質子醫院防輻射超大尺寸混凝土施工技術

陳仕華，程錦濤，鄭松，趙博，雷堅，郭善濱

（1.深圳市建筑工務署工程管理中心，廣東 深圳 518000；2.中國建筑第二工程局有限公司華南分公司，廣東 深圳 518000）

1 工程概況

深圳市質子腫瘤治療中心項目是集腫瘤醫療、科研、教學及延伸服務為一體的腫瘤專科醫院，屬于深圳市政府的重點工程，配備了世界先進的回旋加速器及束流能量系統，設置于地下2層，即質子區，其結構模型圖如圖1所示。

圖1 質子區結構模型

為保證質子區結構的防輻射性和耐久性，墻體及樓板均為大體積防輻射混凝土，最厚處樓板達到4.68 m。根據設計要求，混凝土等級為C35P10，密度不小于2.35 t/m3，且要具有較好的抗硫酸鹽侵蝕性能。

2 工程重難點分析

2.1 針對各項性能要求進行配合比優化

質子區混凝土結構尺寸大，變截面多，易開裂；結構內部鋼筋密集、預埋管線多，需保證良好的流動性；施工時恰逢夏季，入模溫度高，開裂風險增大。結構一旦出現空鼓、貫穿性裂縫，將嚴重影響防輻射性能和耐久性能，因此，保證大體積混凝土的密實度、避免有害裂縫產生，是本工程混凝土質量控制的核心。

本工程混凝土強度等級較高，膠凝材料及水泥用量高，且對其防輻射性、耐久性、抗硫酸鹽性、抗滲性及密度均提出要求，因此，需進行配合比專項研究。

2.2 超大尺寸防輻射混凝土一次澆筑

考慮工期進度要求，計劃盡量減少施工縫，故本工程大體積防輻射混凝土均為一次性澆筑。因此，需確保混凝土內鋼筋綁扎牢靠、模板支撐體系安全可靠、澆筑過程中的施工質量保證措施周全、澆筑后的養護措施到位。

2.3 防輻射混凝土配合比研究

2.3.1 試配研究內容

本項目其他部位的普通C35混凝土為保證強度，單位水泥用量達到326 kg/m3，對于防輻射大體積混凝土要求而言用量過大。故試配中提高了粉煤灰摻量，且將常規的Ⅱ級粉煤灰更改為Ⅰ級粉煤灰。

試驗選定水泥用量190 kg/m3、200 kg/m3分別進行試配，結果表示兩者制作的試塊在和易性、坍落度及拓展度方面均無明顯差異，重度也滿足設計要求[1]。在此基礎上，為了最大限度地減少水泥水化熱，選擇將水泥的用量減少至190 kg/m3，同時粉煤灰的用量對應增加10 kg。

配合比考量的要點有：

1）考察水膠比（0.36～0.40）對混凝土工作性能和力學性能的影響，確定最佳水膠比。

2）考察單方膠材總量（380～400 kg/m3）對C35混凝土工作性能和力學性能的影響，確定混凝土的最佳膠凝材料用量。

3）考察水泥用量（190 kg/m3、200 kg/m3）對混凝土力學性能和抗裂性能的影響，確定混凝土的最佳水泥用量。

4）考察砂率對混凝土工作性能的影響，確定混凝土最佳砂率。

5）考察抗裂劑和防腐劑對混凝土抗裂性能和耐久性能的影響。

2.3.2 配合比確定

在經過試配后，確定了本項目防輻射區域的混凝土配合比，主要控制單方量的水泥用量、控制膠凝材料用量，采用混凝土60 d的強度作為混凝土配合比設計、混凝土強度評定及工程驗收的依據。

混凝土配合比（單位為kg/m3）：水∶水泥∶砂∶5～25 mm石子∶Ⅰ級粉煤灰∶膨脹劑∶防腐劑∶減水劑=47∶190∶780∶1 042∶148∶31∶31∶5.9，水膠比為0.4。

2.3.3 1∶1模擬實驗

為保證現場超大尺寸混凝土一次澆筑的順利實施，特進行1∶1足尺模擬實驗，如圖2所示，通過BIM模型指導施工。例如，鋼筋的綁扎、機電預埋、現場實際澆筑以及混凝土養護等，全過程模擬實際施工的工況。

圖2 1∶1模擬試驗過程

1）土建選取了本項目混凝土結構尺寸最大位置4.68 m。

2）機電選取了本項目所有機電預埋管線及最密集處，16根DN65 mm電 氣 預 埋 管，6根DN100 mm電 氣 預 埋 管，3根DN65 mm電 氣 預 埋 管，2根DN200 mm電 氣 預 埋 管，4根DN100 mm排水管道，1根工藝冷卻水管道含保溫DN125 mm。

3）配合比選取了項目優化后的配合比。

4）運用測溫儀器及應變計，考察澆筑過程的溫度及內部應力變化。

1∶1模擬試驗混凝土澆筑成型質量較好，表面無裂縫。其中，7 d齡期的混凝土立方體抗壓強度27 MPa，滿足設計C35強度等級要求。

整個施工過程中最高溫度達67.2℃，前3 d溫度達到頂峰，第4 d以后進入降溫階段，拆模前后，中心區域的平均降溫速率分別為0.98℃/d、2℃/d，邊緣位置拆模前后的平均降溫速率為1.0℃/d。降溫速率均滿足≤2℃/d的設定溫控目標。

整個施工過程中產生了170～350 με的膨脹微應變，且逐漸趨于穩定，在溫降階段，膨脹劑補償了溫降收縮，起到了預防溫度裂縫的作用。施工完成后，將位于最下端的混凝土結構切開，驗證管道密實度，其結果達到設計要求。

3 混凝土拌和用冷卻水

為了降低混凝土的入模溫度，必須有效控制混凝土出機溫度。采用最先進的冷水機操作系統以及高效螺桿壓縮機、高效殼管式換熱器和艾默生膨脹閥體。機組通過智能管理系統，配備各種保護裝置，使機組在混凝土攪拌時，可以將溫度控制在25℃左右。

4 大截面混凝土一次澆筑

因混凝土樓板截面尺寸過大，項目考慮了兩種澆筑方式，一種為先澆筑800～900 mm，待下部板達到一定強度后，再澆筑上部板結構，可節約模架材料利于拆模；另一種為整體澆筑，需選用重型支模材料，后續拆模效率低。通過對比分析，分開兩次澆筑時，會導致施工縫清理難度大，鋼筋污染嚴重，施工縫清理不干凈會對成型質量造成影響，故選用一次澆筑，優化下部支模體系的澆筑方式。

4.1 一次澆筑的混凝土控制要點

混凝土澆筑過程中，嚴格按照500 mm進行分層，實時測量，每個泵點達到高度即可移動位置。嚴格要求下料高度不高于混凝土1.5 m。因其防輻射要求，施工縫留設時需設置企口，在墻體位置的施工縫留設好企口后，將其表面清鑿后進行沖洗，保證施工縫位置不在一條直線，確保防輻射要求。

4.2 一次澆筑的支模及鋼筋支撐體系

因本工程大截面樓板鋼筋量大，如4 680 mm樓板其面筋為C28 mm@100 mm，共有4層，底筋也為4層，中間層還有3層抗裂鋼筋。故鋼筋支撐采用立柱18#槽鋼@1.5 m，橫梁同中間層抗裂鋼筋截面，并同槽鋼焊接，確保鋼筋支撐的整體剛度，為澆筑混凝土的安全提供保障，如圖3所示。

圖3 鋼筋支撐體系

混凝土澆筑時，下部高大模板支撐體系尤為重要，其中，超過2 m的樓板采用60重型盤扣，如圖4所示，間距600 mm×600 mm，標準步距1 500 mm，頂層步距1 000 mm，主梁采用12號工字鋼，小梁采用50 mm方通，間距150 mm，并且為了方便模板的拼接，在小梁位置增加木方。

圖4 重型盤扣支撐體系（單位：mm）

4.3 混凝土養護

混凝土的養護在整個工程中耗時最長，而且對混凝土質量影響最大。為保證混凝土得以正常或加速其硬化和強度增長，采用如下養護措施[2-3]：

1）水平養護采用薄膜+蓄水養護，養護不少于14 d。

2）墻體養護采用帶模+噴淋養護，養護不少于14 d。

3）養護時，在支模體系中設置噴淋系統，養護用水采用加熱的同混凝土表面溫度的水，嚴禁自來水直接養護，避免使其冷水直接沖擊混凝土表面，使得表面溫度驟降從而產生裂縫。

5 結語

質子中心在防輻射設計時采用了超大截面混凝土作為輻射屏蔽的材料，且大體積混凝土不僅存在于底板，地下室整個質子區的結構均為大體積混凝土。相較于同類質子醫院，截面尺寸如此大的防輻射混凝土仍屬罕見。本工程厚板結構均采用一次性澆筑完成，經過上述周密的策劃及充分的前期準備工作，深圳市質子腫瘤治療中心項目克服了超大截面混凝土的施工難點，在所有的防輻射超大尺寸混凝土結構施工后，表面無孔洞及裂縫等缺陷，施工質量良好。一次性澆筑完成厚板結構澆筑提高了施工的效率，節約工期及成本，為后續防輻射混凝土結構施工提供參考和借鑒。