小型化质子加速器机房防辐射大体积重混凝土制备及施工技术*

武 超，王 伟，王荣辉，林华敏，黄心颖，李志正，王义志，王梅杰

(1.中建三局集团有限公司工程总承包公司，湖北 武汉 430064；2.华中科技大学同济医学院附属同济医院，湖北 武汉 430030)

1 质子治疗设备的技术发展历程

质子治疗设备发展经历实验室阶段、大型质子设备阶段、小型质子设备阶段。

1)实验室阶段 1903年英国物理学家威廉·亨利·布拉格(William Henry Bragg)发现布拉格峰效应，通过近50年的研究，1952年在美国加州大学伯克利分校的劳伦斯·伯克利国家实验室开展最初的质子和氦粒子放疗试验，并于1954年首次使用质子射线治疗晚期乳腺癌患者。

2)大型质子设备阶段 1990年美国洛玛琳达大学医学中心建成全球第一家以医院性质成立的质子治疗中心，开创现代质子治疗医学中心的时代。后续通过16年的持续研究，2006年MD Anderson质子中心建成。该阶段质子机房加上辅助设备和设施，占地面积近1万m2，1栋建筑就是1个质子设备机房。

3)小型质子设备阶段 2012年Mevion小型集成质子设备获得FDA批准，并于2013年治疗首位患者。占地面积较小，一般单个机房占地面积约260m2。

2 工程概况

华中科技大学同济医院光谷院区配套项目(质子大楼)位于武汉市东湖新技术开发区高新大道501号，南面与高新大道相邻，西邻三环线高架。该质子大楼总建筑面积约12 500m2，包含质子加速器机房(见图1)、直线加速器机房、回旋加速器机房、磁共振加速器机房、PET(CT/MR)、办公室、会议室等配套用房。小型化质子加速器如图1所示。质子机房剖面如图2所示。

图1 小型化质子加速器(单位：m)

图2 质子机房剖面

3 组织管理重难点

1)大体积混凝土温度控制难 小型化质子加速器区域构件尺寸普遍>2m，应控制水化热、结构内外温差、最大中心温度等使其满足规范要求，避免裂缝产生。

2)大体积混凝土收缩控制难 应调整骨料颗粒级配、砂率及添加外加剂的含量，把握混凝土的生产、浇筑和养护，避免混凝土收缩产生裂缝。

3)配置32kN/m3重混凝土难 国外铁矿石受国际形势影响，购置风险大、价格昂贵、容重大、易下沉，寻找国内优质铁矿石，且满足粗骨料密度配置要求难度大。

4)配置满足耐久性要求的混凝土难 该结构设计年限50年，在辐射作用下，极大影响混凝土寿命，对混凝土的耐久性配置要求高。

基于以上难点，各参建单位从混凝土原材料控制、配合比设计优化，混凝土生产、施工、测温及养护方面进行研究，保证小型化质子加速器防辐射大体积重混凝土的施工质量。

4 重混凝土制备技术

4.1 混凝土原材料控制技术

大体积混凝土所用原材料应性能稳定，符合相关现行国家和行业规范、标准和规定要求。此外，应考虑环境条件影响，使配制的混凝土满足施工、力学、体积稳定性、耐久性及防辐射功能要求。混凝土原材料重点控制指标如下。

1)水泥

采用P·O42.5、中低水化热水泥，有利于控制混凝土内部的水化热及温升。

2)粉煤灰

采用Ⅱ级粉煤灰。掺适量粉煤灰，不仅可以改善混凝土的和易性和泵送性能，且有利于降低混凝土水化热，延迟热峰。

3)矿粉

采用S95矿粉，掺入适量矿粉可改善混凝土流动度,降低水泥水化热，提高混凝土抗渗能力、后期强度，改善混凝土内部结构，提高抗渗和抗腐蚀能力。混凝土掺入磨细矿粉后能延缓胶凝材料的水化速度,使混凝土的凝结时间延长。

4)磁铁矿石粗骨料

防辐射混凝土骨料宜采用磁铁矿，不得使用赤铁矿、褐铁矿、黄铁矿(影响成型效果)。铁矿石粗骨料宜采用二级或多级级配骨料混配而成，以满足颗粒级配要求。

骨料原材料选取主要考虑颗粒级配、粒型、表观密度、有害物质含量、Fe3O4含量等。基于此项标准，项目考察国内外10余家磁铁矿石厂家，发现国内磁铁矿质量一般，难以满足项目需求。进口磁铁矿各项指标较好，但成本高，不能保证供应足量。

项目通过第1道初选(选出杂质)、矿石第2道磁选(选出满足要求的铁矿石)、颗粒级配第3道筛选(选出满足颗粒级配的铁矿石)工序，最终选出的铁矿石质量较高，相关均质性、容重、压碎值、有害杂质、表观密度等(>4 200kg/m3)均符合重混凝土对铁矿石的要求。

5)铁矿石细骨料

铁矿石细骨料细度模数和颗粒级配、石粉含量和有机物含量应符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》，并符合如表1所示的规定。

表1 铁矿石细骨料参数要求

6)普通细骨料

普通细骨料应符合GB/T 14684—2022《建设用砂》，宜采用吸水率低、空隙率小的洁净中粗砂，细度模数宜为2.4～2.8，不应低于2.3或高于3.0，颗粒级配应符合Ⅱ区要求。砂中含泥量≤3.0%，泥块含量≤1.0%，不得使用海砂、山砂及风化严重的多孔砂。

7)外加剂

考虑重混凝土使用表观密度大的磁铁矿石制备混凝土，一旦控制不好可能导致骨料下沉、浆骨分离等问题，进一步增加大体积混凝土结构裂缝控制难度，严重时导致贯穿裂缝，从而影响混凝土结构防辐射性能。为此，项目团队联合高校研究制备专用外加剂，具有高固含量、高减水率、高流动性、高稳健性的特点，确保混凝土具有较好流动性，同时不离析、不泌水、骨料没有下沉。

8)专用抗裂剂

温度应力在超大体积混凝土结构开裂中起主导作用，而混凝土温控问题更突出，仅依靠单一现有膨胀剂产品已不能很好地解决混凝土温度收缩问题。

为此，针对现有材料的膨胀历程、混凝土温度历程、收缩历程严重不匹配等问题，研究出大体积混凝土裂缝控制专用抗裂剂、混凝土(温控、防渗)高效抗裂剂，从而双重调控温度历程与膨胀历程。温度历程调控是从水泥水化进程干预角度，通过调控化学外加剂，协同掺和料水化放热特性，降低水泥水化加速期的放热速率，为结构散热赢得时间，从而削弱温峰和温降过程，降低开裂风险。膨胀历程调控是基于实体结构变形历程特点，利用不同膨胀特性的膨胀组分(氧化钙、氧化镁)，实现分阶段、全过程补偿收缩。同时，利用水化热调控材料和氧化钙、氧化镁类膨胀剂复合，可延缓结构升温速率，避免膨胀剂膨胀速率过快，为建立有效膨胀和膨胀压应力储存赢得时间，增强补偿收缩效果。

9)拌合用水

拌合用水应符合JGJ 63—2006《混凝土用水标准》，检验频率应符合GB 50201—2012《土方与爆破工程施工及验收规范》的规定。

4.2 混凝土配合比设计

配合比设计在满足强度及掺和料掺量要求的基础上，为提高混凝土抗裂性能，设计思路如下。

1)通过掺入矿物掺和料进行合理搭配优化，尽可能降低水泥与胶凝材料用量，大幅度减少水化放热量，有利于控制混凝土收缩与开裂风险。

2)合理控制混凝土的水胶比与最大用水量，降低自由收缩带来的不利影响。

3)在此基础上进一步掺加适量的高效抗裂剂，优化放热历程，削弱水化放热温峰值和早期放热量，且产生膨胀补偿混凝土的自收缩与温降收缩，通过改善水化速率与收缩历程，协同调控提升抗裂性，抑制混凝土开裂。

4)减水型聚羧酸高性能减水剂的28d收缩率比≤100%，不增大混凝土收缩，可改善混凝土工作性能，提高其密实度、力学性能与耐久性。另外在混凝土中适当引气可提高混凝土均质性、泵送性能及极限拉伸值，改善混凝土和易性，防止浇筑时浮浆过多引起混凝土开裂。

基于小型化质子加速器主体结构混凝土抗裂性需求，结合混凝土配合比设计原则，结合类似工程经验与仿真计算结果，确定墙体混凝土开裂风险最高，顶板次之，底板开裂风险最小的结论，应重点分析控制此部位的配合比。

4.3 混凝土试配验证

在满足混凝土工作性能、力学性能、耐久性能与抗裂性能的基础上，根据多次试配验证，确定混凝土配合比，将磁铁矿石+磁铁矿砂作为粗骨料，主要用于小型化质子加速器区域施工。重混凝土浇筑试验段如图3所示。

图3 重混凝土浇筑试验段

4.4 混凝土耐久性试验

对重混凝土进行抗冻试验、抗渗试验、收缩试验(非接触法)、抗氯离子渗透试验、早期抗裂试验，其各指标均满足重混凝土性能要求。

5 混凝土质量保证措施

5.1 生产设备改造升级措施

1)将生产线搅拌机叶片全部更换为全新耐磨叶片，用于重混凝土搅拌生产。

2)加固处理骨料下料仓、称斗，保证铁矿砂、石的上料安全。

3)专仓堆放磁铁矿砂、石，防止污染。

4)生产线一用一备，避免出现事故影响混凝土联系供应。

5.2 生产前准备措施

1)生产前1周用高压水枪冲洗清理铁矿砂、石料仓，有效隔离其他材料，避免受到污染。

2)铁矿砂、石要求使用翻斗货车运输，并加盖篷布防雨。进货数量应当充足，满足施工需求并留有余量。

3)铁矿砂、石到站后，通知施工方派人监督过磅，实验室快速检测砂、石含水率(提前约定好含水率范围)。

4)铁矿砂、石从出厂到进料，需进行严格的质量检测，从外观、含水率、密度等方面进行复检，提前1周组织普通大体积抗裂混凝土专用砂、石骨料陆续进场，根据计划方量提前足量备料。

5)提前5d腾仓准备进料专用抗裂剂和专用减水剂，每条生产线预留1个粉料仓和1个减水剂罐。

5.3 混凝土生产保证措施

1)专门生产线中，当小型化质子加速器中心的混凝土生产时，其他项目混凝土一律停止生产。

2)专门生产线专一生产重混凝土，重混凝土每盘按1.5m3生产，搅拌时间延长至2min。

3)所有罐车单趟装载重混凝土6～8m3，放料完毕前，司机严禁冲洗下料斗，严禁加水。

5.4 混凝土运输

1)场外运输 拟采用多条备选运输线路进行调度，通过及时关注GPS信息，确保混凝土供应免受交通影响。同时，为避免早晚高峰期拥堵，施工前选定备用路线。

2)场内运输 安排专人值班，指挥现场交通，避免混凝土泵车堵车现象。

5.5 混凝土浇筑

1)混凝土泵选型

本工程混凝土浇筑量大、浇筑质量要求高，不允许出现冷缝、裂缝等，确定采用汽车泵进行现场泵送。混凝土泵车设置处，场地应平整坚实、道路畅通、供料方便，距离浇筑地点近，便于配管，接近排水设施，供水、供电方便，不影响施工道路通畅。

2)混凝土浇筑措施

采用斜向推进、分层浇筑的方法浇筑底板混凝土，每层浇筑厚度约500mm，由远端向泵方向斜向推进组织施工。墙体按每层300mm厚分层浇筑。在2种混凝土交界处布置钢丝网，同时浇筑。重混凝土先浇筑，始终保持重混凝土比普通大体积混凝土高30～40cm，以免普通大体积混凝土流入重混凝土区域，影响整体防辐射性能。为保证混凝土浇筑质量，避免施工缝对辐射的影响，所有侧墙水平施工缝采用凸字形处理，对标高低于0.500m的施工缝配备镀锌钢板止水带(见图4)。小型化质子加速器区域水平结构均一次浇筑成型，避免产生竖向施工缝。

图4 水平施工缝凸字形处理

5.6 混凝土测温

将测温点尽量布置在易开裂部位，真实反映混凝土浇筑体内最高温升、里表温差、降温速率及环境温度。测温点布置如图5所示。浇筑后1～3d，每2h测1次；浇筑后4～7d，每4h测1次；浇筑后7～14d，每12h测1次。

图5 测温点布置

5.7 混凝土养护

养护方法决定混凝土成型后内部有无大量裂缝产生，可防射线泄漏。

1)墙体表面混凝土带模养护并覆盖保温棉，进行喷雾保湿，养护时间≥28d。

2)顶板与底板混凝土采用薄膜养护并覆盖保温棉，进行喷雾保湿，养护时间≥28d。

6 结语

1)为保证32kN/m3重混凝土顺利配制，通过对磁铁矿进行3道筛选，选择满足要求的磁铁矿石。添加矿粉、粉煤灰等降低混凝土水化热，研发外加剂及抗裂剂，保证混凝土性能满足要求，选择黄砂、水泥等保证原材料质量。严格把控原材料质量，保证重混凝土质量。

2)为保证混凝土浇筑质量，施工前浇筑样板段，验证配合比的合理性。对生产设备进行改造升级，安排专门生产线、材料堆场、运输车辆，以保证混凝土顺利生产，浇筑过程中水平施工缝采用凸字形进行处理，楼板斜向推进、侧墙分层浇筑，避免漏水及冷缝产生。

3)浇筑完成后埋设测温点，根据测温点数据选择合理的保温措施，墙体混凝土选用带模养护、覆盖保温棉，并喷雾保湿的养护方案，板面混凝土选用薄膜养护、盖保温棉，喷雾保湿的养护方案，保障混凝土养护质量。

该小型化质子加速器机房从2021年12月15日开始插入底板施工，历经113d(跨春节)，于2022年4月6日完成顶板浇筑，混凝土成型质量、裂缝控制、过程测温、强度检测等指标经过监理及第三方检测满足相关规范要求，实现重混凝土防辐射、抗渗漏、低收缩、高密度、高均匀性等特殊要求。