大体积防辐射混凝土在装配式医疗质子平台的研究与工程应用

王铁柱，杨飞华，段赛红，赵炜璇

（北京建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100041）

0 工程概况

质子医院工程位于合肥市高新区，东至火龙地路、南至用地界线、西至用地界线、北至柏堰湾路。2#集成测试厂房大集成区域为可拆卸式预制块结构，装配式建筑面积约为1500 m2，墙体厚度为1000～4400 mm，顶层厚度为2000～3250 mm，预制的构件类型有：预制墙板、预制梁板、预制填充块以及预制活动墙，本项目预制块结构安全等级为二级，结构重要性系数为1.0，设计使用年限为50年。

1 技术难点

本项目为医用防辐射钢筋混凝土结构，且结构内钢筋含量大而密、内部预埋管道多而复杂，对混凝土性能要求高，主要存在以下3个方面的难题。

（1）工作性及均匀性。由于结构体钢筋、预埋件布置密集，普通混凝土难以满足施工要求，要求使用大流态混凝土；同时需要保证结构体混凝土质地均匀，防止出现密度薄弱区，影响实体结构屏蔽效果，确保混凝土防辐射屏蔽结构材料服役期间性能稳定。设计要求保证混凝土密度不低于2350 kg/m3。

（2）裂缝控制。设计裂缝控制目标为：不得出现宽度超过0.2 mm的贯穿性裂缝。为了保证防辐射混凝土对射线的有效防护，杜绝防辐射混凝土产生裂缝，防裂面临三大难题：①该工程具有防辐射功能，对防开裂指标要求极高，不允许出现任何形式的有害裂缝；②该工程大体积混凝土应用于墙板结构部位，且钢筋含量大、内部预埋管道多而复杂，容易产生应力集中，从而导致混凝土开裂；③混凝土浇筑体量大，若养护不当，易产生较大的里表温差，从而导致混凝土开裂[1-2]。

（3）屏蔽辐射。质子医院的加速器设备所需混凝土应具备屏蔽质子射线和中子射线的能力，故本研究防辐射混凝土应具有以下特点：①有足够的表观密度，同时含有充足的结晶水和轻元素；②防止产生二次辐射，严格控制混凝土原材料中的有害元素含量；③防辐射混凝土长期处于高辐射状态，各种环境辐射热量会引起混凝土内部温度升高，对其体积稳定性与长期耐久性要求高[3-4]。

2 防辐射混凝土试验研究

2.1 原材料的选择

（1）水泥：防辐射混凝土对水泥的质量要求非常高，要求水泥强度、安定性等技术指标必须稳定。本研究选用全椒海螺P·O42.5水泥，该水泥质量稳定，配制混凝土和易性好，能满足配制防辐射混凝土的要求。具体技术性能如表1所示。

表1 水泥的主要技术性能

（2）骨料：根据设计密度要求，本研究粗骨料选用滁州天长5～10 mm、10～25 mm二级配玄武岩碎石，其物理性能见表2；细骨料选用霍山中粗砂，其物理性能见表3。

表2 粗骨料的物理性能

表3 细骨料的物理性能

（3）减水剂：缓凝型高性能减水剂能有效延缓水化热的释放，降低水化热放热峰值，使混凝土水化热释放趋于平缓，可有效控制混凝土的里表温差。本研究选用江苏博特有限公司新型建材厂生产的聚羧酸减水剂，固含量为15%，性能符合GB 50119—2013《混凝土外加剂应用技术规范》的要求。

（4）矿物掺合料：本研究选用合肥一电厂Ⅱ级粉煤灰作矿物掺合料，其物理性能如表4所示。优质粉煤灰的需水量小，可减少混凝土用水量和水泥用量，提高混凝土的和易性，改善混凝土微观结构，并有效降低水化热，延缓水泥水化，推迟凝结时间，有利于裂缝控制。

表4 粉煤灰的主要性能

（5）膨胀剂：选用武汉三源FQY高性能膨胀剂，该膨胀剂为硫铝酸钙-氧化钙双膨胀源复合型，在水化反应过程中，可在钢筋及邻位的约束条件下产生一定的限制膨胀，抵消混凝土因收缩产生的拉应力，防止混凝土结构因收缩过大导致开裂。

2.2 试验方法

拌合物性能参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法》进行测试；防辐射混凝土抗压强度参照GB/T 50081—2019《混凝土力学性能试验方法标准》进行测试。

3 玄武岩防辐射混凝土配合比设计研究

3.1 试验配合比的确定

按JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》、GB50496—2009《大体积混凝土施工规范》、GB/T 50146—2014《粉煤灰混凝土应用技术规范》等进行配合比设计。计算C40大体积墙体混凝土的60 d抗压强度，坍落度设计值为（180±20）mm。

根据设计强度等级计算水胶比、确定用水量和砂率，并从保障强度和降低水化温升两方面考虑，采用粉煤灰等质量取代水泥，共拟定了粉煤灰掺量（按占胶凝材料质量计）分别为30%、35%、40%、45%、50%五组配合比进行试配，以确定在混凝土强度达标的前提下尽可能降低水化温升的最佳配合比。5组混凝土配合比见表5，试验结果见表6。

表5 C40混凝土试验配合比

表6 C40混凝土的主要性能

由表6可见，5#混凝土强度偏低，1#～4#混凝土的60 d抗压强度均满足设计强度等级要求，初始坍落度均大于200 mm，扩展度均大于550 mm，但是3#混凝土的1 h坍落度、1 h扩展度损失率低，1#、2#混凝土的强度富余较大。3#混凝土中粉煤灰掺量为40%，降低混凝土内部温峰作用比其他试样明显。从混凝土的强度、坍落度、扩展度、坍落度损失率，可优选3#、4#配合比，考虑场地、模具周转等成本因素，最终确定3#配合比应用于本工程大体积墙体混凝土。

3.2 绝热温升计算

依据优选结果，选定强度满足C40要求、水化温升小、收缩小的3#配合比用于质子医院大体积墙体混凝土施工。

（1）水化热计算：依据GB/T 50496—2009，根据配合比中的粉煤灰掺量，将水泥水化热总量进行折减。水泥水化热总量计算见式（1）：

式中：Q0——水泥的水化热总量，kJ/kg；

Q7——水泥7 d龄期的水化热，kJ/kg；

Q3——水泥3 d龄期的水化热，kJ/kg。

根据水泥检测报告，本工程选用水泥的3 d、7 d水化热分别为261.31、282.48 kJ/kg，按式（1）计算得到水泥的水化热总量为301 kJ/kg。

配合比中的胶凝材料除了水泥还包括粉煤灰，粉煤灰对降低水化热效果明显，对水泥水化热需进行折减，其折减计算由式（2）得出：

式中：Q——胶凝材料水化热总量，kJ/kg；

k——不同掺量掺合料水化热调整系数，取值见表7。

表7 不同掺量掺合料水化热调整系数

由式（2）计算得到3#配合比中胶凝材料水化热总量为247 kJ/kg。

（2）混凝土的绝热温升：因水泥水化热引起混凝土的绝热温升按式（3）计算：

式中：T（t）——混凝土龄期为t时的绝热温升，℃；

W——混凝土中胶凝材料用量，kg/m3；

C——混凝土的比热，取1.0 kJ/（kg·℃）；

ρ——混凝土的质量密度，kg/m3；

m——与水泥品种、浇筑温度等有关的系数，取0.4；

t——混凝土龄期，d。

混凝土的密度为2480 kg/m3，由胶凝材料水化热总量计算混凝土的最终绝热温升为40.8℃。符合GB 50496—2009中温升不宜大于50℃的规定。根据浇筑时的生产经验，混凝土入模温度约为30℃，这样，混凝土的最终温度最高值约达70℃，因此，需要对该大体积墙体混凝土工程进行温度监测，重视混凝土工程的开裂问题。

根据对限制膨胀率要求，确定膨胀剂掺量为30 kg/m3，等量取代粉煤灰，调整后的基准混凝土配合比见表8，坍落度为180 mm。

表8 泵送C40基准混凝土的配合比 kg/m3

4 防辐射混凝土施工

4.1 质量保证措施

从施工方案、入模温度、保温措施及养护措施4个方面控制大体积墙体混凝土的内部温峰和降温速率。

（1）施工方案。本工程混凝土墙体预制构件为大体积防辐射混凝土结构，为多处截面突变的异形结构，施工方案需经过多方共同验证。

（2）入模温度。通过降低混凝土原材料温度达到降低混凝土出机温度从而降低入模温度的目的。将水泥、粉煤灰等粉料提前入库，在较低环境温度作用下，经过较长时间预置，充分降低粉料温度；在料仓中单独划分一定区域用于存储本工程所需砂、石集料，保证砂、石产地一致并封闭处理，保证砂、石质量且将砂、石集料在料仓中存储一定时间，使砂、石集料温度经环境低温实现预冷却效果。

（3）保温措施。本工程混凝土于秋冬季浇筑施工，环境温度处于明显下降阶段，且钢模板降温速率较快，必须做好保温措施，根据实时监测的里表温差调整保温措施，在钢模板外壁敷设毛毡等保温材料；拆模后一层采用塑料薄膜包裹以防止水分散失，二层采用毛毡进行覆盖保温。实际实施过程中，保温层厚度根据实时监测的里表温差而调整，确保保温效果。

（4）养护措施。混凝土在浇筑完毕二次抹面压实后应及时覆盖保温材料。新浇混凝土早期水化较快，及时喷洒混凝土减蒸剂、覆盖塑料薄膜达到保温保湿养护的效果，避免混凝土表面水分散失过快而出现干缩裂缝。

4.2 混凝土浇筑

现场混凝土浇筑时，应派驻专业的材料工程师进行全程质量跟踪，主要包括：检测混凝土施工性能，埋设应变计及温度传感器，监测温度变化，记录浇筑开始时间及结束时间，有无浇筑间歇，浇筑顺序，混凝土和易性等性能，入模及环境温度，振捣及有无加水等异常情况，并提出整改意见。

具体混凝浇筑过程中需注意以下几点：

（1）混凝土浇筑过程中应根据泵送及浇筑状态，判断混凝土的流动性，仔细观察有无泌水离析等现象，并根据现场混凝土状态，提出调整意见。

（2）通过混凝土结构中埋设的传感器采集温度变化情况，测试混凝土的入模温度，记录入模温度及环境温度，实时监测温度变化，指导施工养护。

（3）严禁工人私自加水，当发现有工人加水时，应立即阻止，并及时向现场施工人员反应。

（4）记录每段浇筑间歇的时间。混凝土接茬时间不得超过混凝土初凝时间，避免出现施工冷缝，造成射线渗漏隐患。提前制定混凝土施工应急处理预案。

（5）针对本项目坍落度较小，为保证混凝土密实度，混凝土应分散布料，水平分层浇筑，分层厚度每层应不超过500 mm，浇筑从低处向高处进行，随浇随振捣。

（6）混凝土要依次振捣密实，不能漏振、欠振，也不可过振。振捣时，快插慢拨，振点布置要均匀，需要水平分层振捣，振捣时间以混凝土泛浆，不出气泡为止。在施工缝、预埋件及穿墙管道处应加强振捣，以免振捣不实，造成渗水通道。振捣时应尽量不触及模板和钢筋，以防止其移位、变形，严禁用振捣棒别钢筋下料。

（7）平面构件及时进行混凝土二次抹面及塑料薄膜覆盖，并应确保塑料薄膜与混凝土表面紧密粘贴，相邻薄膜之间搭接至少5 cm，不出现空鼓，不出现漏盖。

4.3 养护制度

由于本项目施工主要在10~12月份之间，特采取如下养护方案：

（1）拆模时间：一般情况，大风或气温急剧变化时不进行拆模。在秋冬季期施工，采取逐段拆模、边拆边盖的拆模工艺。根据内部测得温度可在2~3 d拆模（具体根据测试数据调整），拆模时间可选择在10：00~16：00之间，尽量降低混凝土表面与环境温差。

（2）养护方式：在混凝土浇筑完毕后，关注外界环境及混凝土内外温度的变化，控制好混凝土降温梯度，避免出现裂纹。施工时拆模前养护期间在模板外侧搭设遮阳设施，防止阳光直射模板。并做好养护过程的记录。根据内部温度情况，内覆薄膜随抹随覆盖，并覆盖土工布保温保湿养护，养护时间不得少于14 d。

5 效果评价

对质子医院C40大体积墙体混凝土进行生产原材料、施工方法和保温措施等进行严格控制，并通过现场温度实时检测，系统地研究了C40大体积混凝土的质量控制方法，施工达到了设计要求，混凝土的工作性、强度、密度达到了预期效果，大体积墙体未出现有害裂缝。C40大体积混凝土的性能见表9。

表9 C40大体积混凝土的性能

混凝土运输至现场坍落度为180～220 mm，和易性良好，无泌水离析现象。生产留样试件强度满足设计要求，且完全满足防辐射功能要求。