重晶石防輻射混凝土的試驗配制及工程應用

梁國強 ,孫飛鵬（上海建工材料工程有限公司技術質量部，上海 200086）

隨著醫療科技的發展，直線加速器作為一種新興科技產品在放射治療過程中被大量應用。直線加速器雖然對相關疾病的醫治效果良好，但伴隨其使用，會大量產生電子線、X 射線、γ 射線、中子射線等高能電子輻射，其對周圍人群造成的傷害，不能忽視。以混凝土結構作為屏蔽輻射的屏障，無疑是十分經濟的。重晶石防輻射混凝土是一種以采用硫酸鋇含量≥85%，且結合水較多的礦石—重晶石作為粗細集料拌制而成的混凝土。其通過加大混凝土的表觀密度和密實度，以達到進一步提高防輻射能力的目的。

1 工程概況

某醫院新建項目（一期），總建筑面積 158 769 m2。建設內容包括 12 層高主樓、3 層高輔樓以及整個場地下的 3 層地下室。本工程地下結構形式為鋼筋混凝土框架剪力墻結構，其中涉及重晶石混凝土澆搗的區域為 B 1 層南側的射波刀設備（一種直線加速器的改進形式）專用房間，整體重晶石混凝土用量約為 2 200 m3，頂板與底板厚 2 500 mm，側墻厚 2 000 mm。重晶石混凝土設計強度為 C 40（齡期為 28 d），要求混凝土表觀密度 ≥3 200 kg/m3。

2 試驗配制

2.1 配合比設計思路

配合比設計，應從 4 方面加以綜合考慮。

(1) 表觀密度：普通混凝土一般表觀密度為 2 400 kg/m3 左右。重晶石混凝土表觀密度則為 2 800～3 600 kg/m3，表觀密度的增加通常通過粗細集料選用重晶石和重晶砂來實現。3 200 kg/m3 的要求在重晶石混凝土里并不算高，因此可以考慮用天然集料替代部分重晶砂石。

(2) 水化熱控制：頂板、底板以及側墻的厚度都大大超過了 1 000 mm，屬于大體積混凝土結構，則水化熱的控制就必須予以關注了。在膠凝材料中加入部分外摻料是降低混凝土水化熱的常見措施，同時由于 C 40 的較高設計強度，又為水泥品種的確定提供了 42.5 和 52.5 兩個選擇。這里經常有一個認識上的誤區，就是往往認為 52.5 水泥的水化熱要高于 42.5 水泥，實際上我們要控制的是混凝土的水化熱，配合比設計中單位體積混凝土中的水泥用量的多少同樣對水化熱有影響。當采用 52.5 水泥，用量大大少于使用 42.5 水泥時，配合外摻料的作用，水化熱未必更高。

(3) 力學性能：最重要的指標是 28 d 齡期的立方體抗壓強度。重晶石的性脆易碎特性，使其成為重晶石混凝土強度上的瓶頸，所以少量使用天然集料在有利于成本控制的同時（重晶石的價格大大高于天然集料），對強度的提高也有一定的助益。這一點同樣有利于對表觀密度的控制。

(4) 工作性：由于重晶石混凝土重晶石表觀密度較大，集料在混凝土拌合物中易發生下沉，導致混凝土離析現象的產生。選用合適的外加劑，摻入一定量的外摻料，采用恰當的砂率，改善拌合物的和易性，控制入模坍落度（預估商品混凝土運輸而發生的經時坍損）等也應作為配合比確定的影響因素。

以上 4 方面的思考，需通過混凝土小樣的試配來加以論證。第 1 組試配的對比，以配合比是否采用天然砂替代部分重晶砂（兩者比例為 1∶3）為考量因素；第 2 組對比，以配合比分別采用 42.5 水泥和 52.5 水泥為考量因素。兩組對比，在確保混凝土表觀密度要求的前提下，重點觀察混凝土的強度和工作性。

2.2 原材料的選取

(1) 水泥：選用了承擔混凝土供應任務的攪拌站常用的江蘇金峰的 P.O 52.5 水泥和 P.O 42.5 水泥。大品牌常規型號水泥的使用，保證了水泥質量的穩定性，也有利于攪拌站筒倉的最大利用率。從復試的檢測數據（表 1）來看，這兩種水泥的質量還是相當可靠的。

表1 P.O 52.5 及 P.O 42.5 水泥檢測數據

(2) 外摻料：選用上海寶田的 S 95 級礦粉。其 28 d 的活性指數比，常年穩定在 100% 以上，在降低水化熱、改善和易性的同時，確保對 28 d 強度無影響；而且從更長齡期的表現來看，摻入合格 S 95 礦粉的混凝土后期強度增長更是高于使用純水泥的混凝土。

(3) 外加劑：選用上海建工麥斯特公司的聚羧酸-高性能減水劑 MGS 8325。勻質性指標：含固量達到 19.73%，砂漿減水率為 20.0%。其不僅通過高減水率，大大降低膠凝材料用量，而且兼具優秀的保坍性能。

(4) 集料：為了滿足 3 200 kg/m3 的表觀密度，選用出產地為陜西的重晶石和重晶砂；并選用蕪湖國慶的河砂來替代部分重晶砂，河砂的細度模數為 2.4，屬 II 區砂，含泥量 1.1%。

重晶石粗集料（簡稱重晶石）：采用硫酸鋇含量 ≥85% 的重晶石礦石壓碎制成的 5～25 mm 碎石（物理性能指標見表 2）。

重晶石細集料（簡稱重晶砂）：由重晶石礦石壓碎、篩分， 75 μm ≤ 粒徑 ＜4.75 mm 的顆粒（物理性能指標見表3）。

表2 重晶石物理性能指標

表3 重晶砂物理性能指標

2.3 小樣試配

依據 GB/T 50557—2010《重晶石防輻射混凝土應用技術規范》以及 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》的相關規定，對 C 40 重晶石混凝土進行配合比設計，設計坍落度（160 ± 30）mm，表觀密度 ≥3 200 kg/m3。

根據需論證的配合比以是否用天然砂替代部分重晶砂，以及不同強度等級的水泥種類作為主要考量的因素，分別設計配合比。

單個配合比設計過程中，有兩個參數也應重點考慮。其一，商品混凝土的運輸距離、經時坍損。為保證入模坍落度，需適當放大試驗坍落度。其二，重晶石混凝土因自重大易發生離析，可選取較大的砂率，以此改善混凝土的勻質性和和易性。較大的砂率對漿體的需求量大，在較高強度混凝土中，膠凝材料相對較多，恰巧迎合了這一點。

在綜合考慮各項條件后，設計了以下 4 個重晶石混凝土配合比，并加以小樣試配，見表 4。

表4 重晶石混凝土試驗配合比

2.4 試驗結果分析

試驗結果，見表 5。

表5 重晶石混凝土試驗結果

結果分析：

(1) 和易性：對比配比 A-1 與 A-2、B-1 與 B-2 兩組的拌合物狀態可見，由于重晶石礦石性脆易碎的特點，因此重晶砂中的粉狀顆粒較多，在顆粒級配方面，往往不入區，而通過合格的天然 II 區中砂替代部分重晶砂，更有利于空隙的填充，使得混凝土的和易性得到改善。

(2) 強度：由配比 A-1 與 A-2、B-1 與 B-2 兩組對比可見，僅僅天然砂替代部分重晶砂，對混凝土強度基本無影響。

(3) 由配比 A-1 與 B-1、A-2 與 B-2 兩組對比可見，同種類型的 52.5 水泥和 42.5 水泥在水膠比相近時，強度基本無差別，而水泥的使用量卻能夠大大地降低。在水泥用量差別如此巨大的情況下，無疑使用 52.5 水泥更有利于水化熱的降低。

(4) 坍落度：由 4 個配比的實測坍落度及拌合物狀態可見，得益于聚羧酸類高性能減水劑的良好性能，在用水量較低的情況下，依然能獲得大坍落度，并能保證一定的和易性，在配置較高強度的泵送混凝土時，可優先考慮。

綜合小樣的試驗結果，確定配合比 A-2 為用于工程施工的重晶石防輻射混凝土的配合比。

3 工程應用

上海建工材料工程有限公司第四分公司在參考了試配試驗結果后，于 2019 年 8 月～10 月的供應過程中，又采取了如下質量保證措施。

(1) 生產控制：采用 3 m3 強制攪拌機，實際單次拌制量為 2 m3，攪拌時間設置為 120 s。重晶石混凝土較大的表觀密度，導致和易性不易保證，單次拌制量的減少、攪拌時間的延長均有利于混凝土拌透拌勻。更重要的是，聚羧酸-高性能減水劑所拌制的混凝土，如攪拌時間較短，經常會出現坍落度“倒大”現象，使得運至施工現場的混凝土發生離析。

(2) 泵送：泵送設備采用了 1 臺 62 m 臂架式汽車泵。超長的臂長決定了泵車必須以更大的輸出功率加以匹配，滿足重晶石混凝土 3 200 kg/m3這一大大超出普通混凝土表觀密度的特性；同時也確保了商品混凝土能順利地澆筑于各個結構部位。

(3) 拌合物表觀密度的控制：為了確保重晶石混凝土的表觀密度，除了每次混凝土供應時，均進行拌合物的表觀密度檢測以外，還采用經校準合格的標準 150 mm×150 mm×150 mm 鋼試模制作混凝土試件，對硬化后的混凝土實體進行表觀密度復檢，確保了所供重晶石混凝土滿足表觀密度要求。

(4) 出廠混凝土坍落度：利用電子計量系統，各原材料得到精確稱量后，投入攪拌機攪拌。出料經檢測后，需滿足混凝土坍落度 ≥200 mm，方允許出廠。這使得經過半小時運輸，到達施工現場的混凝土在保證和易性的同時，入模坍落度均 ≥180 mm。

歷時 3 個月，共計完成 10 次混凝土供應任務。該醫院項目重晶石防輻射混凝土的施工終于得以保質保量地順利完成。經第三方檢測機構的檢測，各項指標均達到設計要求。

4 結 語

本次通過對 C 40 強度重晶石混凝土（表觀密度 ≥3 200 kg/m3）的設計、試配，直至順利完成供應任務，可以得到以下結論：

(1) 重晶石防輻射混凝土除了表觀密度大大超出普通混凝土以外，其他性征特質與普通混凝土基本一致。

(2) 在設計表觀密度 ≤3 200 kg/m3 的重晶石防輻射混凝土時，用合格的天然 II 區中砂替代部分重晶砂，不僅更經濟，而且能夠彌補重晶砂顆粒級配不佳的短板，加強其空隙填充率，對混凝土拌合物的和易性十分有利。

(3) 由于重晶石混凝土主要應用于防輻射建筑結構，為了達到更好的屏蔽效果，此類結構的混凝土構造多數設計成屬于大體積混凝土的范疇。當設計強度較高時，選用 52.5 水泥比 42.5 水泥用量要少得多，因此更利于水化熱的降低。

(4) 在設計較高強度的重晶石防輻射混凝土時，由于有較多的漿體，為滿足因砂率加大而導致的比表面積增加，可以適當放大砂率，改善混凝土拌合物的流動性。

(5) 重晶石混凝土在生產應用時，應適當延長攪拌時間、減少單次拌制量，以適應較大的表觀密度，在確保和易性的同時，滿足應用越來越普遍的聚羧酸-高性能減水劑，獲取較大的入模坍落度，保證泵送過程的順利實施。