大體積防輻射混凝土在裝配式醫療質子平臺的研究與工程應用

王鐵柱，楊飛華，段賽紅，趙煒璇

（北京建筑材料科學研究總院有限公司，北京 100041）

0 工程概況

質子醫院工程位于合肥市高新區，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域為可拆卸式預制塊結構，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，預制的構件類型有：預制墻板、預制梁板、預制填充塊以及預制活動墻，本項目預制塊結構安全等級為二級，結構重要性系數為1.0，設計使用年限為50年。

1 技術難點

本項目為醫用防輻射鋼筋混凝土結構，且結構內鋼筋含量大而密、內部預埋管道多而復雜，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。由于結構體鋼筋、預埋件布置密集，普通混凝土難以滿足施工要求，要求使用大流態混凝土；同時需要保證結構體混凝土質地均勻，防止出現密度薄弱區，影響實體結構屏蔽效果，確保混凝土防輻射屏蔽結構材料服役期間性能穩定。設計要求保證混凝土密度不低于2350 kg/m3。

（2）裂縫控制。設計裂縫控制目標為：不得出現寬度超過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，不允許出現任何形式的有害裂縫；②該工程大體積混凝土應用于墻板結構部位，且鋼筋含量大、內部預埋管道多而復雜，容易產生應力集中，從而導致混凝土開裂；③混凝土澆筑體量大，若養護不當，易產生較大的里表溫差，從而導致混凝土開裂[1-2]。

（3）屏蔽輻射。質子醫院的加速器設備所需混凝土應具備屏蔽質子射線和中子射線的能力，故本研究防輻射混凝土應具有以下特點：①有足夠的表觀密度，同時含有充足的結晶水和輕元素；②防止產生二次輻射，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，各種環境輻射熱量會引起混凝土內部溫度升高，對其體積穩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量要求非常高，要求水泥強度、安定性等技術指標必須穩定。本研究選用全椒海螺P·O42.5水泥，該水泥質量穩定，配制混凝土和易性好，能滿足配制防輻射混凝土的要求。具體技術性能如表1所示。

表1 水泥的主要技術性能

（2）骨料：根據設計密度要求，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《混凝土外加劑應用技術規范》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。優質粉煤灰的需水量小，可減少混凝土用水量和水泥用量，提高混凝土的和易性，改善混凝土微觀結構，并有效降低水化熱，延緩水泥水化，推遲凝結時間，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-氧化鈣雙膨脹源復合型，在水化反應過程中，可在鋼筋及鄰位的約束條件下產生一定的限制膨脹，抵消混凝土因收縮產生的拉應力，防止混凝土結構因收縮過大導致開裂。

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計規程》、GB50496—2009《大體積混凝土施工規范》、GB/T 50146—2014《粉煤灰混凝土應用技術規范》等進行配合比設計。計算C40大體積墻體混凝土的60 d抗壓強度，坍落度設計值為（180±20）mm。

根據設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，采用粉煤灰等質量取代水泥，共擬定了粉煤灰摻量（按占膠凝材料質量計）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，可優選3#、4#配合比，考慮場地、模具周轉等成本因素，最終確定3#配合比應用于本工程大體積墻體混凝土。

3.2 絕熱溫升計算

依據優選結果，選定強度滿足C40要求、水化溫升小、收縮小的3#配合比用于質子醫院大體積墻體混凝土施工。

（1）水化熱計算：依據GB/T 50496—2009，根據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整系數，取值見表7。

表7 不同摻量摻合料水化熱調整系數

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——混凝土的質量密度，kg/m3；

m——與水泥品種、澆筑溫度等有關的系數，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℃的規定。根據澆筑時的生產經驗，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測，重視混凝土工程的開裂問題。

根據對限制膨脹率要求，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 質量保證措施

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

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

（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，在較低環境溫度作用下，經過較長時間預置，充分降低粉料溫度；在料倉中單獨劃分一定區域用于存儲本工程所需砂、石集料，保證砂、石產地一致并封閉處理，保證砂、石質量且將砂、石集料在料倉中存儲一定時間，使砂、石集料溫度經環境低溫實現預冷卻效果。

（3）保溫措施。本工程混凝土于秋冬季澆筑施工，環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，根據實時監測的里表溫差調整保溫措施，在鋼模板外壁敷設毛氈等保溫材料；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，保溫層厚度根據實時監測的里表溫差而調整，確保保溫效果。

（4）養護措施。混凝土在澆筑完畢二次抹面壓實后應及時覆蓋保溫材料。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護的效果，避免混凝土表面水分散失過快而出現干縮裂縫。

4.2 混凝土澆筑

現場混凝土澆筑時，應派駐專業的材料工程師進行全程質量跟蹤，主要包括：檢測混凝土施工性能，埋設應變計及溫度傳感器，監測溫度變化，記錄澆筑開始時間及結束時間，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根據泵送及澆筑狀態，判斷混凝土的流動性，仔細觀察有無泌水離析等現象，并根據現場混凝土狀態，提出調整意見。

（2）通過混凝土結構中埋設的傳感器采集溫度變化情況，測試混凝土的入模溫度，記錄入模溫度及環境溫度，實時監測溫度變化，指導施工養護。

（3）嚴禁工人私自加水，當發現有工人加水時，應立即阻止，并及時向現場施工人員反應。

（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，避免出現施工冷縫，造成射線滲漏隱患。提前制定混凝土施工應急處理預案。

（5）針對本項目坍落度較小，為保證混凝土密實度，混凝土應分散布料，水平分層澆筑，分層厚度每層應不超過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、預埋件及穿墻管道處應加強振搗，以免振搗不實，造成滲水通道。振搗時應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）平面構件及時進行混凝土二次抹面及塑料薄膜覆蓋，并應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，不出現空鼓，不出現漏蓋。

4.3 養護制度

由于本項目施工主要在10~12月份之間，特采取如下養護方案：

（1）拆模時間：一般情況，大風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。根據內部測得溫度可在2~3 d拆模（具體根據測試數據調整），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境溫差。

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

5 效果評價

對質子醫院C40大體積墻體混凝土進行生產原材料、施工方法和保溫措施等進行嚴格控制，并通過現場溫度實時檢測，系統地研究了C40大體積混凝土的質量控制方法，施工達到了設計要求，混凝土的工作性、強度、密度達到了預期效果，大體積墻體未出現有害裂縫。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

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