王 龍,馬柏隆,吳 寒,趙 博

(1.中冶天工集團(tuán)有限公司,天津 300308; 2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,天津 300350)

0 引言

與普通混凝土相比,防輻射混凝土主要使用了大量防輻射摻合料、重骨料等[1],其原材料性能和配合比不同導(dǎo)致混凝土性能差異較大,在施工和使用過(guò)程中可能產(chǎn)生裂縫,降低屏蔽性能,所以進(jìn)行防輻射混凝土配合比優(yōu)化研究對(duì)于保障具有特殊用途的醫(yī)療建筑的使用安全具有重要意義。我國(guó)目前對(duì)防輻射混凝土性能的系統(tǒng)研究還很少。伍崇明[2]、陳清己[3]對(duì)屏蔽混凝土的配合比、性能和施工工藝等進(jìn)行了深入研究;陳友治等[4]研究了不同含硼添加劑對(duì)水泥漿體性能的影響;李國(guó)剛等[5]研究了所配制防核輻射高性能混凝土的抗凍、碳化、抗氯離子滲透和屏蔽性能;佘子盈[6]通過(guò)試驗(yàn)研究得到了力學(xué)性能好、射線防護(hù)性能強(qiáng)的重晶石防輻射混凝土最優(yōu)配合比;孫濤等[7]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)鋼渣、鋼鍛單摻、鋼鍛與碎石結(jié)合可提升防輻射混凝土抗沖擊性能;郭文強(qiáng)等[8]研究了不同骨料對(duì)防輻射混凝土屏蔽性能的影響;董騰等[9]通過(guò)試驗(yàn)研究了鉛鋅原礦石骨料對(duì)混凝土拌合物坍落度和射線屏蔽效果的影響;王鐵柱等[10]通過(guò)摻加礦物摻合料、緩凝型高性能減水劑等措施有效避免了混凝土開(kāi)裂。本文根據(jù)中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院分院(廊坊院區(qū),以下簡(jiǎn)稱“廊坊腫瘤醫(yī)院”)直線加速器室建設(shè)的具體情況,開(kāi)展防輻射混凝土配合比設(shè)計(jì)研究,并考慮造價(jià)的影響,得到最優(yōu)配合比。

1 原材料性能試驗(yàn)

廊坊腫瘤醫(yī)院直線加速器室用來(lái)放置粒子加速器和含放射源裝置,其運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的輻射較強(qiáng),為避免對(duì)外界環(huán)境的影響,采用防輻射混凝土作為防護(hù)材料的現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。直線加速器室位于地下1層,包括A,B,C,D 4個(gè)區(qū)域,其中A區(qū)結(jié)構(gòu)尺寸最大,墻體厚1～3m,高6m;頂板和底板厚度分別為1.7,1m,長(zhǎng)106m,寬15m。墻體和頂板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,底板為C35,混凝土用量約8 600m3。

1.1 細(xì)骨料性能試驗(yàn)

砂的級(jí)配和粗細(xì)程度對(duì)水泥用量、混凝土均勻密實(shí)性影響顯著,大體積混凝土配制宜選用中砂。砂的含泥量對(duì)砂漿的流動(dòng)性、保水性、強(qiáng)度、變形和耐久性等有不同程度的影響,需限制砂的含泥量。根據(jù)GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》規(guī)定,兩種河砂的篩分析、含水率和含泥量試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知,兩種河砂細(xì)度模數(shù)接近,均在2.3～3.0,顆粒級(jí)配和粗細(xì)程度相當(dāng),均為中砂;含水率和含泥量相差較大。GB 50496—2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》要求含泥量不應(yīng)大于3.0%,因此選用第2種河砂。

1.2 粗骨料性能試驗(yàn)

碎石級(jí)配對(duì)節(jié)約水泥、混凝土拌合物和易性及混凝土強(qiáng)度有很大影響。防輻射混凝土常用粗骨料最大粒徑不宜超過(guò)40mm,多采用石英砂,部分用碎石和礫石。根據(jù)GB/T 14685—2011《建設(shè)用卵石、碎石》要求,兩種碎石的篩分析、含水率和含泥量試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知,兩種碎石公稱粒徑連續(xù)級(jí)配均為5～31.5mm,顆粒級(jí)配良好;含水率均為0.2%,性能相同;第1種碎石含泥量較高?！洞篌w積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》要求粗骨料宜為連續(xù)級(jí)配,最大公稱粒徑不宜小于31.5mm,含泥量不應(yīng)大于1.0%,因此選用第2種碎石。

表2 碎石性能試驗(yàn)結(jié)果

1.3 減水劑性能試驗(yàn)

改變減水劑種類(lèi),采用初設(shè)混凝土配合比,開(kāi)展混凝土拌合物坍落度試驗(yàn)。根據(jù)GB 50119—2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》要求,通過(guò)測(cè)定混凝土拌合物坍落度評(píng)定其流動(dòng)性,通過(guò)觀察拌合物含砂、保水和黏聚狀況評(píng)定其保水性和黏聚性。摻加兩種緩凝型減水劑混凝土拌合物的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知,兩種減水劑拌合物的最大直徑、棍度、含砂量、保水性和黏聚性均相同;坍落度和最小直徑差異較大?！洞篌w積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》要求現(xiàn)場(chǎng)施工混凝土坍落度大于180mm,因此選用第1種減水劑。

表3 減水劑性能試驗(yàn)結(jié)果

1.4 膨脹劑性能試驗(yàn)

改變膨脹劑種類(lèi),采用初設(shè)混凝土配合比,開(kāi)展補(bǔ)償收縮混凝土限制膨脹率測(cè)定試驗(yàn)。使用千分表測(cè)定水中1,3,5,7d的試件長(zhǎng)度,不同齡期補(bǔ)償收縮混凝土限制膨脹率曲線如圖1所示。

圖1 不同齡期補(bǔ)償收縮混凝土限制膨脹率曲線

由圖1可知,摻加第1,3種膨脹劑混凝土的限制膨脹率較接近且數(shù)值較大,增長(zhǎng)趨勢(shì)也相似,前3d增大較快,之后趨于平緩;摻加第2種膨脹劑混凝土的限制膨脹率遠(yuǎn)小于其他兩種,且始終增加平緩。鑒于早期硬化階段混凝土內(nèi)部溫度較高產(chǎn)生壓縮應(yīng)力,混凝土表面溫度較低產(chǎn)生拉應(yīng)力,溫差過(guò)大時(shí)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度將產(chǎn)生裂紋,因此,選用第2種膨脹劑。

1.5 水泥性能試驗(yàn)

水泥水化熱越大,導(dǎo)致混凝土溫度越高,其開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)越大。強(qiáng)度等級(jí)高的水泥顆粒太細(xì)、水化速度較快,水化收縮率相對(duì)較大,混凝土易開(kāi)裂,因此宜采用水化熱較低、強(qiáng)度等級(jí)在32.5～42.5MPa的水泥。硅酸鹽水泥、普通水泥和中熱水泥的膠砂抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同齡期水泥膠砂抗折強(qiáng)度

由表4可知,3種水泥膠砂3d,28d的抗折強(qiáng)度均大于GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求的3.5MPa和6.5MPa,強(qiáng)度等級(jí)差別不大,需進(jìn)一步進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 3種水泥膠砂抗壓強(qiáng)度

由表5可知,3種水泥膠砂28d抗壓強(qiáng)度均在42.5～52.5MPa范圍內(nèi),其強(qiáng)度等級(jí)均為42.5MPa;普通水泥膠砂28d抗壓強(qiáng)度與規(guī)范限值42.5MPa接近,硅酸鹽水泥和中熱水泥強(qiáng)度等級(jí)接近,需進(jìn)一步比較硅酸鹽水泥與中熱水泥的水化熱指標(biāo),水化熱試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 水泥水化熱試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知,硅酸鹽水泥3d,7d水化熱值不滿足GB/T 200—2017《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥》規(guī)定3d,7d水化熱不宜大于230,260kJ/kg的要求,因此選用中熱水泥。

1.6 摻合料性能

大體積防輻射混凝土宜使用摻合料,減少水泥用量,常用的摻合料有粉煤灰、?；郀t礦渣粉(簡(jiǎn)稱礦粉)。拌制混凝土和砂漿用粉煤灰有F類(lèi)和C類(lèi),GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》將其分為I級(jí)、II級(jí)和Ⅲ級(jí)。C類(lèi)粉煤灰中往往含有游離氧化鈣,用作混凝土摻合料時(shí)須定期對(duì)其體積安定性進(jìn)行合格檢驗(yàn),為便于現(xiàn)場(chǎng)施工,選用F類(lèi)I級(jí)粉煤灰。GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的?；郀t礦渣粉》將礦粉分為S105,S95和S75 3個(gè)等級(jí),選用性能穩(wěn)定、應(yīng)用廣泛的S95等級(jí)。

2 大體積防輻射混凝土配合比設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 配合比設(shè)計(jì)

依據(jù)JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)。墻體和頂板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,底板為C35,按照規(guī)程要求墻體和頂板加強(qiáng)帶部位須提升一個(gè)強(qiáng)度等級(jí),因此共設(shè)計(jì)7種不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土配合比,如表7所示。

表7 不同強(qiáng)度等級(jí)混凝土配合比

分別對(duì)7種不同配合比混凝土進(jìn)行試驗(yàn),比較其性能,優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)。

2.2 混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)3,7,28,60,90d的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度,結(jié)果如表8和圖2所示。

圖2 不同配合比混凝土抗壓強(qiáng)度曲線

表8 不同配合比混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知,所有配合比混凝土的28,60,90d抗壓強(qiáng)度均滿足要求;C30-1,C30-2的28d抗壓強(qiáng)度約為52,47MPa,說(shuō)明C30-1的水灰比偏小,水泥和膠凝材料用量較多,因此墻體和頂板混凝土采用C30-2;C35-2,C35-3的60,90d抗壓強(qiáng)度很接近,28d抗壓強(qiáng)度約為57,47MPa,說(shuō)明C35-2水灰比偏小、水泥和膠凝材料用量較多,因此墻體和頂板加強(qiáng)帶混凝土采用C35-3;與C35-2相比,C35-1礦粉和粉煤灰用量明顯增多,導(dǎo)致其90d抗壓強(qiáng)度曲線持續(xù)上升,數(shù)值偏大,需降低其水泥和礦粉用量才能作為底板混凝土;C40-1,C40-2的28d抗壓強(qiáng)度接近或大于60MPa,60d抗壓強(qiáng)度大于64MPa,數(shù)值明顯偏大,90d抗壓強(qiáng)度大于70MPa,曲線持續(xù)上升,數(shù)值持續(xù)偏大,與C35-3試驗(yàn)結(jié)果比較可知,其水灰比偏小、水泥用量偏大,因此底板加強(qiáng)帶混凝土選用C40-1。調(diào)整后的混凝土配合比如表9所示。

表9 混凝土調(diào)整后配合比

2.3 混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性要求其具有良好的抗水滲透能力,直線加速器室位于地下1層,須保證結(jié)構(gòu)不受地下水侵蝕。按表9的配合比制備混凝土試件,根據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定進(jìn)行抗水滲透試驗(yàn),確定混凝土抗?jié)B等級(jí)。試驗(yàn)結(jié)果表明,水壓力為1.2MPa時(shí)不同配合比的6個(gè)混凝土試件均未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象,表明混凝土達(dá)到P12抗?jié)B等級(jí),抗水滲透性能良好。

2.4 混凝土絕熱溫升試驗(yàn)

混凝土的水化反應(yīng)主要為水與水泥、礦粉、粉煤灰等膠凝材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量,為保證混凝土水化反應(yīng)后溫度較低,需測(cè)定混凝土的熱力學(xué)參數(shù)。由表9可知,底板混凝土配合比中水泥和膠凝材料用量最大,所以采用該配合比制備混凝土試件進(jìn)行絕熱溫升試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。當(dāng)混凝土周?chē)鷽](méi)有任何散熱條件,即在沒(méi)有任何熱量損耗的情況下,混凝土中心溫度是水化反應(yīng)后產(chǎn)生全部熱量轉(zhuǎn)化的溫度上升,溫度峰值稱為最高絕熱溫升。

圖3 混凝土絕熱溫升時(shí)程曲線

由圖3可知,混凝土中心溫度曲線和溫升值曲線在前3天快速上升,第3～6天緩慢上升,第6天后基本保持水平;混凝土入模溫度為24.3℃,第3,6天時(shí)中心溫度分別達(dá)到51.9,55.0℃,溫升值分別為27.6,30.6℃;中心溫度峰值為55.9℃,溫升峰值為31.6℃,溫升峰值不超過(guò)45℃。

經(jīng)計(jì)算,第3天時(shí)混凝土中心溫度約為其峰值的93.0%,溫升值約為其峰值的87.5%,說(shuō)明混凝土水化反應(yīng)產(chǎn)生熱量引起的溫度上升主要集中在前3天,第3～6天水化反應(yīng)明顯減弱,第6天以后水化反應(yīng)基本結(jié)束。

2.5 混凝土最優(yōu)配合比

由于墻體混凝土澆筑量較大,現(xiàn)場(chǎng)施工發(fā)現(xiàn)礦粉含量較高導(dǎo)致混凝土表面光滑,不利于鑿毛、接槎,影響混凝土黏結(jié)牢固性。因此選用粉煤灰等量替代礦粉,得到墻體、頂板及其加強(qiáng)帶部位混凝土的最優(yōu)配合比,如表10所示。由于膠凝材料總量不變,因此替代后混凝土水化反應(yīng)釋放熱量基本不變。最優(yōu)配合比混凝土的抗壓強(qiáng)度如表11所示,性能指標(biāo)如表12所示,均滿足要求。最優(yōu)配合比中摻入了約為膠凝材料總量50%的粉煤灰,有效減少了水泥用量,降低了施工成本。

表10 混凝土最優(yōu)配合比

表11 最優(yōu)配合比混凝土抗壓強(qiáng)度

表12 最優(yōu)配合比混凝土性能指標(biāo)

以中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤醫(yī)院分院(廊坊院區(qū))直線加速器室的建設(shè)為工程背景,本文提出的大體積防輻射混凝土配合比設(shè)計(jì)已應(yīng)用到該工程項(xiàng)目,施工過(guò)程及后期的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)均表明采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的大體積混凝土工作狀態(tài)良好,滿足使用要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)試驗(yàn)研究選擇大體積防輻射混凝土性能優(yōu)質(zhì)組成材料,經(jīng)過(guò)調(diào)整確定了混凝土最優(yōu)配合比,主要得到以下結(jié)論。

1)基于粗細(xì)骨料、減水劑、膨脹劑和水泥等原材料性能試驗(yàn)結(jié)果,選擇了高性能優(yōu)質(zhì)的原材料,從微觀上保證了防輻射混凝土的主要性能。

2)通過(guò)混凝土抗壓、抗水滲透和絕熱溫升等試驗(yàn),對(duì)配合比進(jìn)行優(yōu)化,得到防輻射混凝土最優(yōu)配合比,提升防輻射混凝土的主要性能和施工質(zhì)量。

3)防輻射混凝土最優(yōu)配合比中摻入了大量粉煤灰,比例約為膠凝材料總用量的50%,有效減少了水泥用量,降低了施工成本。

4)所設(shè)計(jì)的防輻射混凝土配合比可為類(lèi)似工程建設(shè)提供參考。