某医院直线加速器区大体积混凝土裂缝控制关键技术

2022-10-29王德民卫剑楠马锋郑志华辜振睿李润

新型建筑材料 2022年10期

王德民，卫剑楠，马锋，郑志华，辜振睿，李润

（1.武汉三源特种建材有限责任公司，湖北武汉 430083；2.南通八建集团有限公司，江苏南通 226002）

0 前言

存放大型核医疗设备的直线加速器区大体积混凝土结构是医院类项目建设过程中的重难点之一。在结构尺寸满足设计要求的前提下，如何避免混凝土出现有害裂缝是达到防辐射性能的关键。直线加速器区侧墙和顶板等混凝土结构最小厚度一般不少于800 mm，最厚处往往超过2500 mm，从控制温度收缩角度考虑均属于大体积混凝土。而有效降低早期收缩量和控制降温速率是大体积混凝土裂缝控制的主要技术措施，目前已在各类工程中得到广泛应用[1-3]。

氧化镁类膨胀剂可通过控制煅烧温度和工艺调节其反应活性，在大体积混凝土内部温度下降阶段产生适量膨胀，达到补偿部分温度收缩的效果，是目前控制大体积混凝土温度收缩开裂的有效措施之一[4-5]。本研究从南通某医院直线加速器区大体积混凝土结构特点出发，采用氧化镁膨胀剂配制的补偿收缩混凝土进行浇筑施工，通过配合比设计优化、浇筑施工和养护工艺优化调整、实体结构内部温度和应变数据监测等方面分析了大体积混凝土侧墙和顶板的裂缝控制效果。

1 工程概况

南通某医院二期扩建项目总用地面积5.6万m2，总建筑面积12.7万m2，为现浇钢筋混凝土框架剪力墙结构形式。项目医疗综合楼为地下2层、地上19层，直线加速器区域设置在医疗综合楼地下2层。为提高结构防辐射性能，直线加速器区域采用了大体积混凝土结构，其中基础筏板厚度1400 mm（局部800 mm）；顶板厚度2800 mm（局部1400、800 mm）；侧墙厚度1600 mm（局部1200、800 mm），侧墙最厚处达2500 mm；混凝土设计等级为C35P8。侧墙结构最厚处配筋为双向4排25@150 mm，其次为双向3排20@150mm和双向2排20@150 mm；顶板结构最厚处配筋为双向3排25@150 mm，其次为双向2排25@150 mm和双向2排20@150 mm。直线加速器区所有大体积混凝土共分3次浇筑施工，基础筏板一次浇筑成型，侧墙和下部1400 mm厚顶板一次浇筑成型，剩下顶板上层1400 mm厚度最后一次浇筑成型，3次浇筑均在下部混凝土达到设计强度后进行。

2 大体积混凝土配合比设计优化

水泥：P·O42.5，比表面积385 m2/kg，马鞍山盘固水泥厂；矿粉：S95，比表面积450 m2/kg，联峰钢铁（张家港）有限公司；粉煤灰：F类Ⅱ级，需水量比101%，华能国电南通实业开发有限公司；天然砂：Ⅱ区中砂，细度模数2.8，含泥量1.8%；碎石：5～25 mm连续级配，含泥量1.3%，泥块含量0.8%；聚羧酸类高效减水剂：固含量16%，减水率24%，江苏苏博特公司；FQY镁质高性能混凝土抗裂剂：M型氧化镁膨胀剂，活性（120±10）s，符合CBMF 19—2017《混凝土用氧化镁膨胀剂》的要求，武汉三源特种建材有限责任公司；水：自来水。

为降低直线加速器区大体积混凝土内部水化热，一方面按照60 d龄期强度设计混凝土配合比，大幅度降低了水泥用量；另一方面将氧化镁膨胀剂进行内掺，等质量取代胶凝材料。同时在确保泵送性能良好的情况下，提高配合比中含石量（≥1010 kg/m3），有助于提高混凝土的体积稳定性。经过设计优化调整和试配试验，最终大体积混凝土配合比及性能测试结果如表1、表2所示。其中混凝土限制膨胀率试件养护条件为40℃恒温水浴。

表2 C35P8大体积混凝土的性能

3 浇筑施工和养护工艺优化调整

3.1 浇筑施工工艺优化调整

为确保大体积混凝土浇筑施工质量，对施工工艺进行了相应优化和调整：（1）浇筑侧墙和下部1400 mm厚顶板时，采用2台汽车泵+1台备用汽车泵进行，浇筑基础筏板和上部1400 mm厚顶板时均采用1台汽车泵，每台汽车泵配备2台振捣棒，同时备用2台振捣棒以防设备出现故障；（2）现场混凝土坍落度控制在（180±20）mm，分层浇筑，基础筏板和顶板分层高度≤500 mm，侧墙分层高度≤2000 mm；（3）振捣落点间距控制在30～40 cm，采用快插慢拔方式，单次振捣捣棒在混凝土内部停留时间不少于30 s；（4）采用一次振捣+初凝前二次复振的做法进行浇筑施工，以避免混凝土出现漏振和欠振现象，同时基础筏板和顶板面层采用人工收面+机械二次抹面的做法进行；（5）施工过程中监理、总包、分包班组、混凝土站和抗裂剂厂家管理人员全程旁站和监督，以确保混凝土浇筑施工顺利完成。

3.2 养护工艺优化调整

为避免出现有害裂缝，本工程大体积混凝土实体结构养护工艺也进行了相应优化和调整：（1）基础底板和顶板在混凝土终凝后立即采用1层土工布+1层棉被的方式进行养护，同时采用间断性人工洒水方式确保混凝土面层湿润；（2）考虑到大体积混凝土早期收缩的主要因素是降温阶段的温度收缩，同时侧墙难以进行保湿养护的问题，本工程采用大幅度延长带模时间+2层棉被+1层土工布的方式进行保温养护，即在侧墙内部温度达到温峰值后立即在模板表面覆盖2层棉被和1层土工布，加强保温和控制混凝土内部降温速率；（3）基础底板和顶板保温保湿养护时间不少于14 d，侧墙保温养护直至混凝土内部温度和环境温度差值不大于20℃时方可停止（实际保温时间超过20 d），控制侧墙混凝土内部降温速率≤4℃/d、里表温差≤25℃。侧墙保温养护效果如图1所示。

4 实体结构内部数据监测与分析

4.1 实体结构内部监测布点

在浇筑侧墙和下部1400 mm厚顶板混凝土前1 d，在部分实体结构内部埋设了温度传感器和振弦式应变计，应变计在中心位置，温度传感器在内外侧保护层厚度位置，对温度和应变数据进行实时监测，以评估大体积混凝土的裂缝控制效果。侧墙和顶板大体积混凝土测点布置如图2所示。

4.2 实体结构内部温度数据分析

在不同厚度侧墙（2.5、1.6、0.8 m）和顶板（1.4、0.8 m）实体结构中埋设了温度传感器以监测混凝土内部温度变化，结果如图3～图6所示。

由图3可知，2.5 m厚侧墙大体积混凝土中心入模温度24.7℃，约在68 h后达到峰值75.7℃，温升值51.0℃，达到温峰值后7 d内的降温速率约2.6℃/d；混凝土内表入模温度24.2℃，约在49 h后达到峰值57.8℃，温升值33.6℃，达到温峰值后7 d内的降温速率约1.8℃/d；混凝土外表入模温度24.5℃，约在51 h后达到峰值47.5℃，温升值23.0℃，达到温峰值后7 d内的降温速率约1.9℃/d。

由图4可知，1.6 m厚侧墙大体积混凝土中心入模温度24.2℃，约在47 h后达到峰值70.7℃，温升值46.5℃，达到温峰值后7 d内的降温速率约3.5℃/d；混凝土内表入模温度23.5℃，约在47 h后达到峰值56.8℃，温升值33.3℃，达到温峰值后7 d内的降温速率约2.2℃/d；混凝土外表入模温度24.0℃，约在31 h后达到峰值47.2℃，温升值23.2℃，达到温峰值后7 d内的降温速率约2.1℃/d。

由图5可知，1.4 m厚顶板大体积混凝土中心入模温度18.3℃，约在67 h后达到峰值61.5℃，温升值43.2℃，达到温峰值后7 d内的降温速率约1.3℃/d；混凝土内表入模温度18.1℃，约在64 h后达到峰值59.3℃，温升值41.2℃，达到温峰值后7 d内的降温速率约1.4℃/d；混凝土外表入模温度17.3℃，约在117 h后达到峰值47.8℃，温升值30.5℃，达到温峰值后7 d内的降温速率约0.3℃/d。

由图6可知，0.8 m厚侧墙混凝土中心入模温度25.5℃，约在38 h后达到峰值55.5℃，温升值30.0℃，达到温峰值后7 d内的降温速率约3.2℃/d；0.8 m厚顶板混凝土中心入模温度16.5℃，约在52 h后达到峰值47.5℃，温升值31.0℃，达到温峰值后7 d内的降温速率约2.2℃/d。

分析图3～图6可知，除2.5 m厚侧墙大体积混凝土最大里表温差（中心和外表面）在第3～10 d内超过25.0℃外，其余侧墙和顶板最大里表温差均控制在25.0℃以内。侧墙和顶板中心在达到温峰值后的7 d内的降温速率在1.3～3.5℃/d，说明优化调整后的保温养护措施较好。

4.3 实体结构内部应变数据分析

在不同厚度的侧墙（2.5 m、1.6 m、0.8 m）和顶板（1.4 m、0.8 m）实体结构中心位置埋设了振弦式应变计，用以监测混凝土内部应变随时间的变化规律，结果如图7所示。

由图7可知，各结构部位内部温度修正后应变基本在72 h内达到最大值，其中1.4 m厚侧墙最大值高达132με，说明混凝土中氧化镁膨胀剂水化反应产生了体积膨胀，提高了实体结构的抗裂性能。随着龄期的延长，各结构部位混凝土的各项收缩叠加后导致混凝土应变逐渐减小，其中应变最小的是2.5 m厚侧墙在30 d龄期后降至约-80με并趋于稳定，虽然最终仍存在收缩但数值相对较小，表明了实体结构抗裂性能较好。