上海建工材料工程有限公司技术质量部 上海 200086
摘要：结合泰和诚肿瘤医院项目直线加速器室的混凝土供应，介绍了重晶石混凝土的原材料选取、配合比的设计和试配、拌合物的工作性能和力学性能、以及混凝土供应质量控制等内容。为较高强度重晶石混凝土在防辐射工程领域内的应用提供了借鉴。
关键词：防辐射混凝土；重晶石；表观密度
随着医疗科技的发展，直线加速器作为一种新兴科技产品在放射治疗过程中被大量应用。虽然直线加速器对相关疾病的医治效果良好，但伴随其使用，大量产生电子线、X射线、γ射线、中子射线等高能电子辐射，其对周围人群造成的伤害，却不能忽视。而以混凝土结构作为屏蔽辐射的屏障，无疑是十分经济的。重晶石防辐射混凝土，是一种以采用硫酸钡含量不小于85%，且结合水较多的矿石——重晶石作为粗细骨料、拌制而成的混凝土。其通过加大混凝土的表观密度和密实度，以达到进一步提高防辐射能力的目的。
一．工程概况
泰和诚肿瘤医院新建项目（一期），总建筑面积为158769㎡。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。本工程地下结构形式为钢筋混凝土框架剪力墙结构，其中涉及重晶石混凝土浇捣的区域为B1层南侧的射波刀设备（一种直线加速器的改进形式）专用房间，整体重晶石混凝土用量约为2200m³，顶板与底板厚2500mm，侧墙厚2000mm。重晶石混凝土设计强度为C40（龄期为28d），要求混凝土表观密度≥3200Kg/m³。
二．试验配制
1.配合比设计思路
从表观密度、水化热控制、力学性能、工作性四方面加以综合考虑。（1） 表观密度：普通混凝土一般表观密度为2400Kg/m³左右。重晶石混凝土表观密度则为（2800-3600）Kg/m³，表观密度的增加通常通过粗细骨料选用重晶石和重晶砂来实现。3200Kg/m³的要求在重晶石混凝土里并不算高，因此可以考虑天然骨料替代部分重晶砂石。（2）水化热控制：顶板、底板以及侧墙的厚度都大大超过了1000mm，属于大体积混凝土结构，则水化热的控制就必须予以关注了。在胶凝材料中加入部分外掺料是降低混凝土水化热的常见措施，同时由于C40的较高设计强度，又为水泥品种的确定提供了42.5和52.5两个选择。这里经常有一个认识上的误区，就是往往认为52.5水泥的水化热要高于42.5水泥，实际上我们要控制的是混凝土的水化热，配合比设计中单位体积混凝土中的水泥用量的多少同样对水化热有影响。当采用52.5水泥，用量大大少于使用42.5水泥时，配合外掺料的作用，水化热未必更高。（3）力学性能：最重要的指标就是28d龄期的立方体抗压强度了。重晶石的性脆易碎特性，使其成为了重晶石混凝土强度上的瓶颈，所以少量使用天然骨料在有利于成本控制的同时（重晶石的价格大大高于天然骨料），对强度的提高也有一定的助益，这一点同样有利于前文表观密度的控制。（4）工作性：重晶石混凝土由于重晶石表观密度较大，使得骨料在混凝土拌合物中易发生下沉，导致混凝土离析现象的产生。选用合适的外加剂，掺入一定量的外掺料，采用恰当的砂率，改善拌合物的和易性，控制入模坍落度（预估商品混凝土运输而发生的经时坍损）等也应作为配合比确定的影响因素。（5）以上四方面的思考，需通过混凝土小样的试配来加以论证。第一组试配的对比，以配合比是否采用天然砂替代部分重晶砂（两者比例为1：3）为考量因素；第二组对比，以配合比分别采用42.5水泥和52.5水泥为考量因素。两组对比，在确保混凝土表观密度要求的前提下，重点观察混凝土的强度和工作性。
2.原材料的选取
（1）水泥：选用了承担混凝土供应任务的搅拌站常用的江苏金峰的P.O.52.5水泥和P.O.42.5水泥。大品牌常规型号水泥的使用，保证了水泥质量的稳定性，也有利于搅拌站筒仓的最大利用率。从复试的检测数据来看，这两种水泥的质量还是相当可靠的（见表1）。（2）外掺料：选用上海宝田的S95级矿粉。其28天的活性指数比，常年稳定在100%以上，在降低水化热，改善和易性的同时，确保对28天强度无影响。而且从更长龄期的表现来看，掺入合格S95矿粉的混凝土后期强度增长更高于使用纯水泥的混凝土。（3）外加剂：选用上海建工麦斯特公司的聚羧酸-高性能减水剂MGS8325。匀质性指标：含固量达到19.73%，砂浆减水率为20.0%。其不仅通过高减水率，大大降低胶凝材料用量，而且兼具优秀的保坍性能。（4）骨料：为了满足3200Kg/m³的表观密度，选用出产地为陕西的重晶石和重晶砂（见图1、图2）。并选用芜湖国庆的河砂来替代部分重晶砂，河砂的细度模数为2.4，属II区砂，含泥量1.1%。
表1 P.O.52.5及P.O.42.5水泥检测数据
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重晶石粗骨料（简称重晶石）：采用硫酸钡含量不少于85%的重晶石矿石压碎制成的5-25碎石（物理性能指标见表2）。重晶石细骨料（简称重晶砂）：由重晶石矿石压碎、筛分，粒径小于4.75，且大于等于75μm的颗粒（物理性能指标见表3）。
表2 重晶石物理性能指标
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表3 重晶砂物理性能指标
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3.小样试配
依据《重晶石防辐射混凝土应用技术规范》（GB/T 50557-2010）以及《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）的相关规定，对C40重晶石混凝土进行配合比设计，设计坍落度（160±30），表观密度≥3200Kg/m³。对于需论证的配合比以是否天然砂替代部分重晶砂、以及不同强度等级的水泥种类作为主要考量的因素，分别设计配合比。对于单个配合比的设计过程中，有两个参数也应重点考虑。其一，商品混凝土的运输距离、经时坍损，为保证入模坍落度，所以需适当放大试验坍落度；二，重晶石混凝土因自重大易发生离析，可选取较大的砂率，以此改善混凝土的匀质性和和易性（注：较大的砂率对浆体的需求量随之变大，在较高强度混凝土中，胶凝材料相对较多，恰巧迎合了这一点）。在综合考虑各项条件后，设计了以下四个重晶石混凝土配合比，并加以小样试配（见表4）。
表4 重晶石混凝土试验配合比
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4.试验结果分析（见表5）
表5 重晶石混凝土试验结果
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结果分析：（1）和易性：对比配比A-1与A-2、B-1与B-2两组的拌合物状态可见，由于重晶石矿石性脆易碎的的特点，因此重晶砂中的粉状颗粒较多，在颗粒级配方面，往往不入区，而通过合格的天然II区中砂替代部分重晶砂，更有利于空隙的填充，使得混凝土的和易性得到改善。（2）强度：由配比A-1与A-2、B-1与B-2两组对比可见，仅仅天然砂替代部分重晶砂，对混凝土强度基本无影响。（3）由配比A-1与B-1、A-2与B-2两组对比可见，同类型的52.5水泥和42.5水泥在水胶比相近时，强度基本无差别，而水泥使用量却能够大大降低。在水泥用量差别如此巨大的情况下，无疑使用52.5水泥更有利于水化热的降低。（4）坍落度：由四个配比实测坍落度及拌合物状态可见，得益于聚羧酸类高性能减水剂的良好性能，在用水量较低情况下，依然能获得大坍落度，并能保证一定的和易性，在配置较高强度的泵送混凝土时，可优先考虑。综合小样试验结果，确定配合比A-2为用于工程施工的重晶石防辐射混凝土的配合比。
三．工程应用
上海建工材料工程有限公司第四分公司在参考了试配试验结果后，于2019年8月-10月的供应过程中，又采取了如下质量保证措施：（1）生产控制：采用3m³强制搅拌机，实际单次拌制量为2 m³，搅拌时间设置为120s。重晶石混凝土较大的表观密度，导致和易性不易保证，单次拌制量的减少、搅拌时间的延长均有利于混凝土拌透拌匀。更重要的是，聚羧酸-高性能减水剂所拌制的混凝土，如搅拌时间较短，经常会出现坍落度“倒大”现象，使得运至施工现场的混凝土发生离析。（2）泵送：泵送设备采用了1台62米臂架式汽车泵。超长的臂长决定了泵车必须以更大的输出功率加以匹配，满足了重晶石混凝土3200Kg/m³这一大大超出普通混凝土表观密度的特性，同时也确保了商品混凝土能顺利地浇筑于各个结构部位。（3）拌合物表观密度的控制：为了确保重晶石混凝土的表观密度，除了每次混凝土供应时，均进行拌合物的表观密度检测以外，还采用经校准合格的标准150×150×150mm³钢试模制作混凝土试件，对硬化后的混凝土实体进行表观密度复检，确保了所供重晶石混凝土满足表观密度要求。（4）出厂混凝土坍落度：利用电子计量系统，各原材料得到精确称量后，投入搅拌机搅拌。出料经检测后，需满足混凝土坍落度不低于200mm，方允许出厂。使得经过半小时运输，到达施工现场的混凝土在保证和易性的同时，入模坍落度均不低于180mm。历时3个月，共计10次混凝土供应任务。泰和诚肿瘤医院项目重晶石防辐射混凝土的施工终于得以保质保量的顺利完成。经第三方检测机构的检测，各项指标均达到设计要求。
四．结论
通过本次对C40强度重晶石混凝土（表观密度≥3200Kg/m³）的设计、试配，直至顺利完成供应任务，可以得到以下结论：（1）重晶石防辐射混凝土除了表观密度大大超出普通混凝土以外，其它性征特质与普通混凝土基本一致。（2）在设计表观密度小于等于3200Kg/m³的重晶石防辐射混凝土时，用合格的天然II区中砂替代部分重晶砂，不仅更经济，而且能够弥补重晶砂颗粒级配不佳的短板，加强其空隙填充率，对混凝土拌合物和易性十分有利。（3）由于重晶石混凝土主要应用于防辐射建筑结构，为达到更好屏蔽效果，此类结构混凝土构造多数属于大体积混凝土的范畴。当设计强度较高时，选用52.5水泥比42.5水泥所耗水泥用量要少得多，更利于水化热降低。（4）在设计较高强度的重晶石防辐射混凝土时，由于有较多浆体，满足对因砂率加大而导致表面积增加，因此可适当放大砂率，改善混凝土拌合物流动性。（5）重晶石混凝土在生产应用时，应适当延长搅拌时间、减少单次拌制量，以适应较大的表观密度，在确保和易性的同时，获取较大的入模坍落度，保证泵送过程的顺利实施。
参考文献：
[1]尉中华.重晶石混凝土配合比设计及应用［J］.福建建材，2018，37（3）：50.
[2]李富海等.防辐射重晶石混凝土配合比设计的试验研究［J］.商品混凝土，2017，14（12）：53.
作者简介：梁国强（1979.01-），男，汉族，江苏盐城市人，本科学历，上海建工材料工程有限公司高级主管，主要研究方向：商品混凝土及混凝土预制构件质量管理。