في تطبيقات الخرسانة للحماية من الإشعاع الخطير أو لاستخدامها كثقل موازن، وكذلك في العديد من التطبيقات الأخرى التي تتضمّن استخدام خرسانة ثقيلة الوزن، فإنّ أهم طريقة لتصميم الخلطة تتضمّن استخدام الركام الثقيل. احتوت الخلطات الخرسانية التي تم إنتاجها لهذا العمل على خام الحديد، نوعين من الباريت، وخبث الحديد، وهي الركام الثقيل المتاح في العديد من البلدان. الركام الثقيل كما يمكن رؤيته من الاسم هو الركام الذي يمتلك كثافة عالية نسبيًا وهو أمر أساسي في المواقف التي تكون فيها الخرسانة عالية الكثافة ضرورية.
بشكل عام، يعتبر الركام ذو الوزن النوعي 2400 كجم لكل م 3 وأعلى من الوزن الثقيل. كثافة الخرسانة التي يمكن الحصول عليها بناءً على نوع الركام على سبيل المثال، ستكون كثافة الخرسانة 3900 كجم لكل م 3، أيّ حوالي 60 بالمائة أعلى من كثافة الخرسانة العادية عند استخدام المغنتيت، وستكون كثافة الخرسانة حوالي 3500 كجم لكل م 3 عندما يستخدم الباريت بنسبة 45 بالمائة مقارنة بكثافة الخرسانة العادية.
يستخدم الركام ذو الوزن الثقيل بشكل شائع للحماية من الإشعاع والأوزان الموازنة والتطبيقات الأخرى حيث تكون نسبة الكتلة إلى الحجم مطلوبة. علاوة على ذلك، يتم إنتاج خرسانة الركام الثقيلة عن طريق استخدام الركام الثقيل. هناك أنواع مختلفة من المعادن في تركيب الركام الثقيل والتي تشمل إمّا الاصطناعية أو الطبيعية. تتصدّر بعض المعادن مثل أكسيد الحديد الأسود ومعدن الهيماتيت ومعدن السربنتين ومعدن الإلمنيت ومعدن الباريت على التركيبات المعدنية للمجاميع الطبيعية. تشمل أمثلة الركام الصناعي الفولاذ والحديد وبورون فريت والفوسفور.
عند إنتاج خليط خرساني ثقيل الوزن من الركام الثقيل باستخدام أكسيد الحديد الأسود كمركّب معدني ثقيل الوزن. في جميع الخلطات الخرسانية المنتجة ونسبة الماء إلى الأسمنت ومحتوى الأسمنت وأقصى حجم للركام لخصائص الركام، تم الحصول على أفضل أداء عند استخدام خام الحديد، بينما تم الوصول إلى أعلى قيم لطاقة الكسر في الخرسانة بمقياس مطحنة الصلب، أكسيد الحديد الأسود أو مزيج من خبث الحديد وخام الحديد والرمل المسحوق.
هدف مهم آخر من هذه المقالة وهو تقييم خصائص الحماية من الإشعاع للخرسانة ذات الوزن الثقيل التي تحتوي على خام الحديد أو مقياس مطحنة الحديد أو نوعين من الباريت أو خبث الحديد كمجموعات. أظهرت النتائج التجريبية أن معامل التوهين يتراوح من 0.224 إلى 0.265 1 لكل سم، بينما تمت زيادة وزن الوحدة للخرسانة الثقيلة من 3012 إلى 3820 كجم لكل م 3.
الجدول 1 الخصائص الفيزيائية والتركيب الكيميائي للفئات المختلفة من الركام الثقيل.
فئة المواد | المكونات السائدة | الكثافة الظاهرية الحبيبية (كجم لكل م3) | المعادن الأساسية والتركيب الكيميائي | |
1 | الحجر المكسر وخام الحديد المائي | ليمونيت | 2100 إلى 2400 | (HFeO2)x(yH2O) |
2 |
الحجر المكسر وخام الحديد المائي |
جوثايت | 2100 إلى 2250 | (HFeO2) |
3 | الحصى أو الحجر المسحوق | باريت | 2300 إلى 2250 | (BaSO4) |
4 | الحجر المكسر وخام الحديد | إلمنيت | 2250 إلى 2700 | (FeTiO3) |
5 | الحجر المكسر وخام الحديد | الهيماتيت | 2900 إلى 3200 | (Fe2O3) |
6 | الحجر المكسر وخام الحديد | المغنتيت | 2400 إلى 3050 | (FeFe2O4) |
7 | المواد الاصطناعية (خردة الحديد) | الحديد | 3700 إلى 4650 | (Fe) |
8 | المواد الاصطناعية الأخرى | الفوسفور | 3200 إلى 4150 | (FenP) |
خصائص الركام الثقيل المرغوبة لإنتاج الخرسانة الثقيلة هي:
هناك عدد مختلف من تطبيقات الركام الثقيل. نظرًا لأن الركام الثقيل هو المكونات الرئيسية والأكثر أهمية للخرسانة ذات الوزن الثقيل، فسيكون من السهل جدًا فهم أهمية هذا النوع من الركام من خلال تطبيق الخرسانة الثقيلة.
التطبيقات المختلفة للركام الثقيل هي كما يلي:
الجدول 2 بعض الركام الموصى بِه للدرع الإشعاعي.
أنواع الركام | الكثافة الظاهرية الحبيبية (كجم / م 3) | القدرة على الحماية |
جوثايت | 2100 إلى 2250 | نيوترونات سريعة |
ليمونيت | 2100 إلى 2400 | نيوترونات سريعة |
باريت | 2300 إلى 2250 | أشعة غاما |
الفوسفور | 3200 إلى 4150 | أشعة غاما |
فريت البورون | 2600 إلى 2800 | نيوترونات |
جدول الركام الموصى به للدرع الإشعاعي.