大體積防輻射混凝土在裝配式醫(yī)療質(zhì)子平臺的研究與工程應(yīng)用

王鐵柱，楊飛華，段賽紅，趙煒璇

（北京建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，北京 100041）

0 工程概況

質(zhì)子醫(yī)院工程位于合肥市高新區(qū)，東至火龍地路、南至用地界線、西至用地界線、北至柏堰灣路。2#集成測試廠房大集成區(qū)域為可拆卸式預(yù)制塊結(jié)構(gòu)，裝配式建筑面積約為1500 m2，墻體厚度為1000～4400 mm，頂層厚度為2000～3250 mm，預(yù)制的構(gòu)件類型有：預(yù)制墻板、預(yù)制梁板、預(yù)制填充塊以及預(yù)制活動墻，本項目預(yù)制塊結(jié)構(gòu)安全等級為二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0，設(shè)計使用年限為50年。

1 技術(shù)難點

本項目為醫(yī)用防輻射鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋含量大而密、內(nèi)部預(yù)埋管道多而復(fù)雜，對混凝土性能要求高，主要存在以下3個方面的難題。

（1）工作性及均勻性。由于結(jié)構(gòu)體鋼筋、預(yù)埋件布置密集，普通混凝土難以滿足施工要求，要求使用大流態(tài)混凝土；同時需要保證結(jié)構(gòu)體混凝土質(zhì)地均勻，防止出現(xiàn)密度薄弱區(qū)，影響實體結(jié)構(gòu)屏蔽效果，確?；炷练垒椛淦帘谓Y(jié)構(gòu)材料服役期間性能穩(wěn)定。設(shè)計要求保證混凝土密度不低于2350 kg/m3。

（2）裂縫控制。設(shè)計裂縫控制目標為：不得出現(xiàn)寬度超過0.2 mm的貫穿性裂縫。為了保證防輻射混凝土對射線的有效防護，杜絕防輻射混凝土產(chǎn)生裂縫，防裂面臨三大難題：①該工程具有防輻射功能，對防開裂指標要求極高，不允許出現(xiàn)任何形式的有害裂縫；②該工程大體積混凝土應(yīng)用于墻板結(jié)構(gòu)部位，且鋼筋含量大、內(nèi)部預(yù)埋管道多而復(fù)雜，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致混凝土開裂；③混凝土澆筑體量大，若養(yǎng)護不當(dāng)，易產(chǎn)生較大的里表溫差，從而導(dǎo)致混凝土開裂[1-2]。

（3）屏蔽輻射。質(zhì)子醫(yī)院的加速器設(shè)備所需混凝土應(yīng)具備屏蔽質(zhì)子射線和中子射線的能力，故本研究防輻射混凝土應(yīng)具有以下特點：①有足夠的表觀密度，同時含有充足的結(jié)晶水和輕元素；②防止產(chǎn)生二次輻射，嚴格控制混凝土原材料中的有害元素含量；③防輻射混凝土長期處于高輻射狀態(tài)，各種環(huán)境輻射熱量會引起混凝土內(nèi)部溫度升高，對其體積穩(wěn)定性與長期耐久性要求高[3-4]。

2 防輻射混凝土試驗研究

2.1 原材料的選擇

（1）水泥：防輻射混凝土對水泥的質(zhì)量要求非常高，要求水泥強度、安定性等技術(shù)指標必須穩(wěn)定。本研究選用全椒海螺P·O42.5水泥，該水泥質(zhì)量穩(wěn)定，配制混凝土和易性好，能滿足配制防輻射混凝土的要求。具體技術(shù)性能如表1所示。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

（2）骨料：根據(jù)設(shè)計密度要求，本研究粗骨料選用滁州天長5～10 mm、10～25 mm二級配玄武巖碎石，其物理性能見表2；細骨料選用霍山中粗砂，其物理性能見表3。

表2 粗骨料的物理性能

表3 細骨料的物理性能

（3）減水劑：緩凝型高性能減水劑能有效延緩水化熱的釋放，降低水化熱放熱峰值，使混凝土水化熱釋放趨于平緩，可有效控制混凝土的里表溫差。本研究選用江蘇博特有限公司新型建材廠生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，固含量為15%，性能符合GB 50119—2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》的要求。

（4）礦物摻合料：本研究選用合肥一電廠Ⅱ級粉煤灰作礦物摻合料，其物理性能如表4所示。優(yōu)質(zhì)粉煤灰的需水量小，可減少混凝土用水量和水泥用量，提高混凝土的和易性，改善混凝土微觀結(jié)構(gòu)，并有效降低水化熱，延緩水泥水化，推遲凝結(jié)時間，有利于裂縫控制。

表4 粉煤灰的主要性能

（5）膨脹劑：選用武漢三源FQY高性能膨脹劑，該膨脹劑為硫鋁酸鈣-氧化鈣雙膨脹源復(fù)合型，在水化反應(yīng)過程中，可在鋼筋及鄰位的約束條件下產(chǎn)生一定的限制膨脹，抵消混凝土因收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，防止混凝土結(jié)構(gòu)因收縮過大導(dǎo)致開裂。

2.2 試驗方法

拌合物性能參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法》進行測試；防輻射混凝土抗壓強度參照GB/T 50081—2019《混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》進行測試。

3 玄武巖防輻射混凝土配合比設(shè)計研究

3.1 試驗配合比的確定

按JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》、GB50496—2009《大體積混凝土施工規(guī)范》、GB/T 50146—2014《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》等進行配合比設(shè)計。計算C40大體積墻體混凝土的60 d抗壓強度，坍落度設(shè)計值為（180±20）mm。

根據(jù)設(shè)計強度等級計算水膠比、確定用水量和砂率，并從保障強度和降低水化溫升兩方面考慮，采用粉煤灰等質(zhì)量取代水泥，共擬定了粉煤灰摻量（按占膠凝材料質(zhì)量計）分別為30%、35%、40%、45%、50%五組配合比進行試配，以確定在混凝土強度達標的前提下盡可能降低水化溫升的最佳配合比。5組混凝土配合比見表5，試驗結(jié)果見表6。

表5 C40混凝土試驗配合比

表6 C40混凝土的主要性能

由表6可見，5#混凝土強度偏低，1#～4#混凝土的60 d抗壓強度均滿足設(shè)計強度等級要求，初始坍落度均大于200 mm，擴展度均大于550 mm，但是3#混凝土的1 h坍落度、1 h擴展度損失率低，1#、2#混凝土的強度富余較大。3#混凝土中粉煤灰摻量為40%，降低混凝土內(nèi)部溫峰作用比其他試樣明顯。從混凝土的強度、坍落度、擴展度、坍落度損失率，可優(yōu)選3#、4#配合比，考慮場地、模具周轉(zhuǎn)等成本因素，最終確定3#配合比應(yīng)用于本工程大體積墻體混凝土。

3.2 絕熱溫升計算

依據(jù)優(yōu)選結(jié)果，選定強度滿足C40要求、水化溫升小、收縮小的3#配合比用于質(zhì)子醫(yī)院大體積墻體混凝土施工。

（1）水化熱計算：依據(jù)GB/T 50496—2009，根據(jù)配合比中的粉煤灰摻量，將水泥水化熱總量進行折減。水泥水化熱總量計算見式（1）：

式中：Q0——水泥的水化熱總量，kJ/kg；

Q7——水泥7 d齡期的水化熱，kJ/kg；

Q3——水泥3 d齡期的水化熱，kJ/kg。

根據(jù)水泥檢測報告，本工程選用水泥的3 d、7 d水化熱分別為261.31、282.48 kJ/kg，按式（1）計算得到水泥的水化熱總量為301 kJ/kg。

配合比中的膠凝材料除了水泥還包括粉煤灰，粉煤灰對降低水化熱效果明顯，對水泥水化熱需進行折減，其折減計算由式（2）得出：

式中：Q——膠凝材料水化熱總量，kJ/kg；

k——不同摻量摻合料水化熱調(diào)整系數(shù)，取值見表7。

表7 不同摻量摻合料水化熱調(diào)整系數(shù)

由式（2）計算得到3#配合比中膠凝材料水化熱總量為247 kJ/kg。

（2）混凝土的絕熱溫升：因水泥水化熱引起混凝土的絕熱溫升按式（3）計算：

式中：T（t）——混凝土齡期為t時的絕熱溫升，℃；

W——混凝土中膠凝材料用量，kg/m3；

C——混凝土的比熱，取1.0 kJ/（kg·℃）；

ρ——混凝土的質(zhì)量密度，kg/m3；

m——與水泥品種、澆筑溫度等有關(guān)的系數(shù)，取0.4；

t——混凝土齡期，d。

混凝土的密度為2480 kg/m3，由膠凝材料水化熱總量計算混凝土的最終絕熱溫升為40.8℃。符合GB 50496—2009中溫升不宜大于50℃的規(guī)定。根據(jù)澆筑時的生產(chǎn)經(jīng)驗，混凝土入模溫度約為30℃，這樣，混凝土的最終溫度最高值約達70℃，因此，需要對該大體積墻體混凝土工程進行溫度監(jiān)測，重視混凝土工程的開裂問題。

根據(jù)對限制膨脹率要求，確定膨脹劑摻量為30 kg/m3，等量取代粉煤灰，調(diào)整后的基準混凝土配合比見表8，坍落度為180 mm。

表8 泵送C40基準混凝土的配合比 kg/m3

4 防輻射混凝土施工

4.1 質(zhì)量保證措施

從施工方案、入模溫度、保溫措施及養(yǎng)護措施4個方面控制大體積墻體混凝土的內(nèi)部溫峰和降溫速率。

（1）施工方案。本工程混凝土墻體預(yù)制構(gòu)件為大體積防輻射混凝土結(jié)構(gòu)，為多處截面突變的異形結(jié)構(gòu)，施工方案需經(jīng)過多方共同驗證。

（2）入模溫度。通過降低混凝土原材料溫度達到降低混凝土出機溫度從而降低入模溫度的目的。將水泥、粉煤灰等粉料提前入庫，在較低環(huán)境溫度作用下，經(jīng)過較長時間預(yù)置，充分降低粉料溫度；在料倉中單獨劃分一定區(qū)域用于存儲本工程所需砂、石集料，保證砂、石產(chǎn)地一致并封閉處理，保證砂、石質(zhì)量且將砂、石集料在料倉中存儲一定時間，使砂、石集料溫度經(jīng)環(huán)境低溫實現(xiàn)預(yù)冷卻效果。

（3）保溫措施。本工程混凝土于秋冬季澆筑施工，環(huán)境溫度處于明顯下降階段，且鋼模板降溫速率較快，必須做好保溫措施，根據(jù)實時監(jiān)測的里表溫差調(diào)整保溫措施，在鋼模板外壁敷設(shè)毛氈等保溫材料；拆模后一層采用塑料薄膜包裹以防止水分散失，二層采用毛氈進行覆蓋保溫。實際實施過程中，保溫層厚度根據(jù)實時監(jiān)測的里表溫差而調(diào)整，確保保溫效果。

（4）養(yǎng)護措施。混凝土在澆筑完畢二次抹面壓實后應(yīng)及時覆蓋保溫材料。新澆混凝土早期水化較快，及時噴灑混凝土減蒸劑、覆蓋塑料薄膜達到保溫保濕養(yǎng)護的效果，避免混凝土表面水分散失過快而出現(xiàn)干縮裂縫。

4.2 混凝土澆筑

現(xiàn)場混凝土澆筑時，應(yīng)派駐專業(yè)的材料工程師進行全程質(zhì)量跟蹤，主要包括：檢測混凝土施工性能，埋設(shè)應(yīng)變計及溫度傳感器，監(jiān)測溫度變化，記錄澆筑開始時間及結(jié)束時間，有無澆筑間歇，澆筑順序，混凝土和易性等性能，入模及環(huán)境溫度，振搗及有無加水等異常情況，并提出整改意見。

具體混凝澆筑過程中需注意以下幾點：

（1）混凝土澆筑過程中應(yīng)根據(jù)泵送及澆筑狀態(tài)，判斷混凝土的流動性，仔細觀察有無泌水離析等現(xiàn)象，并根據(jù)現(xiàn)場混凝土狀態(tài)，提出調(diào)整意見。

（2）通過混凝土結(jié)構(gòu)中埋設(shè)的傳感器采集溫度變化情況，測試混凝土的入模溫度，記錄入模溫度及環(huán)境溫度，實時監(jiān)測溫度變化，指導(dǎo)施工養(yǎng)護。

（3）嚴禁工人私自加水，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有工人加水時，應(yīng)立即阻止，并及時向現(xiàn)場施工人員反應(yīng)。

（4）記錄每段澆筑間歇的時間。混凝土接茬時間不得超過混凝土初凝時間，避免出現(xiàn)施工冷縫，造成射線滲漏隱患。提前制定混凝土施工應(yīng)急處理預(yù)案。

（5）針對本項目坍落度較小，為保證混凝土密實度，混凝土應(yīng)分散布料，水平分層澆筑，分層厚度每層應(yīng)不超過500 mm，澆筑從低處向高處進行，隨澆隨振搗。

（6）混凝土要依次振搗密實，不能漏振、欠振，也不可過振。振搗時，快插慢撥，振點布置要均勻，需要水平分層振搗，振搗時間以混凝土泛漿，不出氣泡為止。在施工縫、預(yù)埋件及穿墻管道處應(yīng)加強振搗，以免振搗不實，造成滲水通道。振搗時應(yīng)盡量不觸及模板和鋼筋，以防止其移位、變形，嚴禁用振搗棒別鋼筋下料。

（7）平面構(gòu)件及時進行混凝土二次抹面及塑料薄膜覆蓋，并應(yīng)確保塑料薄膜與混凝土表面緊密粘貼，相鄰薄膜之間搭接至少5 cm，不出現(xiàn)空鼓，不出現(xiàn)漏蓋。

4.3 養(yǎng)護制度

由于本項目施工主要在10~12月份之間，特采取如下養(yǎng)護方案：

（1）拆模時間：一般情況，大風(fēng)或氣溫急劇變化時不進行拆模。在秋冬季期施工，采取逐段拆模、邊拆邊蓋的拆模工藝。根據(jù)內(nèi)部測得溫度可在2~3 d拆模（具體根據(jù)測試數(shù)據(jù)調(diào)整），拆模時間可選擇在10：00~16：00之間，盡量降低混凝土表面與環(huán)境溫差。

（2）養(yǎng)護方式：在混凝土澆筑完畢后，關(guān)注外界環(huán)境及混凝土內(nèi)外溫度的變化，控制好混凝土降溫梯度，避免出現(xiàn)裂紋。施工時拆模前養(yǎng)護期間在模板外側(cè)搭設(shè)遮陽設(shè)施，防止陽光直射模板。并做好養(yǎng)護過程的記錄。根據(jù)內(nèi)部溫度情況，內(nèi)覆薄膜隨抹隨覆蓋，并覆蓋土工布保溫保濕養(yǎng)護，養(yǎng)護時間不得少于14 d。

5 效果評價

對質(zhì)子醫(yī)院C40大體積墻體混凝土進行生產(chǎn)原材料、施工方法和保溫措施等進行嚴格控制，并通過現(xiàn)場溫度實時檢測，系統(tǒng)地研究了C40大體積混凝土的質(zhì)量控制方法，施工達到了設(shè)計要求，混凝土的工作性、強度、密度達到了預(yù)期效果，大體積墻體未出現(xiàn)有害裂縫。C40大體積混凝土的性能見表9。

表9 C40大體積混凝土的性能

混凝土運輸至現(xiàn)場坍落度為180～220 mm，和易性良好，無泌水離析現(xiàn)象。生產(chǎn)留樣試件強度滿足設(shè)計要求，且完全滿足防輻射功能要求。