王芳利 鄧旭華

（廣東省基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510660）

0 引言

隨著核技術(shù)的發(fā)展，防輻射混凝土應(yīng)運(yùn)而生。如今癌癥發(fā)病率增高，各種先進(jìn)的放射性治療設(shè)備被引進(jìn)醫(yī)院，使得防輻射混凝土應(yīng)用越來越多。中山大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院核磁共振加速器機(jī)房改建，設(shè)計上結(jié)構(gòu)尺寸受限，為達(dá)到防輻射預(yù)期效果，只能提高混凝土的性能，采用密度大于3600kg的一級高性能防輻射混凝土。[1]

目前，國內(nèi)配制一級防輻射混凝土基本都通過摻入鐵砂、鐵丸等高密度金屬材料來實(shí)現(xiàn)密度要求，但密度均勻性差，難以泵送，且成本高，生產(chǎn)過程繁雜，施工進(jìn)度慢。而直接采用重晶砂、重晶石和水泥作為基礎(chǔ)材料，不外加其他高密度材料的情況下，通常只能配制到3400kg/m3，難以達(dá)到一級要求，同時也鮮見有實(shí)際應(yīng)用。

因此，我們分兩步研究，一是圍繞混凝土密度主線，以密度最大化進(jìn)行選材和配合比設(shè)計，同時兼顧抗裂性能優(yōu)化，選定孔隙率最小、密度最大、體積穩(wěn)定性最好的配合比；二是通過生產(chǎn)與施工相結(jié)合，采用骨料二次組合澆筑成型法進(jìn)行施工，從而達(dá)到可泵性與密度、抗收縮性的統(tǒng)一。

1 原材料選擇[3][5]

1.1 水泥

水泥的選用除了滿足規(guī)范要求外，還應(yīng)盡量選擇結(jié)合水較多的水泥，混凝土結(jié)合水越多，對吸收中子射線越有利。經(jīng)過對比試驗(yàn)，英德海螺P.O42.5R水泥最符合要求，其對比情況見表1。

表1 水泥性能對比

1.2 摻合料

考慮水化熱及密度等影響問題，選用了韶鋼礦粉其性能指標(biāo)見表2。

表2 礦粉的性能指標(biāo)

1.3 粗、細(xì)骨料[8][6]

重晶石粗細(xì)骨料的優(yōu)劣，主要從骨料結(jié)構(gòu)、骨料中的雜質(zhì)與含泥量、骨料的級配、骨料密度、骨料強(qiáng)度五個方面進(jìn)行評價和選擇。按照《重晶石防輻射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》要求，配制一級防輻射混凝土須采用表觀密度達(dá)到4300Kg/m3，因此，應(yīng)選擇密度最為接近的樣品。

本實(shí)驗(yàn)分別對廣西桂林樣，廣東陽山樣，和湖南衡陽樣A，湖南衡陽樣B進(jìn)行了各項物理性能對比。重晶砂、重晶石對比結(jié)果分別見表3、表4。

表3 細(xì)骨料性能對比

表4 粗骨料性能對比

廣東陽山樣 4220 2570 25.2 1.3 連續(xù) 25.0 灰白湖南衡陽A樣 4230 2320 33.0 1.4 連續(xù) 37.5 白湖南衡陽B樣 4180 2650 18.9 4.4 連續(xù) 19.6 偏灰

由上表可以看出，廣西桂林樣品無論細(xì)骨料還是粗骨料的表觀密度都最低，其他三個樣品的密度相差不大，但為了達(dá)到泵送要求，湖南A、B樣的最大粒徑及級配未能達(dá)到要求，所以選擇廣東陽山樣。

1.4 水

拌和用水應(yīng)符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《混凝土拌和用水標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ63)的要求。本試驗(yàn)使用飲用自來水。

1.5 外加劑

面對一級防輻射混凝土的的多方面需求及最佳緊密法的要求，普通外加劑是無法滿足使用要求的，因此，需要我們通過試驗(yàn)摸索配制一種，既能提高混凝土表觀密度，又要固化結(jié)合水，還要能夠滿足長距離運(yùn)輸及長距離泵送施工的復(fù)合型高性能外加劑，自編名稱為聚羧酸消泡型高性能外加劑。主要成分有普通外加劑、增粘劑、消泡劑。普通外加劑選用QD外加劑，其物理性能見表5。

表5 外加劑的物理性能

消泡劑，即抑制泡沫產(chǎn)生或消除已產(chǎn)生泡沫的外加劑，能使新拌混凝土在較長時間內(nèi)保持塑性，從而調(diào)節(jié)新拌混凝土的凝結(jié)時間。本次選用的是聚醚類消泡劑。

2 一級防輻射高性能混凝土的配合比試驗(yàn)研究

2.1 超緩凝高性能混凝土設(shè)計要求[6]

（1）表觀密度達(dá)到3600Kg/m3以上；

（2）和易性，滿足長距離運(yùn)輸長泵管輸送不至離析和損失所需要的包裹性和流動性；

（3）滿足配合比設(shè)計要求的抗壓強(qiáng)度；

（4）結(jié)合水，滿足防護(hù)中子輻射所需的結(jié)合水含量；

（5）經(jīng)濟(jì)性，在滿足各項指標(biāo)的前提下，盡可能降低成本。

（6）混凝土的堿含量和氯離子含量滿足混凝土的要求。

2.2 配合比優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計[2][7][9][10]

2.2.1 膠材組分的影響及調(diào)整

表6 礦粉不同摻量對混凝土的影響

從上表可以看出，隨著混凝土礦渣粉取代量的逐漸增大，混凝土流動性逐步增大，混凝土容重上升明顯，到20%的時候達(dá)到峰值。隨著礦渣粉的持續(xù)增長，混凝土的和易性逐漸變差，包裹性粘聚性變差，離析率上升。混凝土的密實(shí)性變差，容重逐漸降低。容重偏低問題尚可以通過繼續(xù)調(diào)整配合比和外加劑組分來進(jìn)行探索。因此，礦渣粉取代比例選用20%。

2.2.2 砂率對防輻射混凝土的影響

依據(jù)普通混凝土相關(guān)生產(chǎn)和試配經(jīng)驗(yàn)，適當(dāng)對混凝土中砂率進(jìn)行調(diào)整，可有效降低混凝土的空隙率，提高混凝土的流動性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)混凝土的最佳緊密堆積。本次試驗(yàn)通過對混凝土的砂率進(jìn)行調(diào)整，對比調(diào)整之后混凝土的各項性能，見表7。

表7 不同砂率對混凝土的影響

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由上表可知，混凝土的砂率對混凝土的表觀密度影響重大，適當(dāng)調(diào)整一定比例混凝土砂率可有效提高混凝土的容重，隨著混凝土的砂率從44%逐步下調(diào)，初始時混凝土和易性變好，容重逐漸增大，混凝土離析率逐漸增高。當(dāng)混凝°土砂率為38%時，混凝土和易性達(dá)到最佳狀態(tài)，同時混凝土容重突破3500Kg/m ，隨著砂率逐漸降低，混凝土和易性明顯變差。強(qiáng)度也隨之降低，混凝土容重也隨著有所下降。綜上，確定混凝土最佳緊密堆積適宜使用砂率為38%。

2.2.3 聚羧酸消泡型高性能外加劑的組分確定

防輻射混凝土的表觀密度仍然需要進(jìn)一步提高，即通過條件外加劑中各組分的比例，以達(dá)到最佳減水率的同時，將混凝土中的大中氣泡有效消除，以實(shí)現(xiàn)混凝土的最佳緊密堆積。試驗(yàn)通過對比不同摻量的消泡劑來對比混凝土各項性能的變化見表8。

表8 不同比例消泡劑對混凝土的影響

由上表看出，隨著外加劑各組分調(diào)整，混凝土容重隨消泡劑增加而逐漸增大，但混凝土和易性卻逐漸變差。在復(fù)合型外加劑的消泡組分到0.10‰時，混凝土成功突破3600Kg/m°大關(guān)，圖4為混凝土實(shí)測密度圖。且和易性良好，強(qiáng)度等各項數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計要求。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將普通外加劑與此消泡劑按上述比例復(fù)配，成為一級防輻射混凝土的專用外加劑，名為聚羧酸消泡型高性能外加劑。

2.3 配合比確定與拆分

2.3.1 配合比確定

綜上所述，通過原材料篩選與調(diào)整，初步擬定了配比之后，進(jìn)行了有針對性的方向性試配，根據(jù)各項指標(biāo)，最終確定了基準(zhǔn)配合比，具體見表9：

表9 C35一級防輻射高性能混凝土基準(zhǔn)配合比

2.3.2 配合比拆分

顯而易見，設(shè)計配合比配制而成的防輻射混凝土，密度能達(dá)到3600Kg/m3，但砂率小，雖然體積穩(wěn)定性高，但流動性差，加之防輻射混凝土自重大，恐難以滿足泵送要求。

故提出“骨料二次組合澆筑成型法”的設(shè)想，即從設(shè)計配合比中移出一定比例的粗骨料，使得混凝土實(shí)現(xiàn)可泵，在泵送的同時，再將移出的粗骨料按比例科學(xué)填放到結(jié)構(gòu)部位，振搗密實(shí)，再次組合成型，從而達(dá)到可泵性與密度、抗收縮性的統(tǒng)一。綜合普通混凝土的泵送施工經(jīng)驗(yàn)，可將砂率定于43%，則便于泵送，因此，骨料二次組合澆筑成型法可按如下安排：設(shè)計最終配合比=生產(chǎn)配合比+組合石，具體拆分情況見表10。

表10 一級防輻射高性能混凝土的基準(zhǔn)配比、生產(chǎn)配合比、組合石

2.3.3 生產(chǎn)配合比和易性驗(yàn)證

初定的生產(chǎn)配合比經(jīng)兩次試配驗(yàn)證，結(jié)果如表11。

表11 生產(chǎn)配合比驗(yàn)證結(jié)果

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從驗(yàn)證結(jié)果來看，和易性良好，能較好地滿足泵送要求，說明骨料二次組合澆筑成型法初具條件。

3 實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用

3.1 骨料二次組合澆筑成型法

一級防輻射混凝土嚴(yán)格按照施工前制定的骨料二次澆筑組合成型法進(jìn)行澆筑，做好各個環(huán)節(jié)的監(jiān)控，拆模后及時做好養(yǎng)護(hù)措施，避免開裂。骨料二次澆筑組合成型法的流程如圖1。

圖1 骨料二次組合澆筑成型法的流程示意圖

3.2 應(yīng)用效果

經(jīng)試驗(yàn)成功后，該技術(shù)成功用于中山大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院核磁共振加速器機(jī)房改建項目，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)40MPa以上，密度實(shí)現(xiàn)一級要求3600kg/m3以上，泵送過程順利，結(jié)構(gòu)無裂縫，各項指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求。超緩凝高性能混凝土的施工效果見圖4。

圖2 一級防輻射混凝土澆筑效果圖

4 結(jié)束語

（1）只有重晶砂、重晶石作為高密度材料的情況下，成功研制出密度大于3600Kg/m3且體積穩(wěn)定的一級防輻射高性能混凝土。

（2）創(chuàng)造性地提出了“骨料二次組合澆筑成型法”，突破了常規(guī)的生產(chǎn)與施工的套路，解決了防輻射混凝土密度大則泵送困難、易離析、易收縮開裂的三大難題，實(shí)現(xiàn)了可泵性與密度、抗收縮性的性能統(tǒng)一。