Design and construction of large volume concrete for radiation protection structure

Civil Engineering and Technology December 2014, Volume 3, Issue 4, PP.62-67

Design and Construction of Large Volume Concrete for Radiation Protection Structure Fei Wang Infrastructure Division of the First Affiliated Hospital of Soochow University, Suzhou 215006, China Email: wangfei197908@126.com

Abstract According to the characteristics and requirements of radiation-proof building, this paper studied the concrete mix proportion for a large volume concrete structure which will be a special underground structure and subjected to high radiation. After providing a complete mix proportion programme, the appropriate construction quality control for large volume concrete with corresponding requirements and recommendations were presented.

Keywords: Large Volume Concrete; Radiation; Radiation Protection; Concrete Mix Proportion

大体积防辐射混凝土配合比设计与施工 王斐 苏州大学附属第一医院基建办，江苏 苏州 215006 摘 要：针对防辐射建筑特的特点和要求，本文结合具体工程，开展了一个直线加速器室的重大辐射源所在地下结构的大 体积防辐射混凝土的配合比研究，提供了完整的配合比方案。对相应的混凝土施工质量控制提出了相应的要求和相应的 建议。 关键词：大体积混凝土；放射；防辐射；混凝土配合比

引言 医用直线加速器对肿瘤疾病有良好的治疗效果，但如果防护不当，其高能电磁辐射也会给周边人员造成 伤害。为了防止射线的泄漏，除进出治疗室的各种管道和线路均应预留、预埋外，不允许成型后钻孔，更不 能有穿透的施工缝，并要严防大体积混凝土的水化热反应引起的裂缝[1]。因此，除了应做好原材料的选择和 优化配合比以及各种管道和线路的预留、预埋外，还必须做好对钢筋的绑扎、模板的安装、混凝土施工缝的 位置的留置、混凝土浇筑、原材料的选用、浇筑顺序、浇筑速度、温度控制、保养都提出了很高的要求 [2][3]

。

1

背景工作介绍 本工程为苏州大学附属第一医院平江分院一期二标段土建工程，地下 2 层，地下部分建筑面积约为

52000 平方米，地下室楼板、顶板采用的是梁板结构，地下室层高：地下二层：5.05m、5.15m、7.05m（空心 板）；地下一层：4.55m、5.0m。本工程中地下二层直线加速器室顶板厚度为 3.2 米、2..9 米、1.3 米，属于重 大危险源。此区域为 19-21 轴交 L-R 轴之间，约 13.4×45.85 平方米左右面积，2.9 米厚板分为 2 块，3.2 米厚 板分为 1 块，其余为 1.3 米厚板（见图 1）。加速区的净高为 3.9 米。 本工程的施工难点主要包括以下几点： （1）混凝土结构厚度大，属大体积混凝土范畴，应采取措施控制大体积混凝土的温度裂缝； （2）设计要求抗辐射混凝土必须连续浇筑； - 62 http://www.ivypub.org/cet

（3）抗辐射混凝土的密度不小于 2.4-2.5T/m3。 （4）顶板的厚度较大，确定施工缝的位置。 （5）后浇带的处理方式。 （6）模板工程施工难度非常大，何设计好 1300mm-3200mm 厚顶板模板支撑架和墙体模板方案，确保施 工安全和质量，保证顶板、墙板支撑系统稳定性。

图 1 地下放射源区域平面图

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大体积防辐射混凝土配合比设计

2.1 配合比设计要求和特点 对于本工程大体积抗防辐射混凝土施工，重要是：一是控制混凝土内部的温升，二是控制混凝土干容 重。根据《大体积混凝土施工技术规范》（GB50496-2009）的要求，一般情况下，温控指标宜不大于下列数 值[4][5]： 1) 混凝土浇筑块体在浇筑入模温度基础上最大温升值为 35OC； 2) 混凝土浇筑块体的内外温差为 25OC； 3) 混凝土浇筑块体的降温速度为 1.5OC/d； 4) 原《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB50204-92）也有如下规定： 5) 第 4.4.17 条规定，大体积混凝土的浇筑应合理分段分层进行，使混凝土沿高度均匀上升，浇筑宜在室 外气温较低时进行，混凝土浇筑温度不宜超过 28℃； 6) 第 4.5.3 条规定，对大体积混凝土的养护，应根据气温条件采取控温措施，并按需要测定浇筑后的混 凝土表面和内部温度，将温差控制在设计要求的范围以内，当设计无要求时，温差不宜超过 25℃。 基于上述特点，要控制混凝土内部温升，根本的一条就是控制混凝土的水泥用量，做好配合比设计。在 这一方面，目前一般采取以下措施[6]： 1) 优选水泥品种，本工程侧墙板、顶板，因水化热过高引起的混凝土自约束裂缝的可能性较小。根据 本工程实际情况，采用普通硅酸盐水泥。 2) 在混凝土中添加掺合料，改善混凝土性能，降低水泥用量，减少水化热；本次配合比中，考虑内掺 50Kg 粉煤灰，等量替代 50Kg 水泥，掺量约为 13%。 3) 在混凝土中根据施工的不同需要添加外加剂，如 JM-Ⅲ混凝土高效增强剂（缓凝、泵送，改善混凝土 - 63 http://www.ivypub.org/cet

性能，推迟温升高峰的来临），微膨胀剂等。 4) 针对已确定的配合比设计，进行温升计算，从理论上初步确定是否需要采取降温措施。

2.2 原材料选用 水泥：采用 PO.42.5 普通硅酸盐水泥和高效混凝土掺合料，其质量应符合 GB175－1999《硅酸盐水泥、 普通硅酸盐水泥》的相关要求。也可采用其他密度较大、耐热性能好、低水化热的水泥。 碎石、砂：表观密度要求在 2400kg/m3 以上，内含石膏或黄铁矿的硫化物及硫酸化合物不超过 7％，碎 石含泥量≤1％。 拌合用水：混凝土拌合用水应符合 JGJ63-89《混凝土拌合用水标准》的相关要求。 外加剂：泵送剂、减水剂和膨胀剂质量应符合 GB50119－2003《混凝土外加剂应用技术规程》的相关要 求。 配制过程中采用的原材料为： 1) 水泥：金峰 P.O42.5，金峰 P.O52.5 或南方 P.O42.5 2) 粉煤灰：望亭发电厂Ⅰ级 3) 矿粉：安徽马嘉建材有限公司 S95 4) 砂：天然砂Ⅱ区 5) 碎石：浙江湖州 5-25MM 6) 泵送减水剂：浙江五龙化工有限公司 ZWL-A-Ⅸ聚羧酸系列高效（实际采用） 7) 膨胀剂：南京苏博特 JM-Ⅲ（D）低碱型（实际采用）和武汉三源 SY-JMⅢ 8) 聚丙烯纤维：南京派尼尔聚丙烯纤维 （实际采用）和武汉三源纤维

2.3 混凝土配合比设计 该直线加速区混凝土设计强度等级为 C35，C45、C60 三个等级，采用中砂、5～25mm 石料、C35，C45 混凝土采用金峰牌 P.O42.5 级或南方 P.O42.5 普通硅酸盐水泥，C60 采用金峰牌 P.O52.5 普通硅酸盐水泥，经 过原材料优选，主要参照 GB50119－2011《混凝土外加剂应用技术规程》和 JBJ/T55-2011《普通混凝土配合 比设计规程》的相关规定进行配合比设计。塌落度控制在 100-150mm 之间。每立方米胶凝材料总用量控制在 最大水泥用量以内；考虑地下结构有利于大体积混凝土抗裂，采用 JM-Ⅲ型膨胀剂（内掺 10%）和 1kg/m3 抗 裂纤维以及高效混凝土掺合料粉煤灰（内掺 12-15%）等量取代水泥。砂率按 41%、掺泵送剂、经试配试验 后确定最优配合比[7][8]。设计配合比见表 1。 表 1 设计用配合比 C35 C45 C60

水泥 280 340 400

煤灰 50 50 70

矿粉 70 85 70

砂 720 670 627

石子 1110 1090 1060

水 175 160 160

泵送剂 4.84 6.28 7.72

膨胀剂 40 48 54

纤维 1.0 1.0 1.0

试配试验结果分析如下： （1）经试验聚丙烯纤维最佳掺量为 1.0 Kg/m3。产品建议掺量范围 0.6-1.2 Kg/m3。原因：由于聚丙烯纤 维高吸水率。且对外加剂吸附率较大。经试配取最佳掺量 1.0Kg/m3。（其中南京派尼尔纤维分散性最佳，相 对来说外加剂吸附较小）。 （2）膨胀剂采用外掺掺量 10%。根据贵部及甲方提供掺量为内掺 10%。本着质量第一的前提下。经试 配确认采用外掺 10%（总胶凝材料）原因膨胀剂可作为胶凝材料。但其不可取代任何其他胶材。只能采用外 掺，只可以采用其本身的膨胀性能。（其中南京苏博特 JM-Ⅲ（D）需水量较小）。 （3）为控制混凝土的收缩及入模温度。选用粉煤灰和矿粉双掺法。原因：掺入适当的矿粉可以降低水 - 64 http://www.ivypub.org/cet

泥用量，从而降低混凝土的入模温度（目前这是最有效最直接的方法）并且矿粉的收缩率要比水泥收缩率 小。掺入适当的矿粉煤灰可以调节混凝土的和易性。以及尽可能的降低水泥用量。达到一定的降低混凝土入 模温度。从混凝土的耐久性能及施工性能来说，混凝土中应尽可能大搀量的掺入优质的掺合料。 （4）采用 ZWL-A-Ⅸ聚羧酸系列高效减水泵送剂。ZWL-A-Ⅸ聚羧酸系列外加剂有防混凝土收缩性能。 对各种品牌的胶凝材料适应性较强，并且拥有较高的减水率（最高可达 25%以上）。改善混凝土粘稠性。 （5）采用花岗岩碎石 5-25mm 连续级配。考虑混凝土容重 2.4-2.5T/m3。选用浙江湖州产高比重花岗岩 碎石。压碎指标 4.2%。含泥量 0.3%。泥块含量 0%。针片状颗粒含量 0.5%。 （6）采用天然长江砂。选用天然长江砂。细度模数 2.6 以上。含泥量 1.0%。泥块含量 0%的Ⅱ区中粗 砂。 （7）C35、C45、C60 混凝土试配容重均在 2.4T/m3 以上，混凝土和易性、流动性、工作性良好。1 小时 经时坍损 0-2mm。 （8）由于施工期间天气温度较高。施工部位特殊性，以及混凝土标号极高。建议混凝土坍落度可放大 150±30mm。在施工现场并可采用外加剂二次（按一定比例）添加搅拌法。调节混凝土的工作性能。 （9）C60 采用 P.O52.5 水泥 从提供试配试验结果分析情况来看：混凝土公司原材料的选用比较合理，水泥采用金峰水泥有限公司产 的水泥，根据以往使用的情况，水泥的安定性比较稳定，砂、石子粗细骨料选材情况，选用天然长江砂。细 度模数 2.6 以上。含泥量 1.0%。泥块含量 0%.的Ⅱ区中粗砂。高比重花岗岩碎石。压碎指标 4.2%。含泥量 0.3%。泥块含量 0%。针片状颗粒含量 0.5%。能够满足混凝土设计规范所需指标，以及直线加速区防辐射混 凝土干容重要求，特别是混凝土公司对外加剂进行材料优选，减水剂（采用 ZWL-A-Ⅸ聚羧酸系列，因本产 品拥有较高的减水率、最高可达 25%以上而具有延缓混凝土凝结时间、推迟混凝土温峰出现的时间将底水化 热，防混凝土收缩性能。）。膨胀剂（采用南京苏博特 JM-Ⅲ（D）吸收水量较小，抗裂纤维采用南京派尼 尔纤维，此产品吸水量较小、分散性最佳，相对来说外加剂吸附较小。另适当加人矿粉，减少水泥用量，改 善和易性。

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大体积防辐射混凝土施工

3.1 混凝土的制备、运输和施工 为确保混凝土施工质量，严格控制投料顺序、单盘搅拌量、搅拌时间、出厂坍落度、入泵坍落度，并按 规定留设试块。 采用罐车运输供应；每车装料时，罐体要高速搅拌，运输途中低速搅拌，防止混凝土离析；装载运输量 控制在普通混凝土的 60～65%；供应速度应保证混凝土连续施工要求；还应考虑备用的运输路线和停水、停 电及设备故障等应急措施。 混凝土骨料重，易离析，准备采用泵送工艺输送。通过以下措施，保证混凝土成功泵送和浇捣。采用功 率较大的输送泵，尽量使混凝土沿水平输送，主管控制在 100m 以内。严格控制混凝土的质量，进场的每车 混凝土必须经目测无离析，现场实测坍落度符合要求后，才能入泵。墙板混凝土浇筑应分层进行，每层厚度 不超过 400mm，且上下层间不超过混凝土初凝时间，不允许留设任何规范允许外的水平施工缝。墙板混凝土 浇至板底后应稍加停息约 1 小时左右，让混凝土达到初步沉落，再浇上部混凝土。震动棒应插入墙板下层混 凝土 5cm 左右，以防发生水平裂缝。本工程顶板水平施工缝设置在板厚 1.3 米顶标高处、顶板大体积混凝土 采用整体平面分层浇筑的方法，每层浇筑厚度 400mm，共分三层进行。其余的混凝土在主楼沉降稳定后连同 后浇带一起浇筑。 施工工艺流程：搭设钢排架→绑扎墙板钢筋→支立墙板模板→支立顶板模板→绑扎顶板钢筋→墙板顶板 模板加固→连续浇筑墙板、顶板→保温养护。 - 65 http://www.ivypub.org/cet

3.2 施工缝、后浇带的特殊处理措施 鉴于本工程的特殊性，混凝土应连续浇筑，仅存在两条后浇带和在 1.3 米厚顶板部位留置的一条水平施 工缝，具体采取以下措施[7]：后浇带留置、做法，根据工程的特殊性由专业设计院设计并经环评论证确定。 顶板上的水平施工缝在浇筑后浇带前应将原有混凝土表面及后浇带侧面凿毛，清理冲洗干净、然后用水泥进 行接浆再进行顶板后浇带一起浇筑（见图 2）。

图 2 后浇带、施工缝位置示意图

直线加速区施工缝的设置具体如下： （1）直线加速区的墙板与底板处施工缝留设在离室内地坪标高下底板 600mm 处（-10.60 米）。墙板与 顶板一起浇筑。 （2）直线加速区的顶板厚度比较厚，顶板底标高为-6.5 米、顶标高分别为-3.6 米、-3.3 米、-5.2 米，因 支撑维护梁栈桥的底标高为-4.5 米，无法进行一次性施工，考虑水平施工缝的位置留置在-5.2 米处（1.3m 板 顶标高处）。 （3）地下二层直线加速区 P-Q 和 L-M 轴之间分别设置两条后浇带，一条是人防工程的一般施工后浇 带、一条是主楼的沉降后浇带、主楼沉降后浇带应在主楼封顶后沉降稳定情况下才来进行浇筑。直线加速区 的后浇带节点做法不同于一般后浇带的做法，由同济设计院出具节点做法。

3.3 大体积混凝土裂缝控制措施 根据大体种混凝土和防辐射混凝土的要求和特点，相应大体积混凝土裂缝控制措施包括[8][9]： 1) 采用低水化热水泥和掺合料。 2) 优化配合比设计，控制骨料质量和含泥量及水灰比，混凝土表面做好二次抹平压实工序。 3) 采取对板基层压光或增加滑动层等降低结构边缘约束措施。 4) 就结构本身而言，针对其相应薄弱部位及应力集中部位要采取有效的加强措施；外露结构表面应增加 细而密的温度筋网片；水平施工缝适当增加插筋。

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结论和建议 1) 作为防辐射特殊用途的混凝土，结合大体积混凝土施工时，为确保混凝土施工质量，尤其是温度应

力导致的裂缝控制是重点关注对象。 2) 大体积防辐射混凝土的配合比需要从原材料和配合设计两方面综合考虑才能达到防辐射的目标。同 时必须有严格的施工质量控制，尤其要重点处理好大体积混凝土的施工缝和后浇带才能确保整个工程的施工 质量。 - 66 http://www.ivypub.org/cet

3) 采取有效的温度测量与控制措施是确定采用的混凝土配合比和施工质量的可靠性，为今后的结构的 使用提供依据。建议混凝土浇捣后，采用在混凝土体内不同部位及深度预埋测温孔的办法，用温度计进行测 量。发现偏差立即采取有效处理措施纠偏，直至达到预定控制范围。养护完成后，测温孔采用压密注浆封堵 密实。

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【作者简介】 王斐（1979-），女，汉族，硕士，工程师，建筑工程项目管理，同济大学建筑工程硕士毕业。 Email: wangfei197908@126.com

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