大體積防輻射混凝土配合比設計與優化*

王 龍,馬柏隆,吳 寒,趙 博

(1.中冶天工集團有限公司,天津 300308; 2.天津大學建筑工程學院,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致混凝土性能差異較大,在施工和使用過程中可能產生裂縫,降低屏蔽性能,所以進行防輻射混凝土配合比優化研究對于保障具有特殊用途的醫療建筑的使用安全具有重要意義。我國目前對防輻射混凝土性能的系統研究還很少。伍崇明[2]、陳清己[3]對屏蔽混凝土的配合比、性能和施工工藝等進行了深入研究;陳友治等[4]研究了不同含硼添加劑對水泥漿體性能的影響;李國剛等[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]通過試驗研究得到了力學性能好、射線防護性能強的重晶石防輻射混凝土最優配合比;孫濤等[7]通過研究發現鋼渣、鋼鍛單摻、鋼鍛與碎石結合可提升防輻射混凝土抗沖擊性能;郭文強等[8]研究了不同骨料對防輻射混凝土屏蔽性能的影響;董騰等[9]通過試驗研究了鉛鋅原礦石骨料對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裂。本文根據中國醫學科學院腫瘤醫院分院(廊坊院區,以下簡稱“廊坊腫瘤醫院”)直線加速器室建設的具體情況,開展防輻射混凝土配合比設計研究,并考慮造價的影響,得到最優配合比。

1 原材料性能試驗

廊坊腫瘤醫院直線加速器室用來放置粒子加速器和含放射源裝置,其運行過程中產生的輻射較強,為避免對外界環境的影響,采用防輻射混凝土作為防護材料的現澆鋼筋混凝土結構。直線加速器室位于地下1層,包括A,B,C,D 4個區域,其中A區結構尺寸最大,墻體厚1～3m,高6m;頂板和底板厚度分別為1.7,1m,長106m,寬15m。墻體和頂板混凝土強度等級為C30,底板為C35,混凝土用量約8 600m3。

1.1 細骨料性能試驗

砂的級配和粗細程度對水泥用量、混凝土均勻密實性影響顯著,大體積混凝土配制宜選用中砂。砂的含泥量對砂漿的流動性、保水性、強度、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GB/T 14684—2011《建設用砂》規定,兩種河砂的篩分析、含水率和含泥量試驗結果如表1所示。由表1可知,兩種河砂細度模數接近,均在2.3～3.0,顆粒級配和粗細程度相當,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準》要求含泥量不應大于3.0%,因此選用第2種河砂。

1.2 粗骨料性能試驗

碎石級配對節約水泥、混凝土拌合物和易性及混凝土強度有很大影響。防輻射混凝土常用粗骨料最大粒徑不宜超過40mm,多采用石英砂,部分用碎石和礫石。根據GB/T 14685—2011《建設用卵石、碎石》要求,兩種碎石的篩分析、含水率和含泥量試驗結果如表2所示。由表2可知,兩種碎石公稱粒徑連續級配均為5～31.5mm,顆粒級配良好;含水率均為0.2%,性能相同;第1種碎石含泥量較高。《大體積混凝土施工標準》要求粗骨料宜為連續級配,最大公稱粒徑不宜小于31.5mm,含泥量不應大于1.0%,因此選用第2種碎石。

表2 碎石性能試驗結果

1.3 減水劑性能試驗

改變減水劑種類,采用初設混凝土配合比,開展混凝土拌合物坍落度試驗。根據GB 50119—2013《混凝土外加劑應用技術規范》要求,通過測定混凝土拌合物坍落度評定其流動性,通過觀察拌合物含砂、保水和黏聚狀況評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結果如表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。《大體積混凝土施工標準》要求現場施工混凝土坍落度大于180mm,因此選用第1種減水劑。

表3 減水劑性能試驗結果

1.4 膨脹劑性能試驗

改變膨脹劑種類,采用初設混凝土配合比,開展補償收縮混凝土限制膨脹率測定試驗。使用千分表測定水中1,3,5,7d的試件長度,不同齡期補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值較大,增長趨勢也相似,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部溫度較高產生壓縮應力,混凝土表面溫度較低產生拉應力,溫差過大時拉應力超過混凝土抗拉強度將產生裂紋,因此,選用第2種膨脹劑。

1.5 水泥性能試驗

水泥水化熱越大,導致混凝土溫度越高,其開裂風險越大。強度等級高的水泥顆粒太細、水化速度較快,水化收縮率相對較大,混凝土易開裂,因此宜采用水化熱較低、強度等級在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度試驗結果如表4所示。

表4 不同齡期水泥膠砂抗折強度

由表4可知,3種水泥膠砂3d,28d的抗折強度均大于GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》要求的3.5MPa和6.5MPa,強度等級差別不大,需進一步進行抗壓強度試驗,試驗結果如表5所示。

表5 3種水泥膠砂抗壓強度

由表5可知,3種水泥膠砂28d抗壓強度均在42.5～52.5MPa范圍內,其強度等級均為42.5MPa;普通水泥膠砂28d抗壓強度與規范限值42.5MPa接近,硅酸鹽水泥和中熱水泥強度等級接近,需進一步比較硅酸鹽水泥與中熱水泥的水化熱指標,水化熱試驗結果如表6所示。

表6 水泥水化熱試驗結果

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、粒化高爐礦渣粉(簡稱礦粉)。拌制混凝土和砂漿用粉煤灰有F類和C類,GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》將其分為I級、II級和Ⅲ級。C類粉煤灰中往往含有游離氧化鈣,用作混凝土摻合料時須定期對其體積安定性進行合格檢驗,為便于現場施工,選用F類I級粉煤灰。GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》將礦粉分為S105,S95和S75 3個等級,選用性能穩定、應用廣泛的S95等級。

2 大體積防輻射混凝土配合比設計與優化

2.1 配合比設計

依據JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規程》進行混凝土配合比設計。墻體和頂板混凝土強度等級為C30,底板為C35,按照規程要求墻體和頂板加強帶部位須提升一個強度等級,因此共設計7種不同強度等級混凝土配合比,如表7所示。

表7 不同強度等級混凝土配合比

分別對7種不同配合比混凝土進行試驗,比較其性能,優化配合比設計。

2.2 混凝土力學性能試驗

根據GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》,測定標準條件下養護3,7,28,60,90d的混凝土立方體抗壓強度,結果如表8和圖2所示。

圖2 不同配合比混凝土抗壓強度曲線

表8 不同配合比混凝土抗壓強度試驗結果

由圖2可知,所有配合比混凝土的28,60,90d抗壓強度均滿足要求;C30-1,C30-2的28d抗壓強度約為52,47MPa,說明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抗壓強度很接近,28d抗壓強度約為57,47MPa,說明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,導致其90d抗壓強度曲線持續上升,數值偏大,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抗壓強度接近或大于60MPa,60d抗壓強度大于64MPa,數值明顯偏大,90d抗壓強度大于70MPa,曲線持續上升,數值持續偏大,與C35-3試驗結果比較可知,其水灰比偏小、水泥用量偏大,因此底板加強帶混凝土選用C40-1。調整后的混凝土配合比如表9所示。

表9 混凝土調整后配合比

2.3 混凝土抗滲性能試驗

混凝土結構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,須保證結構不受地下水侵蝕。按表9的配合比制備混凝土試件,根據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期和耐久性能試驗方法標準》規定進行抗水滲透試驗,確定混凝土抗滲等級。試驗結果表明,水壓力為1.2MPa時不同配合比的6個混凝土試件均未出現滲水現象,表明混凝土達到P12抗滲等級,抗水滲透性能良好。

2.4 混凝土絕熱溫升試驗

混凝土的水化反應主要為水與水泥、礦粉、粉煤灰等膠凝材料發生化學反應產生熱量,為保證混凝土水化反應后溫度較低,需測定混凝土的熱力學參數。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行絕熱溫升試驗,試驗結果如圖3所示。當混凝土周圍沒有任何散熱條件,即在沒有任何熱量損耗的情況下,混凝土中心溫度是水化反應后產生全部熱量轉化的溫度上升,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天時中心溫度分別達到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45℃。

經計算,第3天時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%,說明混凝土水化反應產生熱量引起的溫度上升主要集中在前3天,第3～6天水化反應明顯減弱,第6天以后水化反應基本結束。

2.5 混凝土最優配合比

由于墻體混凝土澆筑量較大,現場施工發現礦粉含量較高導致混凝土表面光滑,不利于鑿毛、接槎,影響混凝土黏結牢固性。因此選用粉煤灰等量替代礦粉,得到墻體、頂板及其加強帶部位混凝土的最優配合比,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釋放熱量基本不變。最優配合比混凝土的抗壓強度如表11所示,性能指標如表12所示,均滿足要求。最優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 混凝土最優配合比

表11 最優配合比混凝土抗壓強度

表12 最優配合比混凝土性能指標

以中國醫學科學院腫瘤醫院分院(廊坊院區)直線加速器室的建設為工程背景,本文提出的大體積防輻射混凝土配合比設計已應用到該工程項目,施工過程及后期的現場監測均表明采用優化設計的大體積混凝土工作狀態良好,滿足使用要求。

3 結語

本文通過試驗研究選擇大體積防輻射混凝土性能優質組成材料,經過調整確定了混凝土最優配合比,主要得到以下結論。

1)基于粗細骨料、減水劑、膨脹劑和水泥等原材料性能試驗結果,選擇了高性能優質的原材料,從微觀上保證了防輻射混凝土的主要性能。

2)通過混凝土抗壓、抗水滲透和絕熱溫升等試驗,對配合比進行優化,得到防輻射混凝土最優配合比,提升防輻射混凝土的主要性能和施工質量。

3)防輻射混凝土最優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)所設計的防輻射混凝土配合比可為類似工程建設提供參考。