含硼重晶石防輻射混凝土在廈門弘愛醫(yī)院BNCT項目中的研發(fā)與應用

林昭輝，辛清，李志勇，鄧興才

（1.廈門華信混凝土工程開發(fā)有限公司，福建 廈門 361006；2.廈門市硅酸鹽學會，福建 廈門 361008）

0 引言

采用超熱中子照射癌癥患者事先注入含硼特殊藥劑的腫瘤部位，從而有效殺死癌細胞而不損傷正常人體組織的技術，稱為硼中子俘獲治療技術（Boron Neutron Capture Therapy，簡稱 BNCT），這是一種具有“固有”安全性的生物靶向放射治療模式，該項目已落戶廈門弘愛醫(yī)院，其關鍵設備“硼中子加速器”將安裝在該院某樓負二和負一層地下室，為加強對中子射線的防護效果，要求其設備間 1.2 米厚的墻體和樓板均采用含硼重晶石防輻射混凝土澆筑，澆筑方量約 1500m3。

由于中子射線比 X 射線、γ 射線具有更強大的穿透能力，所以不能采用一般的材料防護。對于中子射線的防護材料不僅需要重元素，還需要充分的輕元素，含硼和氫的材料是中子射線良好的防護材料，因為硼和氫吸收中子后，只放出較易屏蔽的 α 射線，并不放出 γ 射線，所以，設計要求使用含硼重晶石防輻射混凝土，即選用普通水泥、硼玻璃粉和密度很大的重晶石粗細骨料，不僅使混凝土的表觀密度達到設計要求，且含有硼元素和大量的結合水，因為水中的氫元素最高。

設計要求含硼重晶石防輻射混凝土的技術要求指標是：

（1）混凝土強度和抗?jié)B等級不低于 C30P6。

（2）混凝土表觀密度不小于 3300kg/m3。

（3）混凝土中硫酸鋇含量不少于 70%（質量百分比）。

（4）混凝土中硼含量不低于 0.5%（質量百分比）。

（5）混凝土拌合物現(xiàn)場坍落度不大于 180mm。

針對含硼重晶石混凝土的各項技術指標要求，必須先選擇好高品質的原材料，再進行配合比的設計、試算、試配和優(yōu)化。

1 原材料選擇

1.1 水泥

水泥是混凝土中最主要的膠凝材料，針對該項目選用安徽蕪湖生產的海螺 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，其表觀密度為 3050kg/m3；熟料中 C3A 含量不大于 8%，3 天和 28 天水泥膠砂抗壓強度分別為：30.2MPa 和48.6MPa，初凝時間為 135min，終凝時間為 196min。試驗證明，該水泥雖然早期強度偏高，但質量較穩(wěn)定，用它配制出來的混凝土強度波動較小。

1.2 骨料

本工程所用重晶石粗細骨料選用同一礦床的重晶石，其技術指標必須符合國標 GB/T 50557—2010《重晶石防輻射混凝土應用技術規(guī)程》的要求，亦應符合現(xiàn)行行業(yè)標準 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》。其中所選購的重晶石骨料中硫酸鋇含量經業(yè)主委托國家建筑材料測試中心檢測結果分別為：重晶石中硫酸鋇含量 95.32%，重晶石砂中硫酸鋇含量 83.72%，設計要求重晶石骨料中硫酸鋇含量應大于 85%；其重晶石粗骨料表觀密度為 4082kg/m3，粒徑為 5～25mm，符合連續(xù)級配；重晶石砂的表觀密度為4070kg/m3，粒徑符合Ⅱ區(qū)中砂的規(guī)定，石粉含量小于7%。

1.3 硼玻璃粉

要求硼玻璃粉中三氧化二硼含量不小于 30.0%（重量百分比），抽檢樣品經國家建筑材料測試中心檢測結果為：三氧化二硼含量 32.02%，硼玻璃粉的表觀密度為 2710kg/m3，設計要求含硼重晶石混凝土中硼含量達到 0.5%（占混凝土質量百分比）。業(yè)主要求硼玻璃粉一次性采購到位。經過四方聯(lián)合抽樣檢驗合格后存放于儲罐、筒倉或室內倉庫，并做好“標識”，注意防潮。

1.4 礦物摻合料

為提高含硼重晶石混凝土的工作性能和力學性能、降低大體積混凝土的水化熱。我司選用Ⅰ級粉煤灰替代部分硅酸鹽水泥，粉煤灰的表觀密度為 2350kg/m3。

1.5 減水劑

減水劑的應用對含硼重晶石混凝土的工作性能有著至關重要的作用，是配制防輻射混凝土必不可少的一種外加劑，須具備高減水率、高保坍性、降粘效果好、收縮性小等性能。該混凝土減水劑選用廈門“宏發(fā)”特配聚羧酸高效減水劑。

2 配合比設計

為滿足含硼重晶石混凝土對中子射線的防護要求，確定采用體積法對該混凝土配合比的主要參數(shù)進行設計試算和試配調整，其目標是使該防輻射混凝土性能符合設計要求的技術指標，若其中一項指標不能滿足，須再繼續(xù)進行試配調整，直到合格。

所以，在配合比設計時，應首先考慮到：

（1）該含硼重晶石混凝土的表觀密度不小于3300kg/m3，對混凝土的抗離析要求高；另外，該混凝土中粉體材料（水泥及礦物摻合料、硼玻璃粉、骨料中的石粉含量）量較多，導致混凝土拌合物粘性大，如何保證施工性能。

（2）如何保證含硼重晶石混凝土中的硫酸鋇含量不少于 70%（占混凝土質量百分比）；硼元素含量不低于 0.5%（占混凝土質量百分比）。

2.1 初步配合比設計

2.1.1 混凝土單方材料用量

該項目是采用特種材料配制具有特殊性能的現(xiàn)代混凝土，且對含硼和硫酸鋇含量又有嚴格的限量，所以不能按一般的普通大體積混凝土設計配合比，在此先選擇和計算膠凝材料（含所有粉料）用量及用水量，再計算漿體體積，在此，漿體體積中包含膠凝材料（水泥、摻合料及其它粉料）和水的體積。在忽略含氣量所占體積的前提下，從 1 立方米混凝土拌合物總體積中減去漿體體積，就是骨料體積，骨料體積中包含重晶石和重晶石砂的體積。以下根據原材料情況和對防輻射混凝土的技術要求分別計算或選取該混凝土的單方材料用量：

本項目中，含硼重晶石混凝土拌合物的漿體體積等于所使用的膠凝材料水泥、粉煤灰和硼玻璃粉及水的體積之和。其中，為保證強度和地下防水混凝土要求，水泥用量選取 260kg/m3；為使抗?jié)B混凝土中，膠凝材料總量（不含非活性的硼玻璃粉料）不低于 320kg/m3，并保證拌合物的施工性能和后期強度，特選擇摻加Ⅰ級粉煤灰 60kg/m3。

硼玻璃粉是透明粉料，在此作為非活性膠凝材料摻加。由于混凝土中含硼量要求不低于 0.5%（質量百分比），若按技術要求預設該混凝土的表觀密度為3300kg/m3，即在 1 立方混凝土中硼含量為：3300×0.5%=16.5(kg)，而在三氧化二硼（B2O3）中，硼含量所占的百分比為：11×2/(11×2+16×3)×100%=31.43%，另外，考慮到硼玻璃粉中三氧化二硼含量的穩(wěn)定性，雖然抽取的樣本檢測值為 32.02%，在此仍按最低含量不低于 30% 計算。所以，要使含硼重晶石混凝土中，硼含量達到 0.5% 以上，在第Ⅰ組配合比中每方混凝土至少需要摻加硼玻璃粉：16.5÷31.43%÷30%=175(kg)，考慮到硼玻璃粉中三氧化二硼含量的波動，經設計和建設方同意，在另外的第 Ⅱ 組和第 Ⅲ 組配合比中，將其硼玻璃粉的實際使用量的富余系數(shù)提高到 1.1～1.2倍計算，即后兩組配合比中，硼玻璃粉的用量分別選用 175×1.1=192(kg) 和 175×1.2=210(kg)，進行試配對比，在對比試驗中，選定拌合用水量為 176kg。至于液體減水劑中含水量，因試配時已從拌合水中扣除，所以其減水劑固含量部分的體積予以忽略，其減水劑摻量為膠凝材料（粉料）總量的 3.10%。

至此，可以列出水泥、粉煤灰及拌合水用量相同，而硼玻璃粉用量不同的三組配合比的膠凝材料質量和用水量 mw，再除以各自材料的表觀密度 ρ 從而可得出漿體體積的計算公式為：

式中：mc、mf、mp、mw和 ρc、ρf、ρp、ρw分別為水泥、粉煤灰、硼玻璃粉及水的質量和表觀密度。三組配合比的漿體體積及膠凝材料和水用量分別計算后列于表1 中。

（2）骨料體積及粗細骨料用量的計算

本項目中，在忽略含氣量體積和減水劑中固含量體積的情況下，從 1 立方混凝土拌合物中減去漿體體積VP，即等于粗細骨料總體積：VA=1-VP。

為了計算單方混凝土中粗細骨料的總用量 ma，須先確定該配合比中的砂率 βs，考慮到粗骨料重晶石中含有 5mm 以下重晶石小顆粒達 6.5% 及其石粉 0.8% 以上，因此計算時特意降低砂率，?。害聅=27%。

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然后，計算粗、細骨料混合后的表觀密度：

再計算單方混凝土中粗細骨料的總用量 ma=ρa×VA

其中：細骨料砂用量：ms=ma×βs

粗骨料石用量：mg=ma-ms

例如第Ⅰ組配合比中，漿體體積：VP=0.351m3則骨料體積為：VA1=1-0.351=0.649(m3)

所以，粗、細骨料的總質量為：

ma=ρa×VA=4079×0.649=2647(kg)

細骨料重晶石砂用量：

ms=ma×βs=2647×27%=715(kg)

粗骨料重晶石用量：mg=ma-ms=2647-715=1932(kg)

表1 混凝土基準配合比及相關參數(shù)

使用同樣方法可計算出另外第 Ⅱ 和第 Ⅲ 兩組配合比的粗、細骨料用量。共三組配合比的粗細骨料總體積及砂、石用量也列入表 1 中。

2.1.2 對 C30 防輻射混凝土三組配合比的表觀密度、硼元素和硫酸鋇含量進行推算和實測驗證

（1）第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三組配合比的混凝土拌合物表觀密度計算結果分別為：3320kg/m3、3310kg/m3和3300kg/m3，均大于或等于 3300kg/m3。

（2）第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三組配合比中，每方混凝土硼元素含量（質量）計算：

第Ⅰ組：硼元素含量 175×30%×31.43%=16.50(kg)

第Ⅱ組：硼元素含量 192×30%×31.43%=18.10(kg)

第 Ⅲ 組：

硼元素含量 210×30%×31.43%=19.80(kg)

以上三個配合比中，硼元素含量占各自混凝土表觀密度（質量）的百分比分別為：

第Ⅰ組：16.50/3320=0.49(%)

第Ⅱ組：18.10/3310=0.55(%)

第 Ⅲ 組：19.80/3300=0.60(%)

經計算得知，除第Ⅰ組外，其余兩組配合比的硼元素含量均超過 0.5% 的技術指標。

（3）第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 三組配合比中，硫酸鋇含量在混凝土中所占比例計算：

根據對三組配合比中的重晶石粗、細骨料中硫酸鋇含量抽檢樣本的實測結果，重晶石中硫酸鋇含量95.32%，重晶石砂中硫酸鋇含量 83.72%，在此，重晶石細骨料中硫酸鋇含量按 83.7% 計算，重晶石粗骨料中硫酸鋇含量按 95.3% 計算，則三組配合比中每方混凝土硫酸鋇含量（質量）分別為：

第Ⅰ組：

mBa=715×83.7%+1932×95.3%=598+1841=2439(kg)

第Ⅱ組：

mBb=708×83.7%+1915×95.3%=593+1825=2418(kg)

第 Ⅲ 組：

mBc=700×83.7%+1894×95.3%=586+1805=2391(kg)

以上三組配合比中，粗、細骨料中硫酸鋇總含量占各自混凝土表觀密度（質量）的百分比分別為：

第Ⅰ組：2439/3320=73.46(%)

第Ⅱ組：2418/3310=73.05(%)

第 Ⅲ 組：2391/3300=72.45(%)

由計算結果可知，三組配合比中的硫酸鋇含量均滿足超過混凝土質量 70% 的技術要求。以下將其計算值與第三方（質撿部門）對混凝土試件的檢測值對照列表見表 2。

表2 中第Ⅰ組配合比的硼玻璃粉用量 175kg，硼元素與混凝土的質量百分比小于 0.5%，無論推算值或實測值均不能滿足技術要求，第Ⅱ組和第 Ⅲ 組配合比的硼元素含量分別達到技術指標 0.5% 的 1.06 倍和 1.14倍，都能滿足要求；硫酸鋇含量與混凝土的質量百分比在三組配合比中無論推算值或實測值均大于 70%，都能滿足技術指標要求。

2.1.3 對 C30 防輻射混凝土三個配合比的施工性能和力學性能試配驗證

實測結果列于表 3。

表2 混凝土表觀密度及硼元素和硫酸鋇含量驗證值

表3 施工性能和力學性能試配結果（實測值）

2.2 優(yōu)選試驗室配合比

對照需方原設定的各項技術指標要求，通過對三個配合比的多次試配驗證，對其綜合性能進行比較，最后經協(xié)商確定選擇第Ⅲ組配合比為試驗室配合比，并以不同減水劑摻量再次進行試配，配合比及性能試驗結果見表 4。

由試驗結果可看出當減水劑摻量為 3.20% 時，拌合物施工性能最優(yōu)。

2.3 確定生產用基準配合比

用同一重晶石礦場上的 2 個不同批次的重晶石骨料，對生產用基準配合比（表 4 中的 2# 配合比）進行試配驗證，其拌合物性能和硬化后混凝土力學性能的驗證結果見表 5。

經過 2 次試配驗證說明用該配合比拌制的混凝土質量穩(wěn)定，工作性能、力學性能與各項技術指標均能滿足工程設計要求。

3 生產過程質量控制

含硼重晶石混凝土在廈門弘愛醫(yī)院共開盤生產了三次，每次生產的混凝土經現(xiàn)場取樣檢驗，其表觀密度在3290～3320kg/m3之間，拌合物坍落度約 180～190mm左右，擴展度一般都大于 400mm，施工性能良好。該項目四個部位共澆筑含硼重晶石混凝土 1486m3，出廠取樣試件先后共制作 8 組，按非統(tǒng)計方法評定其平均強度值為 49.0MPa，其中最小值 36.7MPa，最大值57.2MPa。對含硼重晶石混凝土中硫酸鋇含量和硼含量的檢測，由需方委托國家建筑材料測試中心按構件部位四次抽樣檢測，結果列于表 6。

表4 C30P6 混凝土試驗室配合比優(yōu)化

表5 混凝土性能驗證結果

表6 含硼重晶石防輻射混凝土硫酸鋇含量和硼含量的實測值

齡期 60 天后，混凝土構件未發(fā)現(xiàn)明顯的裂縫，質量評定合格。

在含硼重晶石混凝土生產和供應過程中，應注意以下環(huán)節(jié)：

3.1 對粗、細骨料石粉含量的控制

由于粗、細骨料中的石粉含量對減水劑的吸附性能和混凝土流動性有著重要影響，為此我司要求施工單位采購的粗、細骨料應選用同一礦床重晶石且與試配提供的材料相一致。每次進貨前必須由我司安排試驗員檢測合格后方可進貨。

3.2 對硼玻璃粉的進廠控制

硼玻璃粉中三氧化二硼含量決定著含硼重晶石混凝土研發(fā)的成敗，因此我司要求施工單位必須提前一次性采購到位，并經過四方共同抽檢，檢驗合格后存放于室內倉庫，做好“標識”，注意防潮，待混凝土生產時，再提前運送至攪拌站入庫待用。

3.3 生產及運輸控制

（1）生產前需將骨料倉清空并用清水沖洗，確保骨料倉干燥無積水，并須檢查確認沒有其他骨料殘存。

（2）存放硼玻璃粉的粉料筒倉需提前清倉，并用破拱氣壓多次吹掃以及錘擊筒倉錐體等方式進行清理，經確認筒倉和螺運機內沒有殘存的粉料，方可裝料。

（3）每次開盤前，先將攪拌機清理并沖洗干凈，確保攪拌機內部無結料。并保證用專機生產重晶石混凝土，避免受其他工程混凝土的影響。

（4）由于骨料密度量大，重晶石骨料上料時，需先將進料斗的下料口尺寸調整減少到原有的 2/3 左右，以降低下料量，減少皮帶上料負荷，防止皮帶打滑以及電機過熱。

（5）調整骨料秤漏斗排放門的氣缸行程，使之減少到原來的 1/2～2/3 左右，或采用骨料秤計量結束后落料時用手動方式分 2 次落料的方法，以降低重晶石骨料的下料量，減少皮帶上料負荷。

（6）由于含硼重晶石混凝土密度大、總粉量高，經試驗我司 3m3攪拌機每盤拌制不大于 1.5m3，攪拌時間設為 240s，以保證拌合物均勻并防止攪拌機電流過大造成攪拌機“燜鍋”。

（7）含硼重晶石混凝土裝車之前須清洗攪拌車，并確認攪拌桶中的積水完全排干，含硼重晶石混凝土應固定幾部車輛專運，攪拌車的動力以及液壓設備攪拌葉片必須先經檢查完好后，方可運行。

（8）因含硼重晶石混凝土密度較大，故須減量裝車，防止超載，每車按照 3～4m3方量運送至工地，途中保持滾筒慢速旋轉，不得隨意停車和更改行進路線，不得擅自加水以保證拌合物均勻。

（9）生產含硼重晶石混凝土的攪拌主機每隔 1 小時必須清洗一次，攪拌車須每次清洗并排干積水防止攪拌葉片結料；清洗主機和攪拌車的殘料必須另外放置并處理，不能和普通混凝土的殘料一起進行回收再使用。

（10）含硼重晶石混凝土每車出廠前，必須檢測和易性及坍落度，出廠坍落度應控制在 180～200mm 左右，施工現(xiàn)場坍落度宜控制在 160～180mm 左右。

（11）每次開盤后的前 3 車混凝土出廠須取樣檢測其坍落度、和易性是否與試配過程一致，若有變化則馬上調整至接近試配狀態(tài)，確保出廠混凝土狀態(tài)在可控范圍且無異常變化。待生產穩(wěn)定后每車出廠前目測混凝土坍落度，觀察和易性與先前是否一致。

（12）在施工現(xiàn)場我方安排由經驗豐富的試驗員全程跟蹤施工過程，隨時加強工地和生產廠內的聯(lián)絡，及時反饋現(xiàn)場實際情況和施工要求，以便廠內適時調整。

4 施工過程控制

對于含硼重晶石混凝土的施工，為確保工程質量，應制定專門的施工方案，并宣貫到每個崗位認真實施。

（1）要求混凝土拌合物送達工地后應具備良好的流動性、粘聚性和保水性，不得有泌水、離析和分層現(xiàn)象。由于含硼重晶石防輻射混凝土的特殊性，確定用非泵送方法施工，先把拌合物從攪拌車卸料到吊罐中，再用塔式起重機將吊罐送到澆筑地點，分層卸入要澆筑的部位并振搗密實。圖 1 為施工現(xiàn)場圖。

圖1 施工現(xiàn)場圖

（2）由于含硼重晶石混凝土密度較大，所以澆筑時拌合物對模板的沖擊力、側壓力都很大，故要求模板一定要堅固牢靠，要有足夠的剛度，保證在澆筑時不發(fā)生損壞和變形。為達到良好的保溫效果，應采用多層實木膠合板制作模板。并應按要求組織專家論證，嚴格按照論證后的方案實施。

（3）含硼重晶石混凝土拌合物的自由傾落高度不應大于 1.5 米，現(xiàn)場必須有防止含硼重晶石混凝土離析的措施。對于豎向構件應采用分層灌筑的方式，每層混凝土厚度不大于 400mm；對于水平構件宜采用斜面分層連續(xù)澆搗；分層澆筑時，上層與下層的澆筑間歇時間不得超過含硼重晶石混凝土的初凝時間。應保證含硼重晶石混凝土構件內部均勻、密實，振搗要充分，但不得漏振或過振。

（4）含硼重晶石混凝土施工應避開大風、雨水和炎熱天氣，防止含硼重晶石混凝土品質出現(xiàn)問題。

（5）含硼重晶石混凝土結構的薄弱部位或應力集中部位，應采取增加附加鋼筋、暗柱、暗梁等構造加強措施。地下室外墻會受到地下室底板強大的約束，外墻還會受到較大的溫度應力和干燥收縮應力，應在外墻中配置用于抗裂的水平構造筋和暗梁來提高抵抗變形（圖2）。

圖2 配置水平構造筋和暗梁

（6）為預防含硼重晶石混凝土開裂，在澆筑后，必須及時用塑料薄膜和土工布嚴密覆蓋進行保溫和保濕。對于大體積含硼重晶石混凝土的施工，構件中心和表層溫差、表層與大氣溫差不得超過 20℃，構件表面進行保溫保濕養(yǎng)護，7 天內嚴格保持含硼重晶石混凝土中的水分不得散失，7～28 天內，構件周圍環(huán)境濕度不得低于 80%，若未能滿足要求，須采取向構件周圍噴霧的方法解決，含硼重晶石混凝土構件中的結合水多少，將直接影響含硼重晶石混凝土對中子射線的防護效果。

（7）保濕保溫用的塑料布拆除后，若混凝土構件表面還存在缺陷，須進行修補，并在裝修前先涂刷混凝土表面防護層，以提高結構使用壽命。

5 結語

（1）含硼重晶石防輻射混凝土的研發(fā)與應用，首先應根據技術指標要求，合理地選擇原材料，并利用和發(fā)揮各原材料性能，科學合理地設計優(yōu)化配合比。

（2）對含硼重晶石混凝土生產、供應和施工過程，從原材料進場檢驗、混凝土攪拌、運輸、施工、養(yǎng)護等每一個環(huán)節(jié)，都必須全程實施監(jiān)控。

（3）生產前要充分考慮生產供應過程和施工過程中，可能會發(fā)生的各種問題和造成的不利影響，做到未雨綢繆、有備無患，做好預案，包括原材料供應、天氣變化、設備運行狀況等，制定詳細可行的質量策劃，以優(yōu)質服務密切配合施工現(xiàn)場澆筑，確保工程質量。

廈門弘愛醫(yī)院 BNCT 項目含硼重晶石混凝土于2019 年 12 月～2020 年 1 月期間先后分三次澆筑完畢，經過廈門華信混凝土工程開發(fā)有限公司以及施工方的通力合作，生產供應以及澆筑施工、后期養(yǎng)護等過程均非常順利，含硼重晶石混凝土的各項指標均達到了設計要求，得到甲方以及監(jiān)理方的好評。