大体积防辐射混凝土配合比设计与优化*

王 龙,马柏隆,吴 寒,赵 博

(1.中冶天工集团有限公司,天津 300308; 2.天津大学建筑工程学院,天津 300350)

0 引言

与普通混凝土相比,防辐射混凝土主要使用了大量防辐射掺合料、重骨料等[1],其原材料性能和配合比不同导致混凝土性能差异较大,在施工和使用过程中可能产生裂缝,降低屏蔽性能,所以进行防辐射混凝土配合比优化研究对于保障具有特殊用途的医疗建筑的使用安全具有重要意义。我国目前对防辐射混凝土性能的系统研究还很少。伍崇明[2]、陈清己[3]对屏蔽混凝土的配合比、性能和施工工艺等进行了深入研究;陈友治等[4]研究了不同含硼添加剂对水泥浆体性能的影响;李国刚等[5]研究了所配制防核辐射高性能混凝土的抗冻、碳化、抗氯离子渗透和屏蔽性能;佘子盈[6]通过试验研究得到了力学性能好、射线防护性能强的重晶石防辐射混凝土最优配合比;孙涛等[7]通过研究发现钢渣、钢锻单掺、钢锻与碎石结合可提升防辐射混凝土抗冲击性能;郭文强等[8]研究了不同骨料对防辐射混凝土屏蔽性能的影响;董腾等[9]通过试验研究了铅锌原矿石骨料对混凝土拌合物坍落度和射线屏蔽效果的影响;王铁柱等[10]通过掺加矿物掺合料、缓凝型高性能减水剂等措施有效避免了混凝土开裂。本文根据中国医学科学院肿瘤医院分院(廊坊院区,以下简称“廊坊肿瘤医院”)直线加速器室建设的具体情况,开展防辐射混凝土配合比设计研究,并考虑造价的影响,得到最优配合比。

1 原材料性能试验

廊坊肿瘤医院直线加速器室用来放置粒子加速器和含放射源装置,其运行过程中产生的辐射较强,为避免对外界环境的影响,采用防辐射混凝土作为防护材料的现浇钢筋混凝土结构。直线加速器室位于地下1层,包括A,B,C,D 4个区域,其中A区结构尺寸最大,墙体厚1～3m,高6m;顶板和底板厚度分别为1.7,1m,长106m,宽15m。墙体和顶板混凝土强度等级为C30,底板为C35,混凝土用量约8 600m3。

1.1 细骨料性能试验

砂的级配和粗细程度对水泥用量、混凝土均匀密实性影响显著,大体积混凝土配制宜选用中砂。砂的含泥量对砂浆的流动性、保水性、强度、变形和耐久性等有不同程度的影响,需限制砂的含泥量。根据GB/T 14684—2011《建设用砂》规定,两种河砂的筛分析、含水率和含泥量试验结果如表1所示。由表1可知,两种河砂细度模数接近,均在2.3～3.0,颗粒级配和粗细程度相当,均为中砂;含水率和含泥量相差较大。GB 50496—2018《大体积混凝土施工标准》要求含泥量不应大于3.0%,因此选用第2种河砂。

1.2 粗骨料性能试验

碎石级配对节约水泥、混凝土拌合物和易性及混凝土强度有很大影响。防辐射混凝土常用粗骨料最大粒径不宜超过40mm,多采用石英砂,部分用碎石和砾石。根据GB/T 14685—2011《建设用卵石、碎石》要求,两种碎石的筛分析、含水率和含泥量试验结果如表2所示。由表2可知,两种碎石公称粒径连续级配均为5～31.5mm,颗粒级配良好;含水率均为0.2%,性能相同;第1种碎石含泥量较高。《大体积混凝土施工标准》要求粗骨料宜为连续级配,最大公称粒径不宜小于31.5mm,含泥量不应大于1.0%,因此选用第2种碎石。

表2 碎石性能试验结果

1.3 减水剂性能试验

改变减水剂种类,采用初设混凝土配合比,开展混凝土拌合物坍落度试验。根据GB 50119—2013《混凝土外加剂应用技术规范》要求,通过测定混凝土拌合物坍落度评定其流动性,通过观察拌合物含砂、保水和黏聚状况评定其保水性和黏聚性。掺加两种缓凝型减水剂混凝土拌合物的试验结果如表3所示。由表3可知,两种减水剂拌合物的最大直径、棍度、含砂量、保水性和黏聚性均相同;坍落度和最小直径差异较大。《大体积混凝土施工标准》要求现场施工混凝土坍落度大于180mm,因此选用第1种减水剂。

表3 减水剂性能试验结果

1.4 膨胀剂性能试验

改变膨胀剂种类,采用初设混凝土配合比,开展补偿收缩混凝土限制膨胀率测定试验。使用千分表测定水中1,3,5,7d的试件长度,不同龄期补偿收缩混凝土限制膨胀率曲线如图1所示。

图1 不同龄期补偿收缩混凝土限制膨胀率曲线

由图1可知,掺加第1,3种膨胀剂混凝土的限制膨胀率较接近且数值较大,增长趋势也相似,前3d增大较快,之后趋于平缓;掺加第2种膨胀剂混凝土的限制膨胀率远小于其他两种,且始终增加平缓。鉴于早期硬化阶段混凝土内部温度较高产生压缩应力,混凝土表面温度较低产生拉应力,温差过大时拉应力超过混凝土抗拉强度将产生裂纹,因此,选用第2种膨胀剂。

1.5 水泥性能试验

水泥水化热越大,导致混凝土温度越高,其开裂风险越大。强度等级高的水泥颗粒太细、水化速度较快,水化收缩率相对较大,混凝土易开裂,因此宜采用水化热较低、强度等级在32.5～42.5MPa的水泥。硅酸盐水泥、普通水泥和中热水泥的胶砂抗折强度试验结果如表4所示。

表4 不同龄期水泥胶砂抗折强度

由表4可知,3种水泥胶砂3d,28d的抗折强度均大于GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》要求的3.5MPa和6.5MPa,强度等级差别不大,需进一步进行抗压强度试验,试验结果如表5所示。

表5 3种水泥胶砂抗压强度

由表5可知,3种水泥胶砂28d抗压强度均在42.5～52.5MPa范围内,其强度等级均为42.5MPa;普通水泥胶砂28d抗压强度与规范限值42.5MPa接近,硅酸盐水泥和中热水泥强度等级接近,需进一步比较硅酸盐水泥与中热水泥的水化热指标,水化热试验结果如表6所示。

表6 水泥水化热试验结果

由表6可知,硅酸盐水泥3d,7d水化热值不满足GB/T 200—2017《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥》规定3d,7d水化热不宜大于230,260kJ/kg的要求,因此选用中热水泥。

1.6 掺合料性能

大体积防辐射混凝土宜使用掺合料,减少水泥用量,常用的掺合料有粉煤灰、粒化高炉矿渣粉(简称矿粉)。拌制混凝土和砂浆用粉煤灰有F类和C类,GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》将其分为I级、II级和Ⅲ级。C类粉煤灰中往往含有游离氧化钙,用作混凝土掺合料时须定期对其体积安定性进行合格检验,为便于现场施工,选用F类I级粉煤灰。GB/T 18046—2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》将矿粉分为S105,S95和S75 3个等级,选用性能稳定、应用广泛的S95等级。

2 大体积防辐射混凝土配合比设计与优化

2.1 配合比设计

依据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行混凝土配合比设计。墙体和顶板混凝土强度等级为C30,底板为C35,按照规程要求墙体和顶板加强带部位须提升一个强度等级,因此共设计7种不同强度等级混凝土配合比,如表7所示。

表7 不同强度等级混凝土配合比

分别对7种不同配合比混凝土进行试验,比较其性能,优化配合比设计。

2.2 混凝土力学性能试验

根据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》,测定标准条件下养护3,7,28,60,90d的混凝土立方体抗压强度,结果如表8和图2所示。

图2 不同配合比混凝土抗压强度曲线

表8 不同配合比混凝土抗压强度试验结果

由图2可知,所有配合比混凝土的28,60,90d抗压强度均满足要求;C30-1,C30-2的28d抗压强度约为52,47MPa,说明C30-1的水灰比偏小,水泥和胶凝材料用量较多,因此墙体和顶板混凝土采用C30-2;C35-2,C35-3的60,90d抗压强度很接近,28d抗压强度约为57,47MPa,说明C35-2水灰比偏小、水泥和胶凝材料用量较多,因此墙体和顶板加强带混凝土采用C35-3;与C35-2相比,C35-1矿粉和粉煤灰用量明显增多,导致其90d抗压强度曲线持续上升,数值偏大,需降低其水泥和矿粉用量才能作为底板混凝土;C40-1,C40-2的28d抗压强度接近或大于60MPa,60d抗压强度大于64MPa,数值明显偏大,90d抗压强度大于70MPa,曲线持续上升,数值持续偏大,与C35-3试验结果比较可知,其水灰比偏小、水泥用量偏大,因此底板加强带混凝土选用C40-1。调整后的混凝土配合比如表9所示。

表9 混凝土调整后配合比

2.3 混凝土抗渗性能试验

混凝土结构的耐久性要求其具有良好的抗水渗透能力,直线加速器室位于地下1层,须保证结构不受地下水侵蚀。按表9的配合比制备混凝土试件,根据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期和耐久性能试验方法标准》规定进行抗水渗透试验,确定混凝土抗渗等级。试验结果表明,水压力为1.2MPa时不同配合比的6个混凝土试件均未出现渗水现象,表明混凝土达到P12抗渗等级,抗水渗透性能良好。

2.4 混凝土绝热温升试验

混凝土的水化反应主要为水与水泥、矿粉、粉煤灰等胶凝材料发生化学反应产生热量,为保证混凝土水化反应后温度较低,需测定混凝土的热力学参数。由表9可知,底板混凝土配合比中水泥和胶凝材料用量最大,所以采用该配合比制备混凝土试件进行绝热温升试验,试验结果如图3所示。当混凝土周围没有任何散热条件,即在没有任何热量损耗的情况下,混凝土中心温度是水化反应后产生全部热量转化的温度上升,温度峰值称为最高绝热温升。

图3 混凝土绝热温升时程曲线

由图3可知,混凝土中心温度曲线和温升值曲线在前3天快速上升,第3～6天缓慢上升,第6天后基本保持水平;混凝土入模温度为24.3℃,第3,6天时中心温度分别达到51.9,55.0℃,温升值分别为27.6,30.6℃;中心温度峰值为55.9℃,温升峰值为31.6℃,温升峰值不超过45℃。

经计算,第3天时混凝土中心温度约为其峰值的93.0%,温升值约为其峰值的87.5%,说明混凝土水化反应产生热量引起的温度上升主要集中在前3天,第3～6天水化反应明显减弱,第6天以后水化反应基本结束。

2.5 混凝土最优配合比

由于墙体混凝土浇筑量较大,现场施工发现矿粉含量较高导致混凝土表面光滑,不利于凿毛、接槎,影响混凝土黏结牢固性。因此选用粉煤灰等量替代矿粉,得到墙体、顶板及其加强带部位混凝土的最优配合比,如表10所示。由于胶凝材料总量不变,因此替代后混凝土水化反应释放热量基本不变。最优配合比混凝土的抗压强度如表11所示,性能指标如表12所示,均满足要求。最优配合比中掺入了约为胶凝材料总量50%的粉煤灰,有效减少了水泥用量,降低了施工成本。

表10 混凝土最优配合比

表11 最优配合比混凝土抗压强度

表12 最优配合比混凝土性能指标

以中国医学科学院肿瘤医院分院(廊坊院区)直线加速器室的建设为工程背景,本文提出的大体积防辐射混凝土配合比设计已应用到该工程项目,施工过程及后期的现场监测均表明采用优化设计的大体积混凝土工作状态良好,满足使用要求。

3 结语

本文通过试验研究选择大体积防辐射混凝土性能优质组成材料,经过调整确定了混凝土最优配合比,主要得到以下结论。

1)基于粗细骨料、减水剂、膨胀剂和水泥等原材料性能试验结果,选择了高性能优质的原材料,从微观上保证了防辐射混凝土的主要性能。

2)通过混凝土抗压、抗水渗透和绝热温升等试验,对配合比进行优化,得到防辐射混凝土最优配合比,提升防辐射混凝土的主要性能和施工质量。

3)防辐射混凝土最优配合比中掺入了大量粉煤灰,比例约为胶凝材料总用量的50%,有效减少了水泥用量,降低了施工成本。

4)所设计的防辐射混凝土配合比可为类似工程建设提供参考。