含硼重晶石防辐射混凝土在厦门弘爱医院BNCT项目中的研发与应用

2021-03-15林昭辉辛清李志勇邓兴才

商品混凝土 2021年2期

林昭辉，辛清，李志勇，邓兴才

（1.厦门华信混凝土工程开发有限公司，福建厦门 361006；2.厦门市硅酸盐学会，福建厦门 361008）

0 引言

采用超热中子照射癌症患者事先注入含硼特殊药剂的肿瘤部位，从而有效杀死癌细胞而不损伤正常人体组织的技术，称为硼中子俘获治疗技术（Boron Neutron Capture Therapy，简称 BNCT），这是一种具有“固有”安全性的生物靶向放射治疗模式，该项目已落户厦门弘爱医院，其关键设备“硼中子加速器”将安装在该院某楼负二和负一层地下室，为加强对中子射线的防护效果，要求其设备间 1.2 米厚的墙体和楼板均采用含硼重晶石防辐射混凝土浇筑，浇筑方量约 1500m3。

由于中子射线比 X 射线、γ 射线具有更强大的穿透能力，所以不能采用一般的材料防护。对于中子射线的防护材料不仅需要重元素，还需要充分的轻元素，含硼和氢的材料是中子射线良好的防护材料，因为硼和氢吸收中子后，只放出较易屏蔽的 α 射线，并不放出 γ 射线，所以，设计要求使用含硼重晶石防辐射混凝土，即选用普通水泥、硼玻璃粉和密度很大的重晶石粗细骨料，不仅使混凝土的表观密度达到设计要求，且含有硼元素和大量的结合水，因为水中的氢元素最高。

设计要求含硼重晶石防辐射混凝土的技术要求指标是：

（1）混凝土强度和抗渗等级不低于 C30P6。

（2）混凝土表观密度不小于 3300kg/m3。

（3）混凝土中硫酸钡含量不少于 70%（质量百分比）。

（4）混凝土中硼含量不低于 0.5%（质量百分比）。

（5）混凝土拌合物现场坍落度不大于 180mm。

针对含硼重晶石混凝土的各项技术指标要求，必须先选择好高品质的原材料，再进行配合比的设计、试算、试配和优化。

1 原材料选择

1.1 水泥

水泥是混凝土中最主要的胶凝材料，针对该项目选用安徽芜湖生产的海螺 P·O42.5 普通硅酸盐水泥，其表观密度为 3050kg/m3；熟料中 C3A 含量不大于 8%，3 天和 28 天水泥胶砂抗压强度分别为：30.2MPa 和48.6MPa，初凝时间为 135min，终凝时间为 196min。试验证明，该水泥虽然早期强度偏高，但质量较稳定，用它配制出来的混凝土强度波动较小。

1.2 骨料

本工程所用重晶石粗细骨料选用同一矿床的重晶石，其技术指标必须符合国标 GB/T 50557—2010《重晶石防辐射混凝土应用技术规程》的要求，亦应符合现行行业标准 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》。其中所选购的重晶石骨料中硫酸钡含量经业主委托国家建筑材料测试中心检测结果分别为：重晶石中硫酸钡含量 95.32%，重晶石砂中硫酸钡含量 83.72%，设计要求重晶石骨料中硫酸钡含量应大于 85%；其重晶石粗骨料表观密度为 4082kg/m3，粒径为 5～25mm，符合连续级配；重晶石砂的表观密度为4070kg/m3，粒径符合Ⅱ区中砂的规定，石粉含量小于7%。

1.3 硼玻璃粉

要求硼玻璃粉中三氧化二硼含量不小于 30.0%（重量百分比），抽检样品经国家建筑材料测试中心检测结果为：三氧化二硼含量 32.02%，硼玻璃粉的表观密度为 2710kg/m3，设计要求含硼重晶石混凝土中硼含量达到 0.5%（占混凝土质量百分比）。业主要求硼玻璃粉一次性采购到位。经过四方联合抽样检验合格后存放于储罐、筒仓或室内仓库，并做好“标识”，注意防潮。

1.4 矿物掺合料

为提高含硼重晶石混凝土的工作性能和力学性能、降低大体积混凝土的水化热。我司选用Ⅰ级粉煤灰替代部分硅酸盐水泥，粉煤灰的表观密度为 2350kg/m3。

1.5 减水剂

减水剂的应用对含硼重晶石混凝土的工作性能有着至关重要的作用，是配制防辐射混凝土必不可少的一种外加剂，须具备高减水率、高保坍性、降粘效果好、收缩性小等性能。该混凝土减水剂选用厦门“宏发”特配聚羧酸高效减水剂。

2 配合比设计

为满足含硼重晶石混凝土对中子射线的防护要求，确定采用体积法对该混凝土配合比的主要参数进行设计试算和试配调整，其目标是使该防辐射混凝土性能符合设计要求的技术指标，若其中一项指标不能满足，须再继续进行试配调整，直到合格。

所以，在配合比设计时，应首先考虑到：

（1）该含硼重晶石混凝土的表观密度不小于3300kg/m3，对混凝土的抗离析要求高；另外，该混凝土中粉体材料（水泥及矿物掺合料、硼玻璃粉、骨料中的石粉含量）量较多，导致混凝土拌合物粘性大，如何保证施工性能。

（2）如何保证含硼重晶石混凝土中的硫酸钡含量不少于 70%（占混凝土质量百分比）；硼元素含量不低于 0.5%（占混凝土质量百分比）。

2.1 初步配合比设计

2.1.1 混凝土单方材料用量

该项目是采用特种材料配制具有特殊性能的现代混凝土，且对含硼和硫酸钡含量又有严格的限量，所以不能按一般的普通大体积混凝土设计配合比，在此先选择和计算胶凝材料（含所有粉料）用量及用水量，再计算浆体体积，在此，浆体体积中包含胶凝材料（水泥、掺合料及其它粉料）和水的体积。在忽略含气量所占体积的前提下，从 1 立方米混凝土拌合物总体积中减去浆体体积，就是骨料体积，骨料体积中包含重晶石和重晶石砂的体积。以下根据原材料情况和对防辐射混凝土的技术要求分别计算或选取该混凝土的单方材料用量：

本项目中，含硼重晶石混凝土拌合物的浆体体积等于所使用的胶凝材料水泥、粉煤灰和硼玻璃粉及水的体积之和。其中，为保证强度和地下防水混凝土要求，水泥用量选取 260kg/m3；为使抗渗混凝土中，胶凝材料总量（不含非活性的硼玻璃粉料）不低于 320kg/m3，并保证拌合物的施工性能和后期强度，特选择掺加Ⅰ级粉煤灰 60kg/m3。

硼玻璃粉是透明粉料，在此作为非活性胶凝材料掺加。由于混凝土中含硼量要求不低于 0.5%（质量百分比），若按技术要求预设该混凝土的表观密度为3300kg/m3，即在 1 立方混凝土中硼含量为：3300×0.5%=16.5(kg)，而在三氧化二硼（B2O3）中，硼含量所占的百分比为：11×2/(11×2+16×3)×100%=31.43%，另外，考虑到硼玻璃粉中三氧化二硼含量的稳定性，虽然抽取的样本检测值为 32.02%，在此仍按最低含量不低于 30% 计算。所以，要使含硼重晶石混凝土中，硼含量达到 0.5% 以上，在第Ⅰ组配合比中每方混凝土至少需要掺加硼玻璃粉：16.5÷31.43%÷30%=175(kg)，考虑到硼玻璃粉中三氧化二硼含量的波动，经设计和建设方同意，在另外的第 Ⅱ 组和第 Ⅲ 组配合比中，将其硼玻璃粉的实际使用量的富余系数提高到 1.1～1.2倍计算，即后两组配合比中，硼玻璃粉的用量分别选用 175×1.1=192(kg) 和 175×1.2=210(kg)，进行试配对比，在对比试验中，选定拌合用水量为 176kg。至于液体减水剂中含水量，因试配时已从拌合水中扣除，所以其减水剂固含量部分的体积予以忽略，其减水剂掺量为胶凝材料（粉料）总量的 3.10%。

至此，可以列出水泥、粉煤灰及拌合水用量相同，而硼玻璃粉用量不同的三组配合比的胶凝材料质量和用水量 mw，再除以各自材料的表观密度 ρ 从而可得出浆体体积的计算公式为：

式中：mc、mf、mp、mw和 ρc、ρf、ρp、ρw分别为水泥、粉煤灰、硼玻璃粉及水的质量和表观密度。三组配合比的浆体体积及胶凝材料和水用量分别计算后列于表1 中。

（2）骨料体积及粗细骨料用量的计算

本项目中，在忽略含气量体积和减水剂中固含量体积的情况下，从 1 立方混凝土拌合物中减去浆体体积VP，即等于粗细骨料总体积：VA=1-VP。

为了计算单方混凝土中粗细骨料的总用量 ma，须先确定该配合比中的砂率 βs，考虑到粗骨料重晶石中含有 5mm 以下重晶石小颗粒达 6.5% 及其石粉 0.8% 以上，因此计算时特意降低砂率，取：βs=27%。

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然后，计算粗、细骨料混合后的表观密度：

再计算单方混凝土中粗细骨料的总用量 ma=ρa×VA

其中：细骨料砂用量：ms=ma×βs

粗骨料石用量：mg=ma-ms

例如第Ⅰ组配合比中，浆体体积：VP=0.351m3则骨料体积为：VA1=1-0.351=0.649(m3)

所以，粗、细骨料的总质量为：

ma=ρa×VA=4079×0.649=2647(kg)

细骨料重晶石砂用量：

ms=ma×βs=2647×27%=715(kg)

粗骨料重晶石用量：mg=ma-ms=2647-715=1932(kg)

表1 混凝土基准配合比及相关参数

使用同样方法可计算出另外第 Ⅱ 和第 Ⅲ 两组配合比的粗、细骨料用量。共三组配合比的粗细骨料总体积及砂、石用量也列入表 1 中。

2.1.2 对 C30 防辐射混凝土三组配合比的表观密度、硼元素和硫酸钡含量进行推算和实测验证

（1）第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三组配合比的混凝土拌合物表观密度计算结果分别为：3320kg/m3、3310kg/m3和3300kg/m3，均大于或等于 3300kg/m3。

（2）第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三组配合比中，每方混凝土硼元素含量（质量）计算：

第Ⅰ组：硼元素含量 175×30%×31.43%=16.50(kg)

第Ⅱ组：硼元素含量 192×30%×31.43%=18.10(kg)

第 Ⅲ 组：

硼元素含量 210×30%×31.43%=19.80(kg)

以上三个配合比中，硼元素含量占各自混凝土表观密度（质量）的百分比分别为：

第Ⅰ组：16.50/3320=0.49(%)

第Ⅱ组：18.10/3310=0.55(%)

第 Ⅲ 组：19.80/3300=0.60(%)

经计算得知，除第Ⅰ组外，其余两组配合比的硼元素含量均超过 0.5% 的技术指标。

（3）第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 三组配合比中，硫酸钡含量在混凝土中所占比例计算：

根据对三组配合比中的重晶石粗、细骨料中硫酸钡含量抽检样本的实测结果，重晶石中硫酸钡含量95.32%，重晶石砂中硫酸钡含量 83.72%，在此，重晶石细骨料中硫酸钡含量按 83.7% 计算，重晶石粗骨料中硫酸钡含量按 95.3% 计算，则三组配合比中每方混凝土硫酸钡含量（质量）分别为：

第Ⅰ组：

mBa=715×83.7%+1932×95.3%=598+1841=2439(kg)

第Ⅱ组：

mBb=708×83.7%+1915×95.3%=593+1825=2418(kg)

第 Ⅲ 组：

mBc=700×83.7%+1894×95.3%=586+1805=2391(kg)

以上三组配合比中，粗、细骨料中硫酸钡总含量占各自混凝土表观密度（质量）的百分比分别为：

第Ⅰ组：2439/3320=73.46(%)

第Ⅱ组：2418/3310=73.05(%)

第 Ⅲ 组：2391/3300=72.45(%)

由计算结果可知，三组配合比中的硫酸钡含量均满足超过混凝土质量 70% 的技术要求。以下将其计算值与第三方（质捡部门）对混凝土试件的检测值对照列表见表 2。

表2 中第Ⅰ组配合比的硼玻璃粉用量 175kg，硼元素与混凝土的质量百分比小于 0.5%，无论推算值或实测值均不能满足技术要求，第Ⅱ组和第 Ⅲ 组配合比的硼元素含量分别达到技术指标 0.5% 的 1.06 倍和 1.14倍，都能满足要求；硫酸钡含量与混凝土的质量百分比在三组配合比中无论推算值或实测值均大于 70%，都能满足技术指标要求。

2.1.3 对 C30 防辐射混凝土三个配合比的施工性能和力学性能试配验证

实测结果列于表 3。

表2 混凝土表观密度及硼元素和硫酸钡含量验证值

表3 施工性能和力学性能试配结果（实测值）

2.2 优选试验室配合比

对照需方原设定的各项技术指标要求，通过对三个配合比的多次试配验证，对其综合性能进行比较，最后经协商确定选择第Ⅲ组配合比为试验室配合比，并以不同减水剂掺量再次进行试配，配合比及性能试验结果见表 4。

由试验结果可看出当减水剂掺量为 3.20% 时，拌合物施工性能最优。

2.3 确定生产用基准配合比

用同一重晶石矿场上的 2 个不同批次的重晶石骨料，对生产用基准配合比（表 4 中的 2# 配合比）进行试配验证，其拌合物性能和硬化后混凝土力学性能的验证结果见表 5。

经过 2 次试配验证说明用该配合比拌制的混凝土质量稳定，工作性能、力学性能与各项技术指标均能满足工程设计要求。

3 生产过程质量控制

含硼重晶石混凝土在厦门弘爱医院共开盘生产了三次，每次生产的混凝土经现场取样检验，其表观密度在3290～3320kg/m3之间，拌合物坍落度约 180～190mm左右，扩展度一般都大于 400mm，施工性能良好。该项目四个部位共浇筑含硼重晶石混凝土 1486m3，出厂取样试件先后共制作 8 组，按非统计方法评定其平均强度值为 49.0MPa，其中最小值 36.7MPa，最大值57.2MPa。对含硼重晶石混凝土中硫酸钡含量和硼含量的检测，由需方委托国家建筑材料测试中心按构件部位四次抽样检测，结果列于表 6。

表4 C30P6 混凝土试验室配合比优化

表5 混凝土性能验证结果

表6 含硼重晶石防辐射混凝土硫酸钡含量和硼含量的实测值

龄期 60 天后，混凝土构件未发现明显的裂缝，质量评定合格。

在含硼重晶石混凝土生产和供应过程中，应注意以下环节：

3.1 对粗、细骨料石粉含量的控制

由于粗、细骨料中的石粉含量对减水剂的吸附性能和混凝土流动性有着重要影响，为此我司要求施工单位采购的粗、细骨料应选用同一矿床重晶石且与试配提供的材料相一致。每次进货前必须由我司安排试验员检测合格后方可进货。

3.2 对硼玻璃粉的进厂控制

硼玻璃粉中三氧化二硼含量决定着含硼重晶石混凝土研发的成败，因此我司要求施工单位必须提前一次性采购到位，并经过四方共同抽检，检验合格后存放于室内仓库，做好“标识”，注意防潮，待混凝土生产时，再提前运送至搅拌站入库待用。

3.3 生产及运输控制

（1）生产前需将骨料仓清空并用清水冲洗，确保骨料仓干燥无积水，并须检查确认没有其他骨料残存。

（2）存放硼玻璃粉的粉料筒仓需提前清仓，并用破拱气压多次吹扫以及锤击筒仓锥体等方式进行清理，经确认筒仓和螺运机内没有残存的粉料，方可装料。

（3）每次开盘前，先将搅拌机清理并冲洗干净，确保搅拌机内部无结料。并保证用专机生产重晶石混凝土，避免受其他工程混凝土的影响。

（4）由于骨料密度量大，重晶石骨料上料时，需先将进料斗的下料口尺寸调整减少到原有的 2/3 左右，以降低下料量，减少皮带上料负荷，防止皮带打滑以及电机过热。

（5）调整骨料秤漏斗排放门的气缸行程，使之减少到原来的 1/2～2/3 左右，或采用骨料秤计量结束后落料时用手动方式分 2 次落料的方法，以降低重晶石骨料的下料量，减少皮带上料负荷。

（6）由于含硼重晶石混凝土密度大、总粉量高，经试验我司 3m3搅拌机每盘拌制不大于 1.5m3，搅拌时间设为 240s，以保证拌合物均匀并防止搅拌机电流过大造成搅拌机“焖锅”。

（7）含硼重晶石混凝土装车之前须清洗搅拌车，并确认搅拌桶中的积水完全排干，含硼重晶石混凝土应固定几部车辆专运，搅拌车的动力以及液压设备搅拌叶片必须先经检查完好后，方可运行。

（8）因含硼重晶石混凝土密度较大，故须减量装车，防止超载，每车按照 3～4m3方量运送至工地，途中保持滚筒慢速旋转，不得随意停车和更改行进路线，不得擅自加水以保证拌合物均匀。

（9）生产含硼重晶石混凝土的搅拌主机每隔 1 小时必须清洗一次，搅拌车须每次清洗并排干积水防止搅拌叶片结料；清洗主机和搅拌车的残料必须另外放置并处理，不能和普通混凝土的残料一起进行回收再使用。

（10）含硼重晶石混凝土每车出厂前，必须检测和易性及坍落度，出厂坍落度应控制在 180～200mm 左右，施工现场坍落度宜控制在 160～180mm 左右。

（11）每次开盘后的前 3 车混凝土出厂须取样检测其坍落度、和易性是否与试配过程一致，若有变化则马上调整至接近试配状态，确保出厂混凝土状态在可控范围且无异常变化。待生产稳定后每车出厂前目测混凝土坍落度，观察和易性与先前是否一致。

（12）在施工现场我方安排由经验丰富的试验员全程跟踪施工过程，随时加强工地和生产厂内的联络，及时反馈现场实际情况和施工要求，以便厂内适时调整。

4 施工过程控制

对于含硼重晶石混凝土的施工，为确保工程质量，应制定专门的施工方案，并宣贯到每个岗位认真实施。

（1）要求混凝土拌合物送达工地后应具备良好的流动性、粘聚性和保水性，不得有泌水、离析和分层现象。由于含硼重晶石防辐射混凝土的特殊性，确定用非泵送方法施工，先把拌合物从搅拌车卸料到吊罐中，再用塔式起重机将吊罐送到浇筑地点，分层卸入要浇筑的部位并振捣密实。图 1 为施工现场图。

图1 施工现场图

（2）由于含硼重晶石混凝土密度较大，所以浇筑时拌合物对模板的冲击力、侧压力都很大，故要求模板一定要坚固牢靠，要有足够的刚度，保证在浇筑时不发生损坏和变形。为达到良好的保温效果，应采用多层实木胶合板制作模板。并应按要求组织专家论证，严格按照论证后的方案实施。

（3）含硼重晶石混凝土拌合物的自由倾落高度不应大于 1.5 米，现场必须有防止含硼重晶石混凝土离析的措施。对于竖向构件应采用分层灌筑的方式，每层混凝土厚度不大于 400mm；对于水平构件宜采用斜面分层连续浇捣；分层浇筑时，上层与下层的浇筑间歇时间不得超过含硼重晶石混凝土的初凝时间。应保证含硼重晶石混凝土构件内部均匀、密实，振捣要充分，但不得漏振或过振。

（4）含硼重晶石混凝土施工应避开大风、雨水和炎热天气，防止含硼重晶石混凝土品质出现问题。

（5）含硼重晶石混凝土结构的薄弱部位或应力集中部位，应采取增加附加钢筋、暗柱、暗梁等构造加强措施。地下室外墙会受到地下室底板强大的约束，外墙还会受到较大的温度应力和干燥收缩应力，应在外墙中配置用于抗裂的水平构造筋和暗梁来提高抵抗变形（图2）。

图2 配置水平构造筋和暗梁

（6）为预防含硼重晶石混凝土开裂，在浇筑后，必须及时用塑料薄膜和土工布严密覆盖进行保温和保湿。对于大体积含硼重晶石混凝土的施工，构件中心和表层温差、表层与大气温差不得超过 20℃，构件表面进行保温保湿养护，7 天内严格保持含硼重晶石混凝土中的水分不得散失，7～28 天内，构件周围环境湿度不得低于 80%，若未能满足要求，须采取向构件周围喷雾的方法解决，含硼重晶石混凝土构件中的结合水多少，将直接影响含硼重晶石混凝土对中子射线的防护效果。

（7）保湿保温用的塑料布拆除后，若混凝土构件表面还存在缺陷，须进行修补，并在装修前先涂刷混凝土表面防护层，以提高结构使用寿命。