泰和诚肿瘤医院大体积重晶石混凝土的研制

薛欢 ,蔡春辉

摘要：基于上海市泰和诚肿瘤医院新建项目工程,该工程地下室B1层为放置直线加速器和射波刀的区域,底板及顶板均有2.5米厚。要求该区域不得有裂缝出现,结构混凝土为大体积防辐射混凝土,原材料选择标准及配合比设计要符合实际工程应用要求。不同于普通混凝土，重晶石混凝土不但表观密度大，含结合水多，而且要求导热系数较高(使局部的温度升高最小)、热膨胀系数低(使由于温升而产生的应变最小)、干燥收缩率小(使温差应变最小)，还要求混凝土具有良好的均质性，不允许有空洞、裂缝等缺陷，且运输及现场施工都有不少的要求。

关键词：重晶石混凝土；防辐射；大体积

一、前言

随着社会的快速发展，我国医疗水平的不断提高，涌现出一批专业治疗肿瘤的医院，该类型医院离不开大型直线加速器、射波刀等放射设备。这些设备运行过程中会产生对人体有害的α射线、β射线、γ射线和中子流，为避免射线对人体的危害，在结构设计时墙体及底板顶板通常会采用具有防辐射性能的重晶石混凝土。

重晶石是钡的最常见矿物，它的成分为硫酸钡，具有吸收X射线的性能，用重晶石制做钡水泥、重晶石砂浆和重晶石混凝土，用以代替金属铅板屏蔽核反应堆和建造科研、医院防X射线的建筑物。上海建工七建集团有限公司承建的泰和诚肿瘤医院新建项目（一期）总建筑面积为158769㎡，分为一期和二期建设。其中一期地上建筑面积75805㎡，地下建筑面积72609㎡。建设内容包括12层高主楼、3层高辅楼以及整个场地下的3层地下室。其中涉及重晶石混凝土浇捣区域为B1层南侧直线加速器设备专用房间，整体重晶石混凝土用量约为2400方，顶板与底板厚2.5米侧墙厚2米，混凝土容重要求大于3200千克每立方米。该分部施工全程采用汽车泵进行输送，单次浇筑量为500-1000立方米左右，难点在于重晶石密度较大，用量多，在浇筑过程中很容易产生混凝土离析，单次浇筑如此大体量，对于混凝土的和易性要求以及重晶石的颗粒级配稳定性要求较高。

二、原材料选用

1、水泥：江苏金峰P·O52.5水泥

表1水泥检测参数

比表面积	401m2/Kg
初凝/终凝	143min/237min
安定性	合格
标准稠度	27.0%
3天抗压/3天抗折	27.6MPa/6.1MPa
28天抗压/28天抗折	57.0MPa/9.0MPa

采用P·O52.5金峰水泥来保证混凝土的强度，减少水泥用量，提高重晶石的用量，但是由于525水泥水化热较大，又由于不掺用粉煤灰的情况，所以要提高掺和料用量来降低水化热，并且还需要一定的包裹性。

2、矿粉：上海宝田S95矿粉

表2矿粉检测参数

比表面积	410m2/Kg
密度	2.92g/cm3
安定性	合格
含水量	0.2%
7天活性指数	76%
28天活性指数	95%

采用S95宝田矿粉来减少混凝土的水化热，可以减少一定的水泥用量，增加混凝土的流动性，改善混凝土的内部结构，提高抗渗和抗腐蚀能力，对混凝土泵送有利。

3、建筑用砂：重晶砂

表3重晶砂筛分析

		检测日期	2019年7月13日
级配	质量	分计筛余	累计筛余	质量	分计筛余	累计筛余	平均累计筛余（%）
5.0~10.0	87	17.4	17.4	85	17.0	17.0	17
2.5~5.0	142	28.4	45.8	141	28.2	45.2	46
1.25~2.5	73	14.6	60.4	74	14.8	60.0	60
0.63~1.25	61	12.2	72.6	60	12.0	72.0	72
0.315~0.63	53	10.6	83.2	55	11.0	83.0	83
0.16~0.315	37	7.4	90.6	36	7.2	90.2	90
底	46	9.2	99.8	48	9.6	99.8	100
总质量	499	细度模数	3.22	499	细度模数	3.20
细度模数	3.2		级配区	不入区	表观密度：4100Kg/m3

重晶砂相比于天然砂，其级配颗粒不均匀，粒径较差，主要前两档筛余较多，导致黄砂颗粒级配不入区，对混凝土和易性较为不利。可以适当提高胶凝材料总量，保证砂石的包裹性，提高混凝土的和易性和施工性能。由于重晶砂的表观密度达到4100Kg/m3，对于重晶石混凝土的表观密度、强度和耐久性有一定帮助性。

4、建筑用石：重晶石

表4重晶石检测参数

颗粒级配mm	以百分比计
31.5	0
25.5	5
16.0	53
5.00	97
2.50	99
底	100
表观密度	4080Kg/m3
含泥量	0.3%

重晶石颗粒粒径均匀，含泥量也较少，石子表面覆盖的一层都是重晶石粉，不会对混凝土性能造成明显影响，反而对混凝土和易性起到一定的积极作用。

三、配合比设计

考虑到粉煤灰密度太小，会影响到整体密度，故混凝土级配中不使用粉煤灰。考虑到重晶砂颗粒级配两头占比过大，存在不入区的情况，在满足整体密度的情况下，适当掺入一定量的天然中砂，改善其和易性。考虑到工地离搅拌站只有半个小时左右车程，且施工时间基本为夜间，混凝土坍落度损失较小，以保证现场混凝土的和易性为主，减少施工单位的压力，从而使振捣更加密室，减少气泡、孔洞、裂缝的现象。

表5  C40重晶石混凝土配合比

材料名称	水泥	矿粉	水	建筑用砂		建筑用石	外加剂
规格	P.O52.5	S95	自来水	重晶砂	天然砂	重晶石	8325
产地厂家	江苏金峰	上海宝田	/	山东	芜湖国庆	山东	麦斯特
配合比（kg/m3）	300	125	155	950	370	1320	3.6

混凝土容重≥3224Kg/m3，砂率50%，水胶比0.36，不使用粉煤灰。重晶石混凝土试拌结果

表6 试拌结果

	性能数据
表观密度	3226Kg/m3
坍落度	200mm
1小时坍损	190mm
2小时坍损	170mm
7d强度	37.4MPa
28d强度	53.9MPa

图1 重晶石混凝土小试状态

四、现场施工

图2 现场混凝土浇筑状态

采用仕高玛双卧轴的搅拌机搅拌90S出厂，路上运距大约在半小时左右，从傍晚开始浇筑，争取在天亮之前完成。由于重晶石混凝土的配比直接影响混凝土性能，所以每车混凝土出厂之前都经由地磅过磅确认计量准确，防止由于由于重晶石、重晶砂密度偏重引起的计量不准确。20方搅拌车采取只装10-12方的形式。到达现场之后快速反转，防止重晶石沉底。

图3 现场混凝土施工浇筑

现场重晶石混凝土泵送前，应先检查确认混凝土泵及泵管内无异物，且采用同水灰比的重晶石细骨料砂浆进行润滑输送管，输送设备为62米臂架式汽车泵。

五、浇筑完成后现场情况

图4 浇筑完成后的混凝土

重晶石混凝土浇筑完毕后，待其表面收头后，在顶板的表面覆盖塑料薄膜，并进行浇水养护不少于14天，养护条件的好坏对后期重晶石混凝土的结合水的含量有很大不同，包括碳化深度等，从而对重晶石混凝土防止中子射线的效率有较大影响。本次重晶石混凝土拆模后表面无孔洞、裂缝、渗漏等现象。

六、结语

1、由于重晶石重晶砂密度较高，大方量长时间连续生产过程中，骨料的称料斗的门处于高负荷状态下，会导致漏料，需要加厚称料斗的门，增加刚度，减少缝隙，从而保证计量准确。

2、重晶石、重晶砂内含的石粉为矿场破碎过程中的硫酸钡矿物本身，并不是山体表面的泥块，根据实际检测情况来看确实含泥量较低，所以在级配设计时外加剂的掺量不高，避免了因为过高掺量造成的混凝土板结。

3、在重晶石、重晶砂密度相对混凝土容重有富余的情况下适量的掺加天然砂可以弥补重晶砂颗粒级配不佳的问题。

4、泵送过程中需使用相对质量较好的泵车，建议现场留置一备用泵车防止出现意外。在放料时保持搅拌车混凝土的匀速出料，防止过多的石子或者空气进入泵车从而造成堵泵。

参考文献：

[1]方卉,王军.重混凝土的配合比设计方法的探讨[J].混凝土,2009.231.

[2]王剑.重晶石防辐射混凝土设计及性能研究[J].2014.03.117.

[3] 黄振凯，张瑞全. 重晶石防辐射混凝土配合比的设计及应用2020.10.256