多的水化产物。此外，观察图谱，并无新的物相产生，可能是由于饱和吸水树脂在混凝土反应过程中只是起到一个蓄水器的作用，在水化过程释放水分，促进水化，其本身并不参与反应。

[0096] 2.2热重分析

[0097] 标准养护下28d的混凝土样品的TG和DTG曲线如图10所示。从TG图可以看出，随着温度的升高，样品质量下降。随着SAP掺量的增加，样品总质量损失增大，原因可能是高掺量的饱和吸水树脂能够在养护后期释放出更多的水分，促进水泥的水化反应，C‑S‑H凝胶和CH的生成量也在不断增加，因此在高温下分解的也越多。Control、SAP0.1(饱和46kg/m3)、3 3
SAP0.2(饱和92kg/m)、SAP0.3(饱和138kg/m)相对剩余质量分别为92.6、91.19、91.16、
90.33％。

[0098] 从DTG曲线中看到三个峰值，第一个质量变化率峰值出现在60‑285℃时，对应于水化硅酸钙凝胶和钙矾石的分解，随着饱和SAP率的增加，水化产物C‑S‑H凝胶和钙矾石量增多，加热后生成的自由水蒸发质量变化率因此呈现增大的趋势；第二个质量损失峰在380‑500℃，对应于氢氧钙石的分解，如公式(4)所示；第三个质量损失峰在600‑750℃，是由于Ca(OH)2的碳化而产生的碳酸钙分解所产生的，如公式(5)所示。

[0099] Ca(OH)2→CaO+H2O  (4)

[0100]

[0101] 因此根据公式(6)～(9)可以计算化学结合水和Ca(OH)2的含量，结果如表4所示。

[0102]

[0103] Wwater＝WI+WII+0.41WIII  (7)

[0104]

[0105] WCH＝4.11WII+1.68WIII  (9)

[0106] 式中，WI‑自由水蒸发量，％；WII‑氢氧钙石的分解量，％；WIII‑碳酸相的分量，％；Wwater‑结合水含量，％；WCH‑氢氧化钙(CH)含量，％。

[0107] 28天ARC的结合水含量和氢氧化钙(CH)含量如图11所示，表4给出了各组样品结合水含量和氢氧化钙含量的相关数据。由图11可知，随着饱和SAP的增加，结合水和CH的生成量均有不同程度的增加。在相同含水量的情况下，相较于直接加入水的情况ADD0.3(直接引3 3
水138kg/m)，通过SAP间接引入水的SAP0.3(饱和138kg/m)的水化产物更多。这与前面通过XRD对混凝土成分分析的结果相一致。结合水和CH生成量增加的原因可能是，由于饱和SAP后期释放水分，提高了可结合水量，促进二次水化，从而造成CH的大量产生。

[0108] 表4化学结合水和Ca(OH)2的含量/％

[0109]

[0110]

[0111] 3.ARC微观结构分析

[0112] 3.1孔隙结构分析

[0113] 28天的ARC的孔径结构如图12、图13所示，图12中，(a)为累计孔容分布图，(b)为孔容分布图。图13为ARC孔径分布直方图。表5给出了各组样品孔隙结构的相关数据。与对照组(Control)相比，ARC的孔隙率随着SAP掺入量的增加先降低后升高。SAP掺量较少的SAP0.13
(饱和46kg/m)的孔隙率比对照组Control组低2.5％，原因可能是掺入饱和吸水树脂后，产生内养护效果，促进水化，产生的水化产物填补部分大孔隙，导致小孔隙变多，但是总孔隙
3 3
较少；通过SAP引水92kg/m (SAP0.2)和138kg/m (SAP0.3)的孔隙率则比Control组高7.6％和18.9％，这是因为多余水的加入，水灰比增大，饱和吸水树脂对水泥水化的促进作用不能弥补孔隙率增加造成负面影响。导致总孔隙率增大。与通过直接加水在混凝土中的ADD0.3
3
(直接引水138kg/m)试样相比，由于SAP起到了内养护作用，SAP0.3总孔隙率低于ADD0.3。
具体来说，掺加SAP导致混凝土孔隙率增大的原因主要有两个方面：一是在养护早期，饱和吸水树脂掺量过多在搅拌过程释放过多自由水含量，增加水灰比，总孔隙率增大；二在养护后期，吸水树脂释水在混凝土中留下孔隙，增加总孔隙率。

[0114] 水泥基材料按孔隙进行了分类，小于10nm的凝胶孔被认为与混凝土的自收缩、蠕变和渗透性有关，不会对混凝土强度产生不利影响，10‑100nm称为少害孔，对混凝土的强度会产生较小的影响，大于100nm的孔隙则对水泥基质的力学性能产生不利影响。从孔隙结构的数据和孔径分布来看，通过掺加SAP来引水水分的混凝土总孔隙率和孔径分布优于直接加水的混凝土，其总孔隙率较小，且无害孔分布较多、有害孔分布较少。因此，可以得出结论：在相同含水量下，相比于直接加水，通过加入SAP间接引入水分可以有效降低混凝土的孔隙率，优化混凝土的孔隙结构，进而提升混凝土的力学性能。

[0115] 表5ARC样品的MIP结果/％

[0116]

[0117]

[0118] 3.2SEM分析

[0119] ARC微观结构如图14所示。其中(a1)、(b1)、(c1)、(d1)分别为Control、SAP0.1、SAP0.2及SAP0.3组的微观结构图，(a2)、(b2)、(c2)、(d2)分别为(a1)、(b1)、(c1)、(d1)的局3
部放大图。如图14(b1)、(b2)所示，当试块中SAP掺入量较少时，通过SAP引水46kg/m(SAP0.1)的混凝土水化更充分，内部出现了连续的CH晶体和有大量的C‑S‑H凝胶，形成了良
3 3
好的结构。而对于掺量较大的SAP0.2(饱和92kg/m)、SAP0.3(饱和138kg/m)而言，一方面因其在搅拌过程中会释放一部分自由水导致水灰比增大，另一方面，饱和SAP后期释放水分过程中，硬化砂浆中会形成较多的SAP孔洞，所以导致材料的微观结构逐渐变的疏松，出现较多的裂缝，随着掺入量的增多，这种现象愈发明显，如图14(c1)、(c2)、图14(d1)、(d2)所示。
这一特性使得材料的抗压强度出现降低现象，结果与力学性能测试结果相一致。

[0120] 4.ARC中子屏蔽性能分析

[0121] 4.1混凝土元素组成计算

[0122] 试件中元素组成是影响中子屏蔽能力的重要因素。因此需计算出固化后试块的元素组成和密度，水泥水化反应式如(10)～(13)所示：

[0123] 2(3CaO·SiO2)+6H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+3Ca(OH)2    (10)

[0124] 2(2CaO·SiO2)+4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O+Ca(OH)2   (11)

[0125] Al2O3·3CaO+2H2O·3CaSO4+26H2O→Al2O3·3CaO·3CaSO4·32H2O   (12)

[0126] Al2O3·3CaO·3CaSO4·32H2O+2(3CaO·Al2O3)+4H2O→3(Al2O3·3CaO·CaSO4·12H2O)  (13)

[0127] 由式(10)～(13)可以计算出水化后水泥中各元素组成，考虑到混凝土水化反应中水泥并不能完全水化，依据《水泥‑普通水泥的组分、规范和相符性标准》(EN 197‑1‑2004)，给出的水泥中最小熟料含量，取水泥水化的应用系数为0.95。

[0128] 52.5水泥水化后C‑S‑H(3CaO·2SiO2·3H2O)占总质量的50‑60％，CH(Ca(OH)2)占总质量的20‑25％，AFm(3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O)占总质量的15‑20％。在本发明中确定C‑S‑H∶CH∶AFm的质量比为60∶25∶15。可计算得出52.5水泥水化后的主要元素含量如表6所示。

[0129] 表6水泥水化后的元素含量

[0130]

[0131] 以SAP替换率为0.1％为例，计算SAP0.1(46kg/m3)中各元素组成，0.1％替换率时混凝土原始材料中水泥、水、饱和吸水树脂、硅粉、粉煤灰、和河砂的质量比为34.18:7.4:1.97:6.21:6.21:44.01；根据图17的步骤来进行运算，最终确定辐射屏蔽混凝土各元素H、Al、O、Ca、Si、S和其他元素的质量百分比为1.09：1.91：51.48：14.56：30.32：0.64。最终通过以上方式计算出混凝土试块中主要元素的成分及占比，如表7所示。

[0132] 表7不同试块的元素质量百分比/％

[0133]

[0134] 4.2混凝土试块中子屏蔽模型建立

[0135] 在MCNP中建立中子屏蔽模型，如图16所示。输入混凝土的元素组成、含量以及密度，从而定义中子屏蔽材料(元素组成的计算过程如4.1所示)，屏蔽材料试块长宽为10×10cm，厚度取5、10、40、60、80cm，设定屏蔽试块材料均匀、无孔隙、无收缩膨胀，几何尺寸恒
8
定。选取各向同性中子点源为放射源，中子源能量取0.001‑10MeV，中子模拟粒子数为10个。中子源距离试块30cm，试块距离探测器120cm。误差控制在0.5％以内。中子通过屏蔽材料后，获得屏蔽体后中子注量(N)，不放置屏蔽材料时获得无屏蔽中子注量(N0)，通过透射率(A＝N/N0)描述吸水树脂混凝土的屏蔽效果。

[0136] 4.3SAP掺量对中子透射率的影响

[0137] 高能中子与屏蔽物质原子核发生非弹性散射、弹性散射、俘获、吸收过程，达到高能中子被屏蔽的效果，采用中子透射率来表示。中子透过屏蔽材料会产生一定程度的衰减，衰减规律可用指数函数来表示，如公式(14)、(15)、(16)所示：

[0138] 当中子源通过屏蔽体阻挡时，中子注量N为：

[0139]

[0140] 当中子源与探测器之间无屏蔽体阻挡时，中子注量N0为：

[0141]

[0142] 中子在屏蔽材料中的减弱遵循指数衰减规律:

[0143]

[0144] 式中，A‑表示中子透射率，无量纲；N‑通过屏蔽材料后透射过中子注量；N0‑原始中‑1子注量；L‑材料厚度，cm；ΣR‑材料中子宏观分出截面，cm ，I0‑中子源强度，n/s，R‑源到测量点距离，cm。

[0145] 以60cm厚度为例，中子屏蔽效果如表8所示。当饱和吸水树脂掺量为0、46、92和3
138kg/cm时，以能量为5MeV中子作为辐射源时，试块的透射率分别为1.52、1.262、1.022、
0.733％，以能量为0.01MeV中子作为辐射源时的，试块的透射率分别为0.0926、0.063、
0.034、0.022。由此可知在混凝土中掺入饱和吸水树脂可以很好的提高其中子屏蔽效果，且对快中子的屏蔽效果更显著。且在相同引水量的情况下，SAP0.3(通过吸水树脂饱和引水
3 3
138kg/m)和ADD0.3(直接引水138kg/m)的屏蔽效果相似，主要是因为二者的元素含量占比相同，而影响中子屏蔽效果的主要原因就是物质的元素含量。

[0146] 表8 60cm试块在不同能量下的屏蔽参数

[0147]

[0148]

[0149] (注：N/N0：透过率,％；ΣR：中子宏观截面，cm‑1)

[0150] 不同厚度式样中子屏蔽效果如图17所示，其中(a)～(e)分别代表厚度为5cm、10cm、40cm、60cm及80cm的式样的中子能量与中子透过率的关系。当屏蔽层厚度较大时，饱和吸水树脂的掺加对能量较高的中子更为有效，以10MeV的中子源为例，试块的厚度为5、
3 3
10、40、60和80cm时，Control、SAP0.1(饱和46kg/m)、SAP0.2(饱和92kg/m)、SAP0.3(饱和
3
138kg/m)的中子透射率分别为0.65～0.036、0.63～0.28、0.62～0.0.02、0.60～0.016。与对照组(Control)相比，随着SAP掺量增加，中子屏蔽效果提高了4～19、5～44、7～55％。这主要是因为饱和吸水树脂含水量较多，因此随着掺量增加，氢元素质量占比增大，中子屏蔽效果增强。且随着厚度的增大，在混凝土中掺入饱和吸水树脂使得中子屏蔽效果更明显。

[0151] 4.4SAP掺量对于宏观截面的影响

[0152] 物质的中子屏蔽效果很大程度上取决物质的宏观截面，宏观截面ΣR(cm‑1)被描述为，当中子穿过介质时，单位长度内发生中子反应碰撞的可能性，宏观截面只与材料本身性质有关，中子的总横截面(ΣR)越大，意味着材料的屏蔽效率越高，计算如公式(17):

[0153]

[0154] 式中，ρs‑混合物密度，g/cm3；ρi‑第i组分元素的体积密度，Wi‑第i个元素的质量占比。(ΣR/ρ)i‑第i组分的中子质量去除系数，公式(18)、(19)、(20)所示。

[0155]

[0156]

[0157]

[0158] 式中，(σa)i‑第i个元素中子微观吸收截面，cm‑2；Mi‑原子质量；NA‑阿伏伽德罗常3
数，原子/mol；N‑元素的原子密度，原子/cm。

[0159] 图18为不同试块中子能量与宏观截面ΣR的关系图，从图18可以看出，在整个能谱中，中子宏观截面值(ΣR)随着能量的增加而逐渐下降。与对照组相比，掺加SAP后混凝土的‑3宏观截面值更大。当能量分别在1×10 MeV到10MeV之间变化时，Control、SAP0.1、SAP0.2、SAP0.3的宏观截面分别为0.068‑0.270、0.071‑0.279、0.074‑0.295、0.775‑0..304。饱和吸水树脂掺量越多，其屏蔽效果越好，这可以归因于混凝土的化学成分不同。屏蔽效果对氢元素有较大的依赖性，在高能量下，氢元素的微观反应截面要远大于从其他元素，含氢量越多其中子宏观截面越大，所以具有相同含水量SAP0.3和ADDD0.3的屏蔽效果相似。

[0160] 4.5SAP掺量对于半值层的影响

[0161] 半值层(HVL)是指初始中子强度降为原来一半所需的屏蔽层厚度。计算如公式(21)所示：

[0162]

[0163] 半值层随中子能量变化的关系曲线如图19所示。以中子能量最低的0.001MeV为3 3 3
例，Control、SAP0.1(饱和46kg/m)、SAP0.2(饱和92kg/m)、SAP0.3(饱和138kg/m)的半层值分别为3.56、3.47、3.34、3.27cm，随着饱和吸水树脂掺量的增加，半值层并无明显下降。
以中子能量最高的10MeV为例，Control、SAP0.11、SAP0.2、SAP0.3的半值层分别为10.6、
10.3、9.69、8.94cm，随着SAP的增加，半值层则下降非常明显。这是因为吸水后的饱和吸水树脂中含有较多的氢元素，氢元素对能量高的快中子则具有更大的微观截面，而对于低能
3
量的中子屏蔽效果较弱。因此，在相同引水了的情况下，通过饱和吸水树脂引水138kg/m
3
(SAP0.3)和直接引水138kg/m (ADD0.3)的半值层相差不大。在整个的能谱中，SAP0.3和ADD0.3具有最大的宏观截面值，具有最低的透射率和最低的半值层，这也表明在制备的混凝土中，其中子屏蔽效果最好。但在1.4部分可以得知，SAP0.3的力学性能要优于ADD0.3的，因此，在制备高性能中子屏蔽混凝土时，可优先考虑SAP作为混凝土材料。

[0164] 综上，本申请为了研究吸水树脂对混凝土性能的影响，对SAP饱水处理，制备出ARC，通过一系列测试评估了其宏观性能和微观性能。得出以下主要结论：

[0165] (1)饱和吸水树脂掺入量越大，混凝土流动越高，材料的微观结构逐渐变的疏松，出现较多的裂缝和孔隙，且随着掺入量的增多，这种现象愈发明显，当SAP掺入量为混凝土3
混合物的0.3％(饱和138kg/m)时，与普通混凝土相比，孔隙率提高18.9％。

[0166] (2)与对照组(Control)相比，加入饱和吸水树脂后混凝土力学性能先增加后降低，少量SAP的加入，会使饱和吸水树脂后期释水促进水化，起到内养护作用，提高强度，当掺量过多时，饱和吸水树脂对水泥水化的促进而生成的水化产物不能弥补孔隙率增加时，会造成混凝土的强度降低。此时掺量越大，对强度的降低效果越显著。当SAP掺入量为混凝3
土混合物的0.1％(饱和46kg/m)时，强度最高，为112Mpa。

[0167] (3)在相同含水量的情况下，通过饱和吸水树脂引水和直接加水的混凝土其元素含量相同，快中子屏蔽效果相似。与普通混凝土相比，饱和吸水树脂的加入增大了混凝土氢元素的质量占比，显著提高了混凝提试块对快中子的屏蔽效果，在中子源能量为0.1MeV时，混凝土(SAP掺入量0.3％)的屏蔽效果提高了55％，HVL厚度降低了22％。

[0168] (4)当屏蔽效果相似时，即在相同含水量的情况，相比直接加水的混凝土，在混凝土中加入饱和吸水树脂后总孔隙率降低，力学性能显著提高，抗压强度可提高19％。

[0169] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。