一级防辐射高性能混凝土的试验研究与应用

王芳利 邓旭华

（广东省基础工程集团有限公司，广东 广州 510660）

0 引言

随着核技术的发展，防辐射混凝土应运而生。如今癌症发病率增高，各种先进的放射性治疗设备被引进医院，使得防辐射混凝土应用越来越多。中山大学附属肿瘤医院核磁共振加速器机房改建，设计上结构尺寸受限，为达到防辐射预期效果，只能提高混凝土的性能，采用密度大于3600kg的一级高性能防辐射混凝土。[1]

目前，国内配制一级防辐射混凝土基本都通过掺入铁砂、铁丸等高密度金属材料来实现密度要求，但密度均匀性差，难以泵送，且成本高，生产过程繁杂，施工进度慢。而直接采用重晶砂、重晶石和水泥作为基础材料，不外加其他高密度材料的情况下，通常只能配制到3400kg/m3，难以达到一级要求，同时也鲜见有实际应用。

因此，我们分两步研究，一是围绕混凝土密度主线，以密度最大化进行选材和配合比设计，同时兼顾抗裂性能优化，选定孔隙率最小、密度最大、体积稳定性最好的配合比；二是通过生产与施工相结合，采用骨料二次组合浇筑成型法进行施工，从而达到可泵性与密度、抗收缩性的统一。

1 原材料选择[3][5]

1.1 水泥

水泥的选用除了满足规范要求外，还应尽量选择结合水较多的水泥，混凝土结合水越多，对吸收中子射线越有利。经过对比试验，英德海螺P.O42.5R水泥最符合要求，其对比情况见表1。

表1 水泥性能对比

1.2 掺合料

考虑水化热及密度等影响问题，选用了韶钢矿粉其性能指标见表2。

表2 矿粉的性能指标

1.3 粗、细骨料[8][6]

重晶石粗细骨料的优劣，主要从骨料结构、骨料中的杂质与含泥量、骨料的级配、骨料密度、骨料强度五个方面进行评价和选择。按照《重晶石防辐射混凝土应用技术规范》要求，配制一级防辐射混凝土须采用表观密度达到4300Kg/m3，因此，应选择密度最为接近的样品。

本实验分别对广西桂林样，广东阳山样，和湖南衡阳样A，湖南衡阳样B进行了各项物理性能对比。重晶砂、重晶石对比结果分别见表3、表4。

表3 细骨料性能对比

表4 粗骨料性能对比

广东阳山样 4220 2570 25.2 1.3 连续 25.0 灰白湖南衡阳A样 4230 2320 33.0 1.4 连续 37.5 白湖南衡阳B样 4180 2650 18.9 4.4 连续 19.6 偏灰

由上表可以看出，广西桂林样品无论细骨料还是粗骨料的表观密度都最低，其他三个样品的密度相差不大，但为了达到泵送要求，湖南A、B样的最大粒径及级配未能达到要求，所以选择广东阳山样。

1.4 水

拌和用水应符合国家现行标准《混凝土拌和用水标准》(JGJ63)的要求。本试验使用饮用自来水。

1.5 外加剂

面对一级防辐射混凝土的的多方面需求及最佳紧密法的要求，普通外加剂是无法满足使用要求的，因此，需要我们通过试验摸索配制一种，既能提高混凝土表观密度，又要固化结合水，还要能够满足长距离运输及长距离泵送施工的复合型高性能外加剂，自编名称为聚羧酸消泡型高性能外加剂。主要成分有普通外加剂、增粘剂、消泡剂。普通外加剂选用QD外加剂，其物理性能见表5。

表5 外加剂的物理性能

消泡剂，即抑制泡沫产生或消除已产生泡沫的外加剂，能使新拌混凝土在较长时间内保持塑性，从而调节新拌混凝土的凝结时间。本次选用的是聚醚类消泡剂。

2 一级防辐射高性能混凝土的配合比试验研究

2.1 超缓凝高性能混凝土设计要求[6]

（1）表观密度达到3600Kg/m³以上；

（2）和易性，满足长距离运输长泵管输送不至离析和损失所需要的包裹性和流动性；

（3）满足配合比设计要求的抗压强度；

（4）结合水，满足防护中子辐射所需的结合水含量；

（5）经济性，在满足各项指标的前提下，尽可能降低成本。

（6）混凝土的碱含量和氯离子含量满足混凝土的要求。

2.2 配合比优化试验设计[2][7][9][10]

2.2.1 胶材组分的影响及调整

表6 矿粉不同掺量对混凝土的影响

从上表可以看出，随着混凝土矿渣粉取代量的逐渐增大，混凝土流动性逐步增大，混凝土容重上升明显，到20%的时候达到峰值。随着矿渣粉的持续增长，混凝土的和易性逐渐变差，包裹性粘聚性变差，离析率上升。混凝土的密实性变差，容重逐渐降低。容重偏低问题尚可以通过继续调整配合比和外加剂组分来进行探索。因此，矿渣粉取代比例选用20%。

2.2.2 砂率对防辐射混凝土的影响

依据普通混凝土相关生产和试配经验，适当对混凝土中砂率进行调整，可有效降低混凝土的空隙率，提高混凝土的流动性，进而实现混凝土的最佳紧密堆积。本次试验通过对混凝土的砂率进行调整，对比调整之后混凝土的各项性能，见表7。

表7 不同砂率对混凝土的影响

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由上表可知，混凝土的砂率对混凝土的表观密度影响重大，适当调整一定比例混凝土砂率可有效提高混凝土的容重，随着混凝土的砂率从44%逐步下调，初始时混凝土和易性变好，容重逐渐增大，混凝土离析率逐渐增高。当混凝°土砂率为38%时，混凝土和易性达到最佳状态，同时混凝土容重突破3500Kg/m ，随着砂率逐渐降低，混凝土和易性明显变差。强度也随之降低，混凝土容重也随着有所下降。综上，确定混凝土最佳紧密堆积适宜使用砂率为38%。

2.2.3 聚羧酸消泡型高性能外加剂的组分确定

防辐射混凝土的表观密度仍然需要进一步提高，即通过条件外加剂中各组分的比例，以达到最佳减水率的同时，将混凝土中的大中气泡有效消除，以实现混凝土的最佳紧密堆积。试验通过对比不同掺量的消泡剂来对比混凝土各项性能的变化见表8。

表8 不同比例消泡剂对混凝土的影响

由上表看出，随着外加剂各组分调整，混凝土容重随消泡剂增加而逐渐增大，但混凝土和易性却逐渐变差。在复合型外加剂的消泡组分到0.10‰时，混凝土成功突破3600Kg/m°大关，图4为混凝土实测密度图。且和易性良好，强度等各项数据均满足设计要求。根据实验结果，将普通外加剂与此消泡剂按上述比例复配，成为一级防辐射混凝土的专用外加剂，名为聚羧酸消泡型高性能外加剂。

2.3 配合比确定与拆分

2.3.1 配合比确定

综上所述，通过原材料筛选与调整，初步拟定了配比之后，进行了有针对性的方向性试配，根据各项指标，最终确定了基准配合比，具体见表9：

表9 C35一级防辐射高性能混凝土基准配合比

2.3.2 配合比拆分

显而易见，设计配合比配制而成的防辐射混凝土，密度能达到3600Kg/m3，但砂率小，虽然体积稳定性高，但流动性差，加之防辐射混凝土自重大，恐难以满足泵送要求。

故提出“骨料二次组合浇筑成型法”的设想，即从设计配合比中移出一定比例的粗骨料，使得混凝土实现可泵，在泵送的同时，再将移出的粗骨料按比例科学填放到结构部位，振捣密实，再次组合成型，从而达到可泵性与密度、抗收缩性的统一。综合普通混凝土的泵送施工经验，可将砂率定于43%，则便于泵送，因此，骨料二次组合浇筑成型法可按如下安排：设计最终配合比=生产配合比+组合石，具体拆分情况见表10。

表10 一级防辐射高性能混凝土的基准配比、生产配合比、组合石

2.3.3 生产配合比和易性验证

初定的生产配合比经两次试配验证，结果如表11。

表11 生产配合比验证结果

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从验证结果来看，和易性良好，能较好地满足泵送要求，说明骨料二次组合浇筑成型法初具条件。

3 实际生产应用

3.1 骨料二次组合浇筑成型法

一级防辐射混凝土严格按照施工前制定的骨料二次浇筑组合成型法进行浇筑，做好各个环节的监控，拆模后及时做好养护措施，避免开裂。骨料二次浇筑组合成型法的流程如图1。

图1 骨料二次组合浇筑成型法的流程示意图

3.2 应用效果

经试验成功后，该技术成功用于中山大学附属肿瘤医院核磁共振加速器机房改建项目，其结构强度达40MPa以上，密度实现一级要求3600kg/m3以上，泵送过程顺利，结构无裂缝，各项指标均达到设计要求。超缓凝高性能混凝土的施工效果见图4。

图2 一级防辐射混凝土浇筑效果图

4 结束语

（1）只有重晶砂、重晶石作为高密度材料的情况下，成功研制出密度大于3600Kg/m3且体积稳定的一级防辐射高性能混凝土。

（2）创造性地提出了“骨料二次组合浇筑成型法”，突破了常规的生产与施工的套路，解决了防辐射混凝土密度大则泵送困难、易离析、易收缩开裂的三大难题，实现了可泵性与密度、抗收缩性的性能统一。