重晶石防辐射混凝土的试验配制及工程应用

2020-12-24梁国强孙飞鹏上海建工材料工程有限公司技术质量部上海200086

建筑科技 2020年3期

梁国强 ,孙飞鹏（上海建工材料工程有限公司技术质量部，上海 200086）

随着医疗科技的发展，直线加速器作为一种新兴科技产品在放射治疗过程中被大量应用。直线加速器虽然对相关疾病的医治效果良好，但伴随其使用，会大量产生电子线、X 射线、γ 射线、中子射线等高能电子辐射，其对周围人群造成的伤害，不能忽视。以混凝土结构作为屏蔽辐射的屏障，无疑是十分经济的。重晶石防辐射混凝土是一种以采用硫酸钡含量≥85%，且结合水较多的矿石—重晶石作为粗细集料拌制而成的混凝土。其通过加大混凝土的表观密度和密实度，以达到进一步提高防辐射能力的目的。

1 工程概况

某医院新建项目（一期），总建筑面积 158 769 m2。建设内容包括 12 层高主楼、3 层高辅楼以及整个场地下的 3 层地下室。本工程地下结构形式为钢筋混凝土框架剪力墙结构，其中涉及重晶石混凝土浇捣的区域为 B 1 层南侧的射波刀设备（一种直线加速器的改进形式）专用房间，整体重晶石混凝土用量约为 2 200 m³，顶板与底板厚 2 500 mm，侧墙厚 2 000 mm。重晶石混凝土设计强度为 C 40（龄期为 28 d），要求混凝土表观密度 ≥3 200 kg/m³。

2 试验配制

2.1 配合比设计思路

配合比设计，应从 4 方面加以综合考虑。

(1) 表观密度：普通混凝土一般表观密度为 2 400 kg/m³ 左右。重晶石混凝土表观密度则为 2 800～3 600 kg/m³，表观密度的增加通常通过粗细集料选用重晶石和重晶砂来实现。3 200 kg/m³ 的要求在重晶石混凝土里并不算高，因此可以考虑用天然集料替代部分重晶砂石。

(2) 水化热控制：顶板、底板以及侧墙的厚度都大大超过了 1 000 mm，属于大体积混凝土结构，则水化热的控制就必须予以关注了。在胶凝材料中加入部分外掺料是降低混凝土水化热的常见措施，同时由于 C 40 的较高设计强度，又为水泥品种的确定提供了 42.5 和 52.5 两个选择。这里经常有一个认识上的误区，就是往往认为 52.5 水泥的水化热要高于 42.5 水泥，实际上我们要控制的是混凝土的水化热，配合比设计中单位体积混凝土中的水泥用量的多少同样对水化热有影响。当采用 52.5 水泥，用量大大少于使用 42.5 水泥时，配合外掺料的作用，水化热未必更高。

(3) 力学性能：最重要的指标是 28 d 龄期的立方体抗压强度。重晶石的性脆易碎特性，使其成为重晶石混凝土强度上的瓶颈，所以少量使用天然集料在有利于成本控制的同时（重晶石的价格大大高于天然集料），对强度的提高也有一定的助益。这一点同样有利于对表观密度的控制。

(4) 工作性：由于重晶石混凝土重晶石表观密度较大，集料在混凝土拌合物中易发生下沉，导致混凝土离析现象的产生。选用合适的外加剂，掺入一定量的外掺料，采用恰当的砂率，改善拌合物的和易性，控制入模坍落度（预估商品混凝土运输而发生的经时坍损）等也应作为配合比确定的影响因素。

以上 4 方面的思考，需通过混凝土小样的试配来加以论证。第 1 组试配的对比，以配合比是否采用天然砂替代部分重晶砂（两者比例为 1∶3）为考量因素；第 2 组对比，以配合比分别采用 42.5 水泥和 52.5 水泥为考量因素。两组对比，在确保混凝土表观密度要求的前提下，重点观察混凝土的强度和工作性。

2.2 原材料的选取

(1) 水泥：选用了承担混凝土供应任务的搅拌站常用的江苏金峰的 P.O 52.5 水泥和 P.O 42.5 水泥。大品牌常规型号水泥的使用，保证了水泥质量的稳定性，也有利于搅拌站筒仓的最大利用率。从复试的检测数据（表 1）来看，这两种水泥的质量还是相当可靠的。

表1 P.O 52.5 及 P.O 42.5 水泥检测数据

(2) 外掺料：选用上海宝田的 S 95 级矿粉。其 28 d 的活性指数比，常年稳定在 100% 以上，在降低水化热、改善和易性的同时，确保对 28 d 强度无影响；而且从更长龄期的表现来看，掺入合格 S 95 矿粉的混凝土后期强度增长更是高于使用纯水泥的混凝土。

(3) 外加剂：选用上海建工麦斯特公司的聚羧酸-高性能减水剂 MGS 8325。匀质性指标：含固量达到 19.73%，砂浆减水率为 20.0%。其不仅通过高减水率，大大降低胶凝材料用量，而且兼具优秀的保坍性能。

(4) 集料：为了满足 3 200 kg/m³ 的表观密度，选用出产地为陕西的重晶石和重晶砂；并选用芜湖国庆的河砂来替代部分重晶砂，河砂的细度模数为 2.4，属 II 区砂，含泥量 1.1%。

重晶石粗集料（简称重晶石）：采用硫酸钡含量 ≥85% 的重晶石矿石压碎制成的 5～25 mm 碎石（物理性能指标见表 2）。

重晶石细集料（简称重晶砂）：由重晶石矿石压碎、筛分， 75 μm ≤ 粒径＜4.75 mm 的颗粒（物理性能指标见表3）。

表2 重晶石物理性能指标

表3 重晶砂物理性能指标

2.3 小样试配

依据 GB/T 50557—2010《重晶石防辐射混凝土应用技术规范》以及 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》的相关规定，对 C 40 重晶石混凝土进行配合比设计，设计坍落度（160 ± 30）mm，表观密度 ≥3 200 kg/m³。

根据需论证的配合比以是否用天然砂替代部分重晶砂，以及不同强度等级的水泥种类作为主要考量的因素，分别设计配合比。

单个配合比设计过程中，有两个参数也应重点考虑。其一，商品混凝土的运输距离、经时坍损。为保证入模坍落度，需适当放大试验坍落度。其二，重晶石混凝土因自重大易发生离析，可选取较大的砂率，以此改善混凝土的匀质性和和易性。较大的砂率对浆体的需求量大，在较高强度混凝土中，胶凝材料相对较多，恰巧迎合了这一点。

在综合考虑各项条件后，设计了以下 4 个重晶石混凝土配合比，并加以小样试配，见表 4。

表4 重晶石混凝土试验配合比

2.4 试验结果分析

试验结果，见表 5。

表5 重晶石混凝土试验结果

结果分析：

(1) 和易性：对比配比 A-1 与 A-2、B-1 与 B-2 两组的拌合物状态可见，由于重晶石矿石性脆易碎的特点，因此重晶砂中的粉状颗粒较多，在颗粒级配方面，往往不入区，而通过合格的天然 II 区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) 强度：由配比 A-1 与 A-2、B-1 与 B-2 两组对比可见，仅仅天然砂替代部分重晶砂，对混凝土强度基本无影响。

(3) 由配比 A-1 与 B-1、A-2 与 B-2 两组对比可见，同种类型的 52.5 水泥和 42.5 水泥在水胶比相近时，强度基本无差别，而水泥的使用量却能够大大地降低。在水泥用量差别如此巨大的情况下，无疑使用 52.5 水泥更有利于水化热的降低。

(4) 坍落度：由 4 个配比的实测坍落度及拌合物状态可见，得益于聚羧酸类高性能减水剂的良好性能，在用水量较低的情况下，依然能获得大坍落度，并能保证一定的和易性，在配置较高强度的泵送混凝土时，可优先考虑。

综合小样的试验结果，确定配合比 A-2 为用于工程施工的重晶石防辐射混凝土的配合比。

3 工程应用

上海建工材料工程有限公司第四分公司在参考了试配试验结果后，于 2019 年 8 月～10 月的供应过程中，又采取了如下质量保证措施。

(1) 生产控制：采用 3 m³ 强制搅拌机，实际单次拌制量为 2 m³，搅拌时间设置为 120 s。重晶石混凝土较大的表观密度，导致和易性不易保证，单次拌制量的减少、搅拌时间的延长均有利于混凝土拌透拌匀。更重要的是，聚羧酸-高性能减水剂所拌制的混凝土，如搅拌时间较短，经常会出现坍落度“倒大”现象，使得运至施工现场的混凝土发生离析。

(2) 泵送：泵送设备采用了 1 台 62 m 臂架式汽车泵。超长的臂长决定了泵车必须以更大的输出功率加以匹配，满足重晶石混凝土 3 200 kg/m³这一大大超出普通混凝土表观密度的特性；同时也确保了商品混凝土能顺利地浇筑于各个结构部位。

(3) 拌合物表观密度的控制：为了确保重晶石混凝土的表观密度，除了每次混凝土供应时，均进行拌合物的表观密度检测以外，还采用经校准合格的标准 150 mm×150 mm×150 mm 钢试模制作混凝土试件，对硬化后的混凝土实体进行表观密度复检，确保了所供重晶石混凝土满足表观密度要求。

(4) 出厂混凝土坍落度：利用电子计量系统，各原材料得到精确称量后，投入搅拌机搅拌。出料经检测后，需满足混凝土坍落度 ≥200 mm，方允许出厂。这使得经过半小时运输，到达施工现场的混凝土在保证和易性的同时，入模坍落度均 ≥180 mm。

历时 3 个月，共计完成 10 次混凝土供应任务。该医院项目重晶石防辐射混凝土的施工终于得以保质保量地顺利完成。经第三方检测机构的检测，各项指标均达到设计要求。