一級防輻射高性能混凝土的試驗研究與應用

王芳利 鄧旭華

（廣東省基礎工程集團有限公司，廣東 廣州 510660）

0 引言

隨著核技術的發(fā)展，防輻射混凝土應運而生。如今癌癥發(fā)病率增高，各種先進的放射性治療設備被引進醫(yī)院，使得防輻射混凝土應用越來越多。中山大學附屬腫瘤醫(yī)院核磁共振加速器機房改建，設計上結構尺寸受限，為達到防輻射預期效果，只能提高混凝土的性能，采用密度大于3600kg的一級高性能防輻射混凝土。[1]

目前，國內配制一級防輻射混凝土基本都通過摻入鐵砂、鐵丸等高密度金屬材料來實現(xiàn)密度要求，但密度均勻性差，難以泵送，且成本高，生產過程繁雜，施工進度慢。而直接采用重晶砂、重晶石和水泥作為基礎材料，不外加其他高密度材料的情況下，通常只能配制到3400kg/m3，難以達到一級要求，同時也鮮見有實際應用。

因此，我們分兩步研究，一是圍繞混凝土密度主線，以密度最大化進行選材和配合比設計，同時兼顧抗裂性能優(yōu)化，選定孔隙率最小、密度最大、體積穩(wěn)定性最好的配合比；二是通過生產與施工相結合，采用骨料二次組合澆筑成型法進行施工，從而達到可泵性與密度、抗收縮性的統(tǒng)一。

1 原材料選擇[3][5]

1.1 水泥

水泥的選用除了滿足規(guī)范要求外，還應盡量選擇結合水較多的水泥，混凝土結合水越多，對吸收中子射線越有利。經過對比試驗，英德海螺P.O42.5R水泥最符合要求，其對比情況見表1。

表1 水泥性能對比

1.2 摻合料

考慮水化熱及密度等影響問題，選用了韶鋼礦粉其性能指標見表2。

表2 礦粉的性能指標

1.3 粗、細骨料[8][6]

重晶石粗細骨料的優(yōu)劣，主要從骨料結構、骨料中的雜質與含泥量、骨料的級配、骨料密度、骨料強度五個方面進行評價和選擇。按照《重晶石防輻射混凝土應用技術規(guī)范》要求，配制一級防輻射混凝土須采用表觀密度達到4300Kg/m3，因此，應選擇密度最為接近的樣品。

本實驗分別對廣西桂林樣，廣東陽山樣，和湖南衡陽樣A，湖南衡陽樣B進行了各項物理性能對比。重晶砂、重晶石對比結果分別見表3、表4。

表3 細骨料性能對比

表4 粗骨料性能對比

廣東陽山樣 4220 2570 25.2 1.3 連續(xù) 25.0 灰白湖南衡陽A樣 4230 2320 33.0 1.4 連續(xù) 37.5 白湖南衡陽B樣 4180 2650 18.9 4.4 連續(xù) 19.6 偏灰

由上表可以看出，廣西桂林樣品無論細骨料還是粗骨料的表觀密度都最低，其他三個樣品的密度相差不大，但為了達到泵送要求，湖南A、B樣的最大粒徑及級配未能達到要求，所以選擇廣東陽山樣。

1.4 水

拌和用水應符合國家現(xiàn)行標準《混凝土拌和用水標準》(JGJ63)的要求。本試驗使用飲用自來水。

1.5 外加劑

面對一級防輻射混凝土的的多方面需求及最佳緊密法的要求，普通外加劑是無法滿足使用要求的，因此，需要我們通過試驗摸索配制一種，既能提高混凝土表觀密度，又要固化結合水，還要能夠滿足長距離運輸及長距離泵送施工的復合型高性能外加劑，自編名稱為聚羧酸消泡型高性能外加劑。主要成分有普通外加劑、增粘劑、消泡劑。普通外加劑選用QD外加劑，其物理性能見表5。

表5 外加劑的物理性能

消泡劑，即抑制泡沫產生或消除已產生泡沫的外加劑，能使新拌混凝土在較長時間內保持塑性，從而調節(jié)新拌混凝土的凝結時間。本次選用的是聚醚類消泡劑。

2 一級防輻射高性能混凝土的配合比試驗研究

2.1 超緩凝高性能混凝土設計要求[6]

（1）表觀密度達到3600Kg/m3以上；

（2）和易性，滿足長距離運輸長泵管輸送不至離析和損失所需要的包裹性和流動性；

（3）滿足配合比設計要求的抗壓強度；

（4）結合水，滿足防護中子輻射所需的結合水含量；

（5）經濟性，在滿足各項指標的前提下，盡可能降低成本。

（6）混凝土的堿含量和氯離子含量滿足混凝土的要求。

2.2 配合比優(yōu)化試驗設計[2][7][9][10]

2.2.1 膠材組分的影響及調整

表6 礦粉不同摻量對混凝土的影響

從上表可以看出，隨著混凝土礦渣粉取代量的逐漸增大，混凝土流動性逐步增大，混凝土容重上升明顯，到20%的時候達到峰值。隨著礦渣粉的持續(xù)增長，混凝土的和易性逐漸變差，包裹性粘聚性變差，離析率上升?；炷恋拿軐嵭宰儾睿葜刂饾u降低。容重偏低問題尚可以通過繼續(xù)調整配合比和外加劑組分來進行探索。因此，礦渣粉取代比例選用20%。

2.2.2 砂率對防輻射混凝土的影響

依據普通混凝土相關生產和試配經驗，適當對混凝土中砂率進行調整，可有效降低混凝土的空隙率，提高混凝土的流動性，進而實現(xiàn)混凝土的最佳緊密堆積。本次試驗通過對混凝土的砂率進行調整，對比調整之后混凝土的各項性能，見表7。

表7 不同砂率對混凝土的影響

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由上表可知，混凝土的砂率對混凝土的表觀密度影響重大，適當調整一定比例混凝土砂率可有效提高混凝土的容重，隨著混凝土的砂率從44%逐步下調，初始時混凝土和易性變好，容重逐漸增大，混凝土離析率逐漸增高。當混凝°土砂率為38%時，混凝土和易性達到最佳狀態(tài)，同時混凝土容重突破3500Kg/m ，隨著砂率逐漸降低，混凝土和易性明顯變差。強度也隨之降低，混凝土容重也隨著有所下降。綜上，確定混凝土最佳緊密堆積適宜使用砂率為38%。

2.2.3 聚羧酸消泡型高性能外加劑的組分確定

防輻射混凝土的表觀密度仍然需要進一步提高，即通過條件外加劑中各組分的比例，以達到最佳減水率的同時，將混凝土中的大中氣泡有效消除，以實現(xiàn)混凝土的最佳緊密堆積。試驗通過對比不同摻量的消泡劑來對比混凝土各項性能的變化見表8。

表8 不同比例消泡劑對混凝土的影響

由上表看出，隨著外加劑各組分調整，混凝土容重隨消泡劑增加而逐漸增大，但混凝土和易性卻逐漸變差。在復合型外加劑的消泡組分到0.10‰時，混凝土成功突破3600Kg/m°大關，圖4為混凝土實測密度圖。且和易性良好，強度等各項數(shù)據均滿足設計要求。根據實驗結果，將普通外加劑與此消泡劑按上述比例復配，成為一級防輻射混凝土的專用外加劑，名為聚羧酸消泡型高性能外加劑。

2.3 配合比確定與拆分

2.3.1 配合比確定

綜上所述，通過原材料篩選與調整，初步擬定了配比之后，進行了有針對性的方向性試配，根據各項指標，最終確定了基準配合比，具體見表9：

表9 C35一級防輻射高性能混凝土基準配合比

2.3.2 配合比拆分

顯而易見，設計配合比配制而成的防輻射混凝土，密度能達到3600Kg/m3，但砂率小，雖然體積穩(wěn)定性高，但流動性差，加之防輻射混凝土自重大，恐難以滿足泵送要求。

故提出“骨料二次組合澆筑成型法”的設想，即從設計配合比中移出一定比例的粗骨料，使得混凝土實現(xiàn)可泵，在泵送的同時，再將移出的粗骨料按比例科學填放到結構部位，振搗密實，再次組合成型，從而達到可泵性與密度、抗收縮性的統(tǒng)一。綜合普通混凝土的泵送施工經驗，可將砂率定于43%，則便于泵送，因此，骨料二次組合澆筑成型法可按如下安排：設計最終配合比=生產配合比+組合石，具體拆分情況見表10。

表10 一級防輻射高性能混凝土的基準配比、生產配合比、組合石

2.3.3 生產配合比和易性驗證

初定的生產配合比經兩次試配驗證，結果如表11。

表11 生產配合比驗證結果

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從驗證結果來看，和易性良好，能較好地滿足泵送要求，說明骨料二次組合澆筑成型法初具條件。

3 實際生產應用

3.1 骨料二次組合澆筑成型法

一級防輻射混凝土嚴格按照施工前制定的骨料二次澆筑組合成型法進行澆筑，做好各個環(huán)節(jié)的監(jiān)控，拆模后及時做好養(yǎng)護措施，避免開裂。骨料二次澆筑組合成型法的流程如圖1。

圖1 骨料二次組合澆筑成型法的流程示意圖

3.2 應用效果

經試驗成功后，該技術成功用于中山大學附屬腫瘤醫(yī)院核磁共振加速器機房改建項目，其結構強度達40MPa以上，密度實現(xiàn)一級要求3600kg/m3以上，泵送過程順利，結構無裂縫，各項指標均達到設計要求。超緩凝高性能混凝土的施工效果見圖4。

圖2 一級防輻射混凝土澆筑效果圖

4 結束語

（1）只有重晶砂、重晶石作為高密度材料的情況下，成功研制出密度大于3600Kg/m3且體積穩(wěn)定的一級防輻射高性能混凝土。

（2）創(chuàng)造性地提出了“骨料二次組合澆筑成型法”，突破了常規(guī)的生產與施工的套路，解決了防輻射混凝土密度大則泵送困難、易離析、易收縮開裂的三大難題，實現(xiàn)了可泵性與密度、抗收縮性的性能統(tǒng)一。