防輻射大體積混凝土在醫用建筑領域的應用

過海明 ，高鵬 （合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

1 引言

隨著醫學領域快速發展，治療技術提高，醫療器械廣泛應用，輻射也成為了備受關注的問題。α、β射線穿透力很弱，很難穿過被穿透物體，但是由于x、γ射線和中子射線穿透力非常強，這就要求屏蔽材料在屏蔽能力上具有特殊的要求。這些射線有很大的危害性，若射線泄漏，則會導致被輻射的人產生癌癥、白血病等一些惡性癥狀，同樣也可以誘導植物產生基因突變，這對人們的生活有很大的危害，這就讓防輻射這個成為一個熱門的話題。隨著我國科學技術的發展，在防輻射的方法上已經有很多方法。可以使用鋼板、玻璃鋼、鉛板和超厚混凝土等材料來屏蔽各種射線，但使用超厚密實混凝土是一種最為常見屏蔽的方法。

2 各組分材料的影響

2.1 膠凝材料

2.1.1 水泥

需選用低水化熱的水泥，或者減少水泥使用量，可以非常明顯有效的降低混凝土水化熱，減小混凝土由于內部和外部溫度差而導致的溫度應力，減小混凝土出現溫度裂縫的可能性[1]。低水化熱水泥早期水化速率明顯降低，水化放熱總量也明顯降低，同時改善混凝土和易性，水泥漿體長時間保持塑性初凝時間延長，既降低了工作性損失，又降低了混凝土因前期熱量過大而產生的內部外部溫度差異過大導致的裂縫。在不影響后期強度的情況下，采用低水化熱水泥，如粉煤灰水泥，礦渣硅酸鹽水泥等，這些水泥可以降低混凝土齡期溫升，水化放熱平緩，溫度峰值降低，耐久性和抗腐蝕性更佳。除此之外，也可以通過在普通硅酸鹽水泥中摻加粉煤灰、礦渣等礦物摻合料來達到混凝土相關要求。

2.1.2 礦物摻合料

在大體積混凝土中為了降低溫升，可以選用的摻合料有很多種，但是在工程中常用的是粉煤灰和礦渣。粉煤灰是煤燃燒后尾氣中細灰或者燃煤電廠排出的固體廢棄物，主要為氧化硅、氧化鈣、氧化鋁等，摻入使用既使廢棄物得到充分的利用，又改善了混凝土的性能。在大體積混凝土中采用高摻量粉煤灰，可以減少水泥的用量，減少了水化放熱總量，粉煤灰早期和后期反應程度都比較低，在嚴格控制堿度的前提下，混凝土的和易性也變好，大大降低混凝土中裂縫產生的幾率[2]。

在配合比試驗中，添加礦渣同樣可以降低混凝土早期水化放熱的量，在工程中常用S95級別礦渣，但是與粉煤灰相比不同的是，摻加礦渣的混凝土后期齡期強度略超過等比例水泥的混凝土，而摻加粉煤灰的混凝土則低于水泥混凝土的強度[3]。但是只要滿足混凝土的設計強度要求即可。摻加礦渣同樣也可以減少水泥的用量，可以在工作性能上顯著提高，降低混凝土溫升，提高混凝土的耐久性和抗腐蝕性。除此之外，在膠凝材料水化過程中還要控制溫度，因為溫度會影響材料的水化程度，影響混凝土澆筑過程中總熱量，從而對裂縫的發生有顯著影響。

粉煤灰和礦渣共同摻加，混凝土各齡期抗壓強度及拌合物和易性均較好，通過試驗數據分析可得，礦物摻合料最佳比例為水泥質量的30%～40%。[4]

2.2 骨料

骨料包括粗骨料和細骨料，在工程應用中，嚴格控制骨料的形狀，需要選擇級配良好的骨料，這樣可以使骨料的孔隙率達到最小，從而可以減少漿體的用量，還能保證混凝土和易性要求，減小產生離析現象的可能。由于要滿足防輻射要求，必須選用的骨料使混凝土滿足高密度、高密實度的要求，可以選用磁鐵礦砂，鋼珠，磁鐵礦石作為防輻射混凝土的骨料。通過試驗結果證明，以鋼珠為骨料的屏蔽能力最強，以磁鐵礦和重晶石為骨料的屏蔽能力次之，以普通砂石為骨料的屏蔽能力最低[5]。由此可得采用重骨料可以有效地增強混凝土的防輻射的能力。

2.3 外加劑

大體積混凝土澆筑過程中常見的外加劑有高效減水劑和膨脹劑。高效減水劑目前市場上種類繁多，但是基本性能都差不多，都可以在維持坍落度不變的情況下，減少拌合用水量，增強和易性，利于其泵送和澆筑。也可以減少水泥使用量，節約水泥，達到經濟性要求。同時高效減水劑對水泥、粉煤灰、石子等混凝土原材料適應性好，不會影響混凝土的后期的工作性能。并且混凝土后期抗壓強度增加效果顯著。在工程及其試驗過程中也可以對減水劑與含有緩凝、引氣組分的外加劑進行復配，提高減水效果、保坍效果、抗凍效果等[6]。從而在保證混凝土性能基礎上，達到經濟型效果。

膨脹劑具有補償混凝土收縮的作用[7]。由于礦物摻合料的摻入限制混凝土的膨脹，而膨脹劑的加入剛好補償剛好的收縮部分，從而降低了混凝土收縮可能性，降低混凝土產生裂縫產生的幾率。在我國混凝土澆筑過程中常用的膨脹劑有氧化鎂膨脹劑、硫鋁酸鈣膨脹劑、氧化鈣膨脹劑、鐵屑膨脹劑等。在實際工程中均得到廣泛的應用，但是考慮到成本，要控制好用量，這樣才能達到最佳的經濟效益，才能符合實際工程的要求。

3 配合比設計的影響

在大體積混凝土配合比設計中，通?？紤]多個因素對混凝土性能的影響，上文已經對混凝土材料性能進行闡述，下面重點對各個組分最適配比進行敘述。

可以共同考慮水膠比、礦物摻和料使用量、外加劑摻量和砂率等因素對防輻射混凝土的抗壓強度和后期工作性能影響。在配合比設計中可采用正交試驗設計法，先進行方案的設計，再對試驗結果進行分析。對影響因素進行排序，有側重的研究各種因素的影響程度，通過試驗結果數據的對比得到最佳配合比，再考慮工程實際情況，適當調節，最后在工程中進行應用。

4 結語

在防輻射大體積混凝土施工過程中裂縫問題需要嚴格控制。主要由于水化熱工程中的溫升，使混凝土溫度應力大于混凝土的抗拉應力，從而產生溫度裂縫。因此，在施工前為了減少和避免大體積混凝土結構在水化進程中產生溫度裂縫，最直接的方法就是掌握其水化溫升規律。還要從膠凝材料、骨料和外加劑本身性質入手，結合水膠比，選擇最佳配合比。為后期進行數值模擬和理論計算的溫度變化值提供理論基礎。從而推動大體積混凝土結構在施工過程中溫度控制和裂縫開展規律的研究進程。