王鐵柱，楊飛華，段賽紅，趙煒璇

（北京建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，北京 100041）

0 工程概況

質(zhì)子醫(yī)院工程位于合肥市高新區(qū)，東至火龍地路、南至用地界線、西至用地界線、北至柏堰灣路。2#集成測試廠房大集成區(qū)域?yàn)榭刹鹦妒筋A(yù)制塊結(jié)構(gòu)，裝配式建筑面積約為1500 m2，墻體厚度為1000～4400 mm，頂層厚度為2000～3250 mm，預(yù)制的構(gòu)件類型有：預(yù)制墻板、預(yù)制梁板、預(yù)制填充塊以及預(yù)制活動墻，本項目預(yù)制塊結(jié)構(gòu)安全等級為二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0，設(shè)計使用年限為50年。

1 技術(shù)難點(diǎn)

本項目為醫(yī)用防輻射鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋含量大而密、內(nèi)部預(yù)埋管道多而復(fù)雜，對混凝土性能要求高，主要存在以下3個方面的難題。

（1）工作性及均勻性。由于結(jié)構(gòu)體鋼筋、預(yù)埋件布置密集，普通混凝土難以滿足施工要求，要求使用大流態(tài)混凝土；同時需要保證結(jié)構(gòu)體混凝土質(zhì)地均勻，防止出現(xiàn)密度薄弱區(qū)，影響實(shí)體結(jié)構(gòu)屏蔽效果，確?；炷练垒椛淦帘谓Y(jié)構(gòu)材料服役期間性能穩(wěn)定。設(shè)計要求保證混凝土密度不低于2350 kg/m3。

（2）裂縫控制。設(shè)計裂縫控制目標(biāo)為：不得出現(xiàn)寬度超過0.2 mm的貫穿性裂縫。為了保證防輻射混凝土對射線的有效防護(hù)，杜絕防輻射混凝土產(chǎn)生裂縫，防裂面臨三大難題：①該工程具有防輻射功能，對防開裂指標(biāo)要求極高，不允許出現(xiàn)任何形式的有害裂縫；②該工程大體積混凝土應(yīng)用于墻板結(jié)構(gòu)部位，且鋼筋含量大、內(nèi)部預(yù)埋管道多而復(fù)雜，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致混凝土開裂；③混凝土澆筑體量大，若養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，易產(chǎn)生較大的里表溫差，從而導(dǎo)致混凝土開裂[1-2]。

（3）屏蔽輻射。質(zhì)子醫(yī)院的加速器設(shè)備所需混凝土應(yīng)具備屏蔽質(zhì)子射線和中子射線的能力，故本研究防輻射混凝土應(yīng)具有以下特點(diǎn)：①有足夠的表觀密度，同時含有充足的結(jié)晶水和輕元素；②防止產(chǎn)生二次輻射，嚴(yán)格控制混凝土原材料中的有害元素含量；③防輻射混凝土長期處于高輻射狀態(tài)，各種環(huán)境輻射熱量會引起混凝土內(nèi)部溫度升高，對其體積穩(wěn)定性與長期耐久性要求高[3-4]。

2 防輻射混凝土試驗(yàn)研究

2.1 原材料的選擇

（1）水泥：防輻射混凝土對水泥的質(zhì)量要求非常高，要求水泥強(qiáng)度、安定性等技術(shù)指標(biāo)必須穩(wěn)定。本研究選用全椒海螺P·O42.5水泥，該水泥質(zhì)量穩(wěn)定，配制混凝土和易性好，能滿足配制防輻射混凝土的要求。具體技術(shù)性能如表1所示。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

（2）骨料：根據(jù)設(shè)計密度要求，本研究粗骨料選用滁州天長5～10 mm、10～25 mm二級配玄武巖碎石，其物理性能見表2；細(xì)骨料選用霍山中粗砂，其物理性能見表3。

表2 粗骨料的物理性能

表3 細(xì)骨料的物理性能

（3）減水劑：緩凝型高性能減水劑能有效延緩水化熱的釋放，降低水化熱放熱峰值，使混凝土水化熱釋放趨于平緩，可有效控制混凝土的里表溫差。本研究選用江蘇博特有限公司新型建材廠生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，固含量為15%，性能符合GB 50119—2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》的要求。

（4）礦物摻合料：本研究選用合肥一電廠Ⅱ級粉煤灰作礦物摻合料，其物理性能如表4所示。優(yōu)質(zhì)粉煤灰的需水量小，可減少混凝土用水量和水泥用量，提高混凝土的和易性，改善混凝土微觀結(jié)構(gòu)，并有效降低水化熱，延緩水泥水化，推遲凝結(jié)時間，有利于裂縫控制。

表4 粉煤灰的主要性能

（5）膨脹劑：選用武漢三源FQY高性能膨脹劑，該膨脹劑為硫鋁酸鈣-氧化鈣雙膨脹源復(fù)合型，在水化反應(yīng)過程中，可在鋼筋及鄰位的約束條件下產(chǎn)生一定的限制膨脹，抵消混凝土因收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，防止混凝土結(jié)構(gòu)因收縮過大導(dǎo)致開裂。

2.2 試驗(yàn)方法

拌合物性能參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測試；防輻射混凝土抗壓強(qiáng)度參照GB/T 50081—2019《混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試。

3 玄武巖防輻射混凝土配合比設(shè)計研究

3.1 試驗(yàn)配合比的確定

按JGJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》、GB50496—2009《大體積混凝土施工規(guī)范》、GB/T 50146—2014《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》等進(jìn)行配合比設(shè)計。計算C40大體積墻體混凝土的60 d抗壓強(qiáng)度，坍落度設(shè)計值為（180±20）mm。

根據(jù)設(shè)計強(qiáng)度等級計算水膠比、確定用水量和砂率，并從保障強(qiáng)度和降低水化溫升兩方面考慮，采用粉煤灰等質(zhì)量取代水泥，共擬定了粉煤灰摻量（按占膠凝材料質(zhì)量計）分別為30%、35%、40%、45%、50%五組配合比進(jìn)行試配，以確定在混凝土強(qiáng)度達(dá)標(biāo)的前提下盡可能降低水化溫升的最佳配合比。5組混凝土配合比見表5，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表5 C40混凝土試驗(yàn)配合比

表6 C40混凝土的主要性能

由表6可見，5#混凝土強(qiáng)度偏低，1#～4#混凝土的60 d抗壓強(qiáng)度均滿足設(shè)計強(qiáng)度等級要求，初始坍落度均大于200 mm，擴(kuò)展度均大于550 mm，但是3#混凝土的1 h坍落度、1 h擴(kuò)展度損失率低，1#、2#混凝土的強(qiáng)度富余較大。3#混凝土中粉煤灰摻量為40%，降低混凝土內(nèi)部溫峰作用比其他試樣明顯。從混凝土的強(qiáng)度、坍落度、擴(kuò)展度、坍落度損失率，可優(yōu)選3#、4#配合比，考慮場地、模具周轉(zhuǎn)等成本因素，最終確定3#配合比應(yīng)用于本工程大體積墻體混凝土。

3.2 絕熱溫升計算

依據(jù)優(yōu)選結(jié)果，選定強(qiáng)度滿足C40要求、水化溫升小、收縮小的3#配合比用于質(zhì)子醫(yī)院大體積墻體混凝土施工。

（1）水化熱計算：依據(jù)GB/T 50496—2009，根據(jù)配合比中的粉煤灰摻量，將水泥水化熱總量進(jìn)行折減。水泥水化熱總量計算見式（1）：

式中：Q0——水泥的水化熱總量，kJ/kg；

Q7——水泥7 d齡期的水化熱，kJ/kg；

Q3——水泥3 d齡期的水化熱，kJ/kg。

根據(jù)水泥檢測報告，本工程選用水泥的3 d、7 d水化熱分別為261.31、282.48 kJ/kg，按式（1）計算得到水泥的水化熱總量為301 kJ/kg。

配合比中的膠凝材料除了水泥還包括粉煤灰，粉煤灰對降低水化熱效果明顯，對水泥水化熱需進(jìn)行折減，其折減計算由式（2）得出：

式中：Q——膠凝材料水化熱總量，kJ/kg；

k——不同摻量摻合料水化熱調(diào)整系數(shù)，取值見表7。

表7 不同摻量摻合料水化熱調(diào)整系數(shù)

由式（2）計算得到3#配合比中膠凝材料水化熱總量為247 kJ/kg。

（2）混凝土的絕熱溫升：因水泥水化熱引起混凝土的絕熱溫升按式（3）計算：

式中：T（t）——混凝土齡期為t時的絕熱溫升，℃；

W——混凝土中膠凝材料用量，kg/m3；

C——混凝土的比熱，取1.0 kJ/（kg·℃）；

ρ——混凝土的質(zhì)量密度，kg/m3；

m——與水泥品種、澆筑溫度等有關(guān)的系數(shù)，取0.4；

t——混凝土齡期，d。

混凝土的密度為2480 kg/m3，由膠凝材料水化熱總量計算混凝土的最終絕熱溫升為40.8℃。符合GB 50496—2009中溫升不宜大于50℃的規(guī)定。根據(jù)澆筑時的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，混凝土入模溫度約為30℃，這樣，混凝土的最終溫度最高值約達(dá)70℃，因此，需要對該大體積墻體混凝土工程進(jìn)行溫度監(jiān)測，重視混凝土工程的開裂問題。

根據(jù)對限制膨脹率要求，確定膨脹劑摻量為30 kg/m3，等量取代粉煤灰，調(diào)整后的基準(zhǔn)混凝土配合比見表8，坍落度為180 mm。

表8 泵送C40基準(zhǔn)混凝土的配合比 kg/m3

4 防輻射混凝土施工

4.1 質(zhì)量保證措施

從施工方案、入模溫度、保溫措施及養(yǎng)護(hù)措施4個方面控制大體積墻體混凝土的內(nèi)部溫峰和降溫速率。

（1）施工方案。本工程混凝土墻體預(yù)制構(gòu)件為大體積防輻射混凝土結(jié)構(gòu)，為多處截面突變的異形結(jié)構(gòu)，施工方案需經(jīng)過多方共同驗(yàn)證。

（2）入模溫度。通過降低混凝土原材料溫度達(dá)到降低混凝土出機(jī)溫度從而降低入模溫度的目的。將水泥、粉煤灰等粉料提前入庫，在較低環(huán)境溫度作用下，經(jīng)過較長時間預(yù)置，充分降低粉料溫度；在料倉中單獨(dú)劃分一定區(qū)域用于存儲本工程所需砂、石集料，保證砂、石產(chǎn)地一致并封閉處理，保證砂、石質(zhì)量且將砂、石集料在料倉中存儲一定時間，使砂、石集料溫度經(jīng)環(huán)境低溫實(shí)現(xiàn)預(yù)冷卻效果。

（3）保溫措施。本工程混凝土于秋冬季澆筑施工，環(huán)境溫度處于明顯下降階段，且鋼模板降溫速率較快，必須做好保溫措施，根據(jù)實(shí)時監(jiān)測的里表溫差調(diào)整保溫措施，在鋼模板外壁敷設(shè)毛氈等保溫材料；拆模后一層采用塑料薄膜包裹以防止水分散失，二層采用毛氈進(jìn)行覆蓋保溫。實(shí)際實(shí)施過程中，保溫層厚度根據(jù)實(shí)時監(jiān)測的里表溫差而調(diào)整，確保保溫效果。

（4）養(yǎng)護(hù)措施?；炷猎跐仓戤叾文鎵簩?shí)后應(yīng)及時覆蓋保溫材料。新澆混凝土早期水化較快，及時噴灑混凝土減蒸劑、覆蓋塑料薄膜達(dá)到保溫保濕養(yǎng)護(hù)的效果，避免混凝土表面水分散失過快而出現(xiàn)干縮裂縫。

4.2 混凝土澆筑

現(xiàn)場混凝土澆筑時，應(yīng)派駐專業(yè)的材料工程師進(jìn)行全程質(zhì)量跟蹤，主要包括：檢測混凝土施工性能，埋設(shè)應(yīng)變計及溫度傳感器，監(jiān)測溫度變化，記錄澆筑開始時間及結(jié)束時間，有無澆筑間歇，澆筑順序，混凝土和易性等性能，入模及環(huán)境溫度，振搗及有無加水等異常情況，并提出整改意見。

具體混凝澆筑過程中需注意以下幾點(diǎn)：

（1）混凝土澆筑過程中應(yīng)根據(jù)泵送及澆筑狀態(tài)，判斷混凝土的流動性，仔細(xì)觀察有無泌水離析等現(xiàn)象，并根據(jù)現(xiàn)場混凝土狀態(tài)，提出調(diào)整意見。

（2）通過混凝土結(jié)構(gòu)中埋設(shè)的傳感器采集溫度變化情況，測試混凝土的入模溫度，記錄入模溫度及環(huán)境溫度，實(shí)時監(jiān)測溫度變化，指導(dǎo)施工養(yǎng)護(hù)。

（3）嚴(yán)禁工人私自加水，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有工人加水時，應(yīng)立即阻止，并及時向現(xiàn)場施工人員反應(yīng)。

（4）記錄每段澆筑間歇的時間。混凝土接茬時間不得超過混凝土初凝時間，避免出現(xiàn)施工冷縫，造成射線滲漏隱患。提前制定混凝土施工應(yīng)急處理預(yù)案。

（5）針對本項目坍落度較小，為保證混凝土密實(shí)度，混凝土應(yīng)分散布料，水平分層澆筑，分層厚度每層應(yīng)不超過500 mm，澆筑從低處向高處進(jìn)行，隨澆隨振搗。

（6）混凝土要依次振搗密實(shí)，不能漏振、欠振，也不可過振。振搗時，快插慢撥，振點(diǎn)布置要均勻，需要水平分層振搗，振搗時間以混凝土泛漿，不出氣泡為止。在施工縫、預(yù)埋件及穿墻管道處應(yīng)加強(qiáng)振搗，以免振搗不實(shí)，造成滲水通道。振搗時應(yīng)盡量不觸及模板和鋼筋，以防止其移位、變形，嚴(yán)禁用振搗棒別鋼筋下料。

（7）平面構(gòu)件及時進(jìn)行混凝土二次抹面及塑料薄膜覆蓋，并應(yīng)確保塑料薄膜與混凝土表面緊密粘貼，相鄰薄膜之間搭接至少5 cm，不出現(xiàn)空鼓，不出現(xiàn)漏蓋。

4.3 養(yǎng)護(hù)制度

由于本項目施工主要在10~12月份之間，特采取如下養(yǎng)護(hù)方案：

（1）拆模時間：一般情況，大風(fēng)或氣溫急劇變化時不進(jìn)行拆模。在秋冬季期施工，采取逐段拆模、邊拆邊蓋的拆模工藝。根據(jù)內(nèi)部測得溫度可在2~3 d拆模（具體根據(jù)測試數(shù)據(jù)調(diào)整），拆模時間可選擇在10：00~16：00之間，盡量降低混凝土表面與環(huán)境溫差。

（2）養(yǎng)護(hù)方式：在混凝土澆筑完畢后，關(guān)注外界環(huán)境及混凝土內(nèi)外溫度的變化，控制好混凝土降溫梯度，避免出現(xiàn)裂紋。施工時拆模前養(yǎng)護(hù)期間在模板外側(cè)搭設(shè)遮陽設(shè)施，防止陽光直射模板。并做好養(yǎng)護(hù)過程的記錄。根據(jù)內(nèi)部溫度情況，內(nèi)覆薄膜隨抹隨覆蓋，并覆蓋土工布保溫保濕養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間不得少于14 d。

5 效果評價

對質(zhì)子醫(yī)院C40大體積墻體混凝土進(jìn)行生產(chǎn)原材料、施工方法和保溫措施等進(jìn)行嚴(yán)格控制，并通過現(xiàn)場溫度實(shí)時檢測，系統(tǒng)地研究了C40大體積混凝土的質(zhì)量控制方法，施工達(dá)到了設(shè)計要求，混凝土的工作性、強(qiáng)度、密度達(dá)到了預(yù)期效果，大體積墻體未出現(xiàn)有害裂縫。C40大體積混凝土的性能見表9。

表9 C40大體積混凝土的性能

混凝土運(yùn)輸至現(xiàn)場坍落度為180～220 mm，和易性良好，無泌水離析現(xiàn)象。生產(chǎn)留樣試件強(qiáng)度滿足設(shè)計要求，且完全滿足防輻射功能要求。