质子医院防辐射超大尺寸混凝土施工技术

陈仕华，程锦涛，郑松，赵博，雷坚，郭善滨

（1.深圳市建筑工务署工程管理中心，广东 深圳 518000；2.中国建筑第二工程局有限公司华南分公司，广东 深圳 518000）

1 工程概况

深圳市质子肿瘤治疗中心项目是集肿瘤医疗、科研、教学及延伸服务为一体的肿瘤专科医院，属于深圳市政府的重点工程，配备了世界先进的回旋加速器及束流能量系统，设置于地下2层，即质子区，其结构模型图如图1所示。

图1 质子区结构模型

为保证质子区结构的防辐射性和耐久性，墙体及楼板均为大体积防辐射混凝土，最厚处楼板达到4.68 m。根据设计要求，混凝土等级为C35P10，密度不小于2.35 t/m3，且要具有较好的抗硫酸盐侵蚀性能。

2 工程重难点分析

2.1 针对各项性能要求进行配合比优化

质子区混凝土结构尺寸大，变截面多，易开裂；结构内部钢筋密集、预埋管线多，需保证良好的流动性；施工时恰逢夏季，入模温度高，开裂风险增大。结构一旦出现空鼓、贯穿性裂缝，将严重影响防辐射性能和耐久性能，因此，保证大体积混凝土的密实度、避免有害裂缝产生，是本工程混凝土质量控制的核心。

本工程混凝土强度等级较高，胶凝材料及水泥用量高，且对其防辐射性、耐久性、抗硫酸盐性、抗渗性及密度均提出要求，因此，需进行配合比专项研究。

2.2 超大尺寸防辐射混凝土一次浇筑

考虑工期进度要求，计划尽量减少施工缝，故本工程大体积防辐射混凝土均为一次性浇筑。因此，需确保混凝土内钢筋绑扎牢靠、模板支撑体系安全可靠、浇筑过程中的施工质量保证措施周全、浇筑后的养护措施到位。

2.3 防辐射混凝土配合比研究

2.3.1 试配研究内容

本项目其他部位的普通C35混凝土为保证强度，单位水泥用量达到326 kg/m3，对于防辐射大体积混凝土要求而言用量过大。故试配中提高了粉煤灰掺量，且将常规的Ⅱ级粉煤灰更改为Ⅰ级粉煤灰。

试验选定水泥用量190 kg/m3、200 kg/m3分别进行试配，结果表示两者制作的试块在和易性、坍落度及拓展度方面均无明显差异，重度也满足设计要求[1]。在此基础上，为了最大限度地减少水泥水化热，选择将水泥的用量减少至190 kg/m3，同时粉煤灰的用量对应增加10 kg。

配合比考量的要点有：

1）考察水胶比（0.36～0.40）对混凝土工作性能和力学性能的影响，确定最佳水胶比。

2）考察单方胶材总量（380～400 kg/m3）对C35混凝土工作性能和力学性能的影响，确定混凝土的最佳胶凝材料用量。

3）考察水泥用量（190 kg/m3、200 kg/m3）对混凝土力学性能和抗裂性能的影响，确定混凝土的最佳水泥用量。

4）考察砂率对混凝土工作性能的影响，确定混凝土最佳砂率。

5）考察抗裂剂和防腐剂对混凝土抗裂性能和耐久性能的影响。

2.3.2 配合比确定

在经过试配后，确定了本项目防辐射区域的混凝土配合比，主要控制单方量的水泥用量、控制胶凝材料用量，采用混凝土60 d的强度作为混凝土配合比设计、混凝土强度评定及工程验收的依据。

混凝土配合比（单位为kg/m3）：水∶水泥∶砂∶5～25 mm石子∶Ⅰ级粉煤灰∶膨胀剂∶防腐剂∶减水剂=47∶190∶780∶1 042∶148∶31∶31∶5.9，水胶比为0.4。

2.3.3 1∶1模拟实验

为保证现场超大尺寸混凝土一次浇筑的顺利实施，特进行1∶1足尺模拟实验，如图2所示，通过BIM模型指导施工。例如，钢筋的绑扎、机电预埋、现场实际浇筑以及混凝土养护等，全过程模拟实际施工的工况。

图2 1∶1模拟试验过程

1）土建选取了本项目混凝土结构尺寸最大位置4.68 m。

2）机电选取了本项目所有机电预埋管线及最密集处，16根DN65 mm电 气 预 埋 管，6根DN100 mm电 气 预 埋 管，3根DN65 mm电 气 预 埋 管，2根DN200 mm电 气 预 埋 管，4根DN100 mm排水管道，1根工艺冷却水管道含保温DN125 mm。

3）配合比选取了项目优化后的配合比。

4）运用测温仪器及应变计，考察浇筑过程的温度及内部应力变化。

1∶1模拟试验混凝土浇筑成型质量较好，表面无裂缝。其中，7 d龄期的混凝土立方体抗压强度27 MPa，满足设计C35强度等级要求。

整个施工过程中最高温度达67.2℃，前3 d温度达到顶峰，第4 d以后进入降温阶段，拆模前后，中心区域的平均降温速率分别为0.98℃/d、2℃/d，边缘位置拆模前后的平均降温速率为1.0℃/d。降温速率均满足≤2℃/d的设定温控目标。

整个施工过程中产生了170～350 με的膨胀微应变，且逐渐趋于稳定，在温降阶段，膨胀剂补偿了温降收缩，起到了预防温度裂缝的作用。施工完成后，将位于最下端的混凝土结构切开，验证管道密实度，其结果达到设计要求。

3 混凝土拌和用冷却水

为了降低混凝土的入模温度，必须有效控制混凝土出机温度。采用最先进的冷水机操作系统以及高效螺杆压缩机、高效壳管式换热器和艾默生膨胀阀体。机组通过智能管理系统，配备各种保护装置，使机组在混凝土搅拌时，可以将温度控制在25℃左右。

4 大截面混凝土一次浇筑

因混凝土楼板截面尺寸过大，项目考虑了两种浇筑方式，一种为先浇筑800～900 mm，待下部板达到一定强度后，再浇筑上部板结构，可节约模架材料利于拆模；另一种为整体浇筑，需选用重型支模材料，后续拆模效率低。通过对比分析，分开两次浇筑时，会导致施工缝清理难度大，钢筋污染严重，施工缝清理不干净会对成型质量造成影响，故选用一次浇筑，优化下部支模体系的浇筑方式。

4.1 一次浇筑的混凝土控制要点

混凝土浇筑过程中，严格按照500 mm进行分层，实时测量，每个泵点达到高度即可移动位置。严格要求下料高度不高于混凝土1.5 m。因其防辐射要求，施工缝留设时需设置企口，在墙体位置的施工缝留设好企口后，将其表面清凿后进行冲洗，保证施工缝位置不在一条直线，确保防辐射要求。

4.2 一次浇筑的支模及钢筋支撑体系

因本工程大截面楼板钢筋量大，如4 680 mm楼板其面筋为C28 mm@100 mm，共有4层，底筋也为4层，中间层还有3层抗裂钢筋。故钢筋支撑采用立柱18#槽钢@1.5 m，横梁同中间层抗裂钢筋截面，并同槽钢焊接，确保钢筋支撑的整体刚度，为浇筑混凝土的安全提供保障，如图3所示。

图3 钢筋支撑体系

混凝土浇筑时，下部高大模板支撑体系尤为重要，其中，超过2 m的楼板采用60重型盘扣，如图4所示，间距600 mm×600 mm，标准步距1 500 mm，顶层步距1 000 mm，主梁采用12号工字钢，小梁采用50 mm方通，间距150 mm，并且为了方便模板的拼接，在小梁位置增加木方。

图4 重型盘扣支撑体系（单位：mm）

4.3 混凝土养护

混凝土的养护在整个工程中耗时最长，而且对混凝土质量影响最大。为保证混凝土得以正常或加速其硬化和强度增长，采用如下养护措施[2-3]：

1）水平养护采用薄膜+蓄水养护，养护不少于14 d。

2）墙体养护采用带模+喷淋养护，养护不少于14 d。

3）养护时，在支模体系中设置喷淋系统，养护用水采用加热的同混凝土表面温度的水，严禁自来水直接养护，避免使其冷水直接冲击混凝土表面，使得表面温度骤降从而产生裂缝。

5 结语

质子中心在防辐射设计时采用了超大截面混凝土作为辐射屏蔽的材料，且大体积混凝土不仅存在于底板，地下室整个质子区的结构均为大体积混凝土。相较于同类质子医院，截面尺寸如此大的防辐射混凝土仍属罕见。本工程厚板结构均采用一次性浇筑完成，经过上述周密的策划及充分的前期准备工作，深圳市质子肿瘤治疗中心项目克服了超大截面混凝土的施工难点，在所有的防辐射超大尺寸混凝土结构施工后，表面无孔洞及裂缝等缺陷，施工质量良好。一次性浇筑完成厚板结构浇筑提高了施工的效率，节约工期及成本，为后续防辐射混凝土结构施工提供参考和借鉴。