医疗建筑中防辐射混凝土材料影响分析及建筑裂缝控制方法

罗鸿宇,黄文博,谭西平

(四川大学 华西医院,四川 成都 610041)

任何物质或多或少地都能使穿过其中的射线受到衰减,但不同物质对射线的衰减程度不同,屏蔽防护材料按结构特点和用途可分为4大类:重金属防护材料,建筑用墙体防护材料,软质防护材料,透明防护材料[1-2]。目前在医院防护工程中最常使用的材料主要有混凝土、砖、复合防护材料、泥土等。

目前,混凝土材料的应用最为广泛,医疗建筑用防辐射混凝土在固化成形的过程中会有很多因为受到温度应力[3]影响而出现的裂缝。为了提升医疗建筑防辐射混凝土防护效果,为周边环境安全提供保证的目的,十分迫切需要做好对裂缝的控制工作。

1 防辐射混凝土相关研究

为了令混凝土实现对各类核辐射衰减性能的有效应对,并保持其在压力与拉伸下的原有强度及耐久性,会采用特殊的方式进行混凝土的设计与制造[4]。用高密度天然骨料对常用的天然骨料进行替代,与具有明显结晶水含量的天然骨料相结合进行重型及高水化屏蔽混凝土的生产,愈发成为核辐射屏蔽与防护领域多种应用的重要需求。混凝土的表观密度和辐射衰减存在直接的联系,对密度较大的重型混凝土加以运用,可以将很好的减薄墙体厚度的效果发挥出来[5-6]。重型混凝土的表观密度在2 900～6 000 kg/m3,普通混凝土的表观密度仅为2 200～2 450 kg/m3。高温是重要程度最高的一类破坏过程,既不利于混凝土结构的耐久性,又有可能造成对混凝土的破坏,故而进行正确混凝土材料的选择,将高温的不利影响控制于最低水平是有必要的[7-8]。

2 医疗建筑用防辐射混凝土裂缝产生机理

在外界约束条件以及温度变化等的共同作用之下,医疗建筑用防辐射混凝土应被划归至胶结混合材料的范畴,在实际施工作业开展过程中,因温度发生的形变使得结构出现裂缝是最为主要的因素[9]。为了对结构因为出现裂缝而降低整体性这一问题的发生加以规避,需要从材料、施工条件、养护条件及使用环境等方面展开加强控制[10]。

2.1 温度变形

用于医院等医疗用途的建筑用防辐射混凝土,从原料的选材、存储,到混凝土的浇筑、养护,整个过程都会产生温度差异,这是一个比较长的时间,此过程中温度变形受到的应力范围具有较大的弹性范围,对于建筑结构来说,这种温度引起的差异影响最为不利[11]。不同材料有不同的α数值,表1所示为几种常用材料的温度膨胀系数。

表1 温度膨胀系数

正是因为不同的材料有着不同的温度膨胀系数,因此其拉伸亦存在差异,而这恰恰是导致裂缝出现的关键,也就是温度应力,通常在温度的升高与降低过程中产生的应力称作温度应力[12]。当内部防辐射混凝土因温度升高膨胀,受到外部具有一定强度的防辐射混凝土的压力,与之对应,外部防辐射混凝土因温度降低而收缩则会受拉,在这种温度差中产生的应力,若大于结构的极限抗拉应力,则产生裂缝。

2.2 自生体积变形

此类变形主要是在水泥凝结为晶体的过程中或水泥胶状生成物和晶体生成物粘结过程中发生的体积变化,和温度变化没有很大的关系。

从本质上来看,收缩原因主要在于水的迁移,水泥水化过程消耗水分,使胶凝孔形成弯月面,导致结构收缩减小体积。通过添加填充料,降低水灰比,不过结构早期开裂较大,结构容易有塑性收缩裂缝出现[13]。

2.3 混凝土不均匀性

混凝土是由水、水泥与骨料共同构成的胶凝物质。各类材料的物理与化学性能有较为明显的差异,加之受到外加剂掺核量、温度以及荷载等因素的综合作用,尽管防辐射混凝土的批次相同,其差异同样较大。拌合过程中如果操作欠缺规范性,结构的均匀性会受到影响。因为各类原材料性能不稳定,致使防辐射混凝土有不同的性能。骨料级配的不同同样会对混凝土的均匀性产生很大影响。为了避免因为材料不均匀而导致的结构不稳定现象的发生,需要对原料级配进行优化,尽可能地提升混凝土的强度,加强质量控制,保证施工规范性以及用材合理性[14]。

2.4 徐变

所谓徐变,指的是结构受到长期恒定荷载的影响而出现的变形。医疗建筑用防辐射混凝土在长期荷载作用下容易材料疲劳,使应力分布发生变化,进而对结构承载极限产生影响。水泥品种和骨料组成等的不同都会对徐变程度产生影响。

3 医疗建筑用防辐射混凝土裂缝控制方法

3.1 原材料入模时间控制

为了将结构浇筑环节的水化热减少,对裂缝发生率进行有效控制,需要从原材料初期做好选材工作,对各步施工温度进行有效控制,通过各步施工温度的降低将最高温度控制于一个较低水平。针对原材料的存储,需置于阴凉之处,做好遮阳处理,避免由于太阳直射而导致入模骨料温度的上升,最高温度的降低可以降低贯穿裂缝的发生率[15]。在拌合骨料的过程中,需要利用冰水施以搅拌,通过冰的融化进行热量的吸收,以此达到将整体初期温度减小的目的。

3.2 温度控制

3.2.1控制水泥胶结水化热的释放

医疗建筑用防辐射混凝土断面比较厚,四周水化热会经由外部混凝土向外传递,如果外部温度不高,能够在短时间内达到减小温度的目的。在内部集结的能量因为尽可以经由四周向外传递热量实现温度的降低,如果外部温度比较高,会对外部混凝土散热速率产生直接影响,若利用有较高水化热的水泥材料,便会有较大可能因为最高温度较高而导致贯穿裂缝的出现[16]。对于水泥这类胶凝材料来说,如果其用量比较大,水泥水化热会加大裂缝发生率,故而选用适宜水泥尤为重要。

以某医院加速器机房墙板施工为例,在综合考虑的基础上,该医院选用有较为理想的抗压、抗折与抗劈裂强度的42号矿渣硅酸盐水泥进行治疗室墙体的浇筑。因为细骨料主要用于对结构空隙的填充、级配的调节,以及混凝土和易性与整体粘度的增加,进行一些粉煤灰的添加,将其代替水泥,可达到将水化热减少的目的。

3.2.2控制防辐射混凝土温度和外界温度间的温差

在医疗建筑用防辐射混凝土的浇筑过程中,由于四季变化、月变化及日变化而出现的外界温度的改变会影响浇筑温度。相较来说,月变化与日变化只会对结构外表面产生影响。不过在遇到薄壁结构时,月变化的影响同样明显。外界温度越高,混凝土的散热难度越大。大量热量会令混凝土体积膨胀,而这会加大结构的变形概率。

3.3 施工方式控制

合理的施工措施能够为医疗建筑用防辐射混凝土工程质量的提升机裂缝数量的降低提供保证。砂、石骨料以及水的初始温度都会对防辐射混凝土的初期温度产生影响,在执行防辐射混凝土的拌合任务之前,需要将原材料遮阳、降温存储工作做好。在原材料的搅拌环节,因为发挥填充作用的细骨料比热通常不大,相对每立方米混凝土中占比较大。故而,对石子温度进行控制可以在较大程度上降低出机温度。可在背阴位置堆放砂石,或通过搭设遮阳棚控制石子温度。若有必要,还可在拌合过程中添加冰块,或是在使用前进行骨料的冲洗。浇筑作业应主要在夜间或低温季节进行,有利于对热量进行释放。

3.4 养护方式控制

因为新浇筑的医疗建筑用防辐射混凝土有比较小的强度与比较弱的抗变形能力,故在养护过程中,需要洒水保湿进行潮湿养护。潮湿养护既有利于整体抗裂能力提升,还可吸收构件散热,养护期通常在28 d以上。

4 结语

因为温度而产生的裂缝长期以来始终是对医疗建筑用防辐射混凝土施工质量产生影响的关键因素。针对防辐射混凝土裂缝产生机理,对温度变形、自生体积变形等对裂缝的影响作较为详细的阐述。为了保证医疗建筑用防辐射混凝土能够处在一个正常的工作状态之下,最小化裂缝带来的负面影响,从多方面分析降低裂缝发生概率的控制措施。如果防辐射混凝土出现裂缝,需要以裂缝位置、宽度等为依据实施补救,以此实现对结构整体性能的提升。