梁國強 ,孫飛鵬（上海建工材料工程有限公司技術(shù)質(zhì)量部，上海 200086）

隨著醫(yī)療科技的發(fā)展，直線加速器作為一種新興科技產(chǎn)品在放射治療過程中被大量應(yīng)用。直線加速器雖然對相關(guān)疾病的醫(yī)治效果良好，但伴隨其使用，會大量產(chǎn)生電子線、X 射線、γ 射線、中子射線等高能電子輻射，其對周圍人群造成的傷害，不能忽視。以混凝土結(jié)構(gòu)作為屏蔽輻射的屏障，無疑是十分經(jīng)濟的。重晶石防輻射混凝土是一種以采用硫酸鋇含量≥85%，且結(jié)合水較多的礦石—重晶石作為粗細集料拌制而成的混凝土。其通過加大混凝土的表觀密度和密實度，以達到進一步提高防輻射能力的目的。

1 工程概況

某醫(yī)院新建項目（一期），總建筑面積 158 769 m2。建設(shè)內(nèi)容包括 12 層高主樓、3 層高輔樓以及整個場地下的 3 層地下室。本工程地下結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，其中涉及重晶石混凝土澆搗的區(qū)域為 B 1 層南側(cè)的射波刀設(shè)備（一種直線加速器的改進形式）專用房間，整體重晶石混凝土用量約為 2 200 m3，頂板與底板厚 2 500 mm，側(cè)墻厚 2 000 mm。重晶石混凝土設(shè)計強度為 C 40（齡期為 28 d），要求混凝土表觀密度 ≥3 200 kg/m3。

2 試驗配制

2.1 配合比設(shè)計思路

配合比設(shè)計，應(yīng)從 4 方面加以綜合考慮。

(1) 表觀密度：普通混凝土一般表觀密度為 2 400 kg/m3 左右。重晶石混凝土表觀密度則為 2 800～3 600 kg/m3，表觀密度的增加通常通過粗細集料選用重晶石和重晶砂來實現(xiàn)。3 200 kg/m3 的要求在重晶石混凝土里并不算高，因此可以考慮用天然集料替代部分重晶砂石。

(2) 水化熱控制：頂板、底板以及側(cè)墻的厚度都大大超過了 1 000 mm，屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，則水化熱的控制就必須予以關(guān)注了。在膠凝材料中加入部分外摻料是降低混凝土水化熱的常見措施，同時由于 C 40 的較高設(shè)計強度，又為水泥品種的確定提供了 42.5 和 52.5 兩個選擇。這里經(jīng)常有一個認識上的誤區(qū)，就是往往認為 52.5 水泥的水化熱要高于 42.5 水泥，實際上我們要控制的是混凝土的水化熱，配合比設(shè)計中單位體積混凝土中的水泥用量的多少同樣對水化熱有影響。當(dāng)采用 52.5 水泥，用量大大少于使用 42.5 水泥時，配合外摻料的作用，水化熱未必更高。

(3) 力學(xué)性能：最重要的指標是 28 d 齡期的立方體抗壓強度。重晶石的性脆易碎特性，使其成為重晶石混凝土強度上的瓶頸，所以少量使用天然集料在有利于成本控制的同時（重晶石的價格大大高于天然集料），對強度的提高也有一定的助益。這一點同樣有利于對表觀密度的控制。

(4) 工作性：由于重晶石混凝土重晶石表觀密度較大，集料在混凝土拌合物中易發(fā)生下沉，導(dǎo)致混凝土離析現(xiàn)象的產(chǎn)生。選用合適的外加劑，摻入一定量的外摻料，采用恰當(dāng)?shù)纳奥剩纳瓢韬衔锏暮鸵仔?，控制入模坍落度（預(yù)估商品混凝土運輸而發(fā)生的經(jīng)時坍損）等也應(yīng)作為配合比確定的影響因素。

以上 4 方面的思考，需通過混凝土小樣的試配來加以論證。第 1 組試配的對比，以配合比是否采用天然砂替代部分重晶砂（兩者比例為 1∶3）為考量因素；第 2 組對比，以配合比分別采用 42.5 水泥和 52.5 水泥為考量因素。兩組對比，在確保混凝土表觀密度要求的前提下，重點觀察混凝土的強度和工作性。

2.2 原材料的選取

(1) 水泥：選用了承擔(dān)混凝土供應(yīng)任務(wù)的攪拌站常用的江蘇金峰的 P.O 52.5 水泥和 P.O 42.5 水泥。大品牌常規(guī)型號水泥的使用，保證了水泥質(zhì)量的穩(wěn)定性，也有利于攪拌站筒倉的最大利用率。從復(fù)試的檢測數(shù)據(jù)（表 1）來看，這兩種水泥的質(zhì)量還是相當(dāng)可靠的。

表1 P.O 52.5 及 P.O 42.5 水泥檢測數(shù)據(jù)

(2) 外摻料：選用上海寶田的 S 95 級礦粉。其 28 d 的活性指數(shù)比，常年穩(wěn)定在 100% 以上，在降低水化熱、改善和易性的同時，確保對 28 d 強度無影響；而且從更長齡期的表現(xiàn)來看，摻入合格 S 95 礦粉的混凝土后期強度增長更是高于使用純水泥的混凝土。

(3) 外加劑：選用上海建工麥斯特公司的聚羧酸-高性能減水劑 MGS 8325。勻質(zhì)性指標：含固量達到 19.73%，砂漿減水率為 20.0%。其不僅通過高減水率，大大降低膠凝材料用量，而且兼具優(yōu)秀的保坍性能。

(4) 集料：為了滿足 3 200 kg/m3 的表觀密度，選用出產(chǎn)地為陜西的重晶石和重晶砂；并選用蕪湖國慶的河砂來替代部分重晶砂，河砂的細度模數(shù)為 2.4，屬 II 區(qū)砂，含泥量 1.1%。

重晶石粗集料（簡稱重晶石）：采用硫酸鋇含量 ≥85% 的重晶石礦石壓碎制成的 5～25 mm 碎石（物理性能指標見表 2）。

重晶石細集料（簡稱重晶砂）：由重晶石礦石壓碎、篩分， 75 μm ≤ 粒徑 ＜4.75 mm 的顆粒（物理性能指標見表3）。

表2 重晶石物理性能指標

表3 重晶砂物理性能指標

2.3 小樣試配

依據(jù) GB/T 50557—2010《重晶石防輻射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》以及 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，對 C 40 重晶石混凝土進行配合比設(shè)計，設(shè)計坍落度（160 ± 30）mm，表觀密度 ≥3 200 kg/m3。

根據(jù)需論證的配合比以是否用天然砂替代部分重晶砂，以及不同強度等級的水泥種類作為主要考量的因素，分別設(shè)計配合比。

單個配合比設(shè)計過程中，有兩個參數(shù)也應(yīng)重點考慮。其一，商品混凝土的運輸距離、經(jīng)時坍損。為保證入模坍落度，需適當(dāng)放大試驗坍落度。其二，重晶石混凝土因自重大易發(fā)生離析，可選取較大的砂率，以此改善混凝土的勻質(zhì)性和和易性。較大的砂率對漿體的需求量大，在較高強度混凝土中，膠凝材料相對較多，恰巧迎合了這一點。

在綜合考慮各項條件后，設(shè)計了以下 4 個重晶石混凝土配合比，并加以小樣試配，見表 4。

表4 重晶石混凝土試驗配合比

2.4 試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果，見表 5。

表5 重晶石混凝土試驗結(jié)果

結(jié)果分析：

(1) 和易性：對比配比 A-1 與 A-2、B-1 與 B-2 兩組的拌合物狀態(tài)可見，由于重晶石礦石性脆易碎的特點，因此重晶砂中的粉狀顆粒較多，在顆粒級配方面，往往不入?yún)^(qū)，而通過合格的天然 II 區(qū)中砂替代部分重晶砂，更有利于空隙的填充，使得混凝土的和易性得到改善。

(2) 強度：由配比 A-1 與 A-2、B-1 與 B-2 兩組對比可見，僅僅天然砂替代部分重晶砂，對混凝土強度基本無影響。

(3) 由配比 A-1 與 B-1、A-2 與 B-2 兩組對比可見，同種類型的 52.5 水泥和 42.5 水泥在水膠比相近時，強度基本無差別，而水泥的使用量卻能夠大大地降低。在水泥用量差別如此巨大的情況下，無疑使用 52.5 水泥更有利于水化熱的降低。

(4) 坍落度：由 4 個配比的實測坍落度及拌合物狀態(tài)可見，得益于聚羧酸類高性能減水劑的良好性能，在用水量較低的情況下，依然能獲得大坍落度，并能保證一定的和易性，在配置較高強度的泵送混凝土?xí)r，可優(yōu)先考慮。

綜合小樣的試驗結(jié)果，確定配合比 A-2 為用于工程施工的重晶石防輻射混凝土的配合比。

3 工程應(yīng)用

上海建工材料工程有限公司第四分公司在參考了試配試驗結(jié)果后，于 2019 年 8 月～10 月的供應(yīng)過程中，又采取了如下質(zhì)量保證措施。

(1) 生產(chǎn)控制：采用 3 m3 強制攪拌機，實際單次拌制量為 2 m3，攪拌時間設(shè)置為 120 s。重晶石混凝土較大的表觀密度，導(dǎo)致和易性不易保證，單次拌制量的減少、攪拌時間的延長均有利于混凝土拌透拌勻。更重要的是，聚羧酸-高性能減水劑所拌制的混凝土，如攪拌時間較短，經(jīng)常會出現(xiàn)坍落度“倒大”現(xiàn)象，使得運至施工現(xiàn)場的混凝土發(fā)生離析。

(2) 泵送：泵送設(shè)備采用了 1 臺 62 m 臂架式汽車泵。超長的臂長決定了泵車必須以更大的輸出功率加以匹配，滿足重晶石混凝土 3 200 kg/m3這一大大超出普通混凝土表觀密度的特性；同時也確保了商品混凝土能順利地澆筑于各個結(jié)構(gòu)部位。

(3) 拌合物表觀密度的控制：為了確保重晶石混凝土的表觀密度，除了每次混凝土供應(yīng)時，均進行拌合物的表觀密度檢測以外，還采用經(jīng)校準合格的標準 150 mm×150 mm×150 mm 鋼試模制作混凝土試件，對硬化后的混凝土實體進行表觀密度復(fù)檢，確保了所供重晶石混凝土滿足表觀密度要求。

(4) 出廠混凝土坍落度：利用電子計量系統(tǒng)，各原材料得到精確稱量后，投入攪拌機攪拌。出料經(jīng)檢測后，需滿足混凝土坍落度 ≥200 mm，方允許出廠。這使得經(jīng)過半小時運輸，到達施工現(xiàn)場的混凝土在保證和易性的同時，入模坍落度均 ≥180 mm。

歷時 3 個月，共計完成 10 次混凝土供應(yīng)任務(wù)。該醫(yī)院項目重晶石防輻射混凝土的施工終于得以保質(zhì)保量地順利完成。經(jīng)第三方檢測機構(gòu)的檢測，各項指標均達到設(shè)計要求。

4 結(jié) 語

本次通過對 C 40 強度重晶石混凝土（表觀密度 ≥3 200 kg/m3）的設(shè)計、試配，直至順利完成供應(yīng)任務(wù)，可以得到以下結(jié)論：

(1) 重晶石防輻射混凝土除了表觀密度大大超出普通混凝土以外，其他性征特質(zhì)與普通混凝土基本一致。

(2) 在設(shè)計表觀密度 ≤3 200 kg/m3 的重晶石防輻射混凝土?xí)r，用合格的天然 II 區(qū)中砂替代部分重晶砂，不僅更經(jīng)濟，而且能夠彌補重晶砂顆粒級配不佳的短板，加強其空隙填充率，對混凝土拌合物的和易性十分有利。

(3) 由于重晶石混凝土主要應(yīng)用于防輻射建筑結(jié)構(gòu)，為了達到更好的屏蔽效果，此類結(jié)構(gòu)的混凝土構(gòu)造多數(shù)設(shè)計成屬于大體積混凝土的范疇。當(dāng)設(shè)計強度較高時，選用 52.5 水泥比 42.5 水泥用量要少得多，因此更利于水化熱的降低。

(4) 在設(shè)計較高強度的重晶石防輻射混凝土?xí)r，由于有較多的漿體，為滿足因砂率加大而導(dǎo)致的比表面積增加，可以適當(dāng)放大砂率，改善混凝土拌合物的流動性。

(5) 重晶石混凝土在生產(chǎn)應(yīng)用時，應(yīng)適當(dāng)延長攪拌時間、減少單次拌制量，以適應(yīng)較大的表觀密度，在確保和易性的同時，滿足應(yīng)用越來越普遍的聚羧酸-高性能減水劑，獲取較大的入模坍落度，保證泵送過程的順利實施。