小型化質(zhì)子加速器機(jī)房防輻射大體積重混凝土制備及施工技術(shù)*

武 超，王 偉，王榮輝，林華敏，黃心穎，李志正，王義志，王梅杰

(1.中建三局集團(tuán)有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430064；2.華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院，湖北 武漢 430030)

1 質(zhì)子治療設(shè)備的技術(shù)發(fā)展歷程

質(zhì)子治療設(shè)備發(fā)展經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)室階段、大型質(zhì)子設(shè)備階段、小型質(zhì)子設(shè)備階段。

1)實(shí)驗(yàn)室階段 1903年英國物理學(xué)家威廉·亨利·布拉格(William Henry Bragg)發(fā)現(xiàn)布拉格峰效應(yīng)，通過近50年的研究，1952年在美國加州大學(xué)伯克利分校的勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室開展最初的質(zhì)子和氦粒子放療試驗(yàn)，并于1954年首次使用質(zhì)子射線治療晚期乳腺癌患者。

2)大型質(zhì)子設(shè)備階段 1990年美國洛瑪琳達(dá)大學(xué)醫(yī)學(xué)中心建成全球第一家以醫(yī)院性質(zhì)成立的質(zhì)子治療中心，開創(chuàng)現(xiàn)代質(zhì)子治療醫(yī)學(xué)中心的時(shí)代。后續(xù)通過16年的持續(xù)研究，2006年MD Anderson質(zhì)子中心建成。該階段質(zhì)子機(jī)房加上輔助設(shè)備和設(shè)施，占地面積近1萬m2，1棟建筑就是1個(gè)質(zhì)子設(shè)備機(jī)房。

3)小型質(zhì)子設(shè)備階段 2012年Mevion小型集成質(zhì)子設(shè)備獲得FDA批準(zhǔn)，并于2013年治療首位患者。占地面積較小，一般單個(gè)機(jī)房占地面積約260m2。

2 工程概況

華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)院光谷院區(qū)配套項(xiàng)目(質(zhì)子大樓)位于武漢市東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)高新大道501號(hào)，南面與高新大道相鄰，西鄰三環(huán)線高架。該質(zhì)子大樓總建筑面積約12 500m2，包含質(zhì)子加速器機(jī)房(見圖1)、直線加速器機(jī)房、回旋加速器機(jī)房、磁共振加速器機(jī)房、PET(CT/MR)、辦公室、會(huì)議室等配套用房。小型化質(zhì)子加速器如圖1所示。質(zhì)子機(jī)房剖面如圖2所示。

圖1 小型化質(zhì)子加速器(單位：m)

圖2 質(zhì)子機(jī)房剖面

3 組織管理重難點(diǎn)

1)大體積混凝土溫度控制難 小型化質(zhì)子加速器區(qū)域構(gòu)件尺寸普遍>2m，應(yīng)控制水化熱、結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差、最大中心溫度等使其滿足規(guī)范要求，避免裂縫產(chǎn)生。

2)大體積混凝土收縮控制難 應(yīng)調(diào)整骨料顆粒級(jí)配、砂率及添加外加劑的含量，把握混凝土的生產(chǎn)、澆筑和養(yǎng)護(hù)，避免混凝土收縮產(chǎn)生裂縫。

3)配置32kN/m3重混凝土難 國外鐵礦石受國際形勢影響，購置風(fēng)險(xiǎn)大、價(jià)格昂貴、容重大、易下沉，尋找國內(nèi)優(yōu)質(zhì)鐵礦石，且滿足粗骨料密度配置要求難度大。

4)配置滿足耐久性要求的混凝土難 該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年限50年，在輻射作用下，極大影響混凝土壽命，對(duì)混凝土的耐久性配置要求高。

基于以上難點(diǎn)，各參建單位從混凝土原材料控制、配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化，混凝土生產(chǎn)、施工、測溫及養(yǎng)護(hù)方面進(jìn)行研究，保證小型化質(zhì)子加速器防輻射大體積重混凝土的施工質(zhì)量。

4 重混凝土制備技術(shù)

4.1 混凝土原材料控制技術(shù)

大體積混凝土所用原材料應(yīng)性能穩(wěn)定，符合相關(guān)現(xiàn)行國家和行業(yè)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定要求。此外，應(yīng)考慮環(huán)境條件影響，使配制的混凝土滿足施工、力學(xué)、體積穩(wěn)定性、耐久性及防輻射功能要求?；炷猎牧现攸c(diǎn)控制指標(biāo)如下。

1)水泥

采用P·O42.5、中低水化熱水泥，有利于控制混凝土內(nèi)部的水化熱及溫升。

2)粉煤灰

采用Ⅱ級(jí)粉煤灰。摻適量粉煤灰，不僅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熱，延遲熱峰。

3)礦粉

采用S95礦粉，摻入適量礦粉可改善混凝土流動(dòng)度,降低水泥水化熱，提高混凝土抗?jié)B能力、后期強(qiáng)度，改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高抗?jié)B和抗腐蝕能力?；炷翐饺肽ゼ?xì)礦粉后能延緩膠凝材料的水化速度,使混凝土的凝結(jié)時(shí)間延長。

4)磁鐵礦石粗骨料

防輻射混凝土骨料宜采用磁鐵礦，不得使用赤鐵礦、褐鐵礦、黃鐵礦(影響成型效果)。鐵礦石粗骨料宜采用二級(jí)或多級(jí)級(jí)配骨料混配而成，以滿足顆粒級(jí)配要求。

骨料原材料選取主要考慮顆粒級(jí)配、粒型、表觀密度、有害物質(zhì)含量、Fe3O4含量等?；诖隧?xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，項(xiàng)目考察國內(nèi)外10余家磁鐵礦石廠家，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)磁鐵礦質(zhì)量一般，難以滿足項(xiàng)目需求。進(jìn)口磁鐵礦各項(xiàng)指標(biāo)較好，但成本高，不能保證供應(yīng)足量。

項(xiàng)目通過第1道初選(選出雜質(zhì))、礦石第2道磁選(選出滿足要求的鐵礦石)、顆粒級(jí)配第3道篩選(選出滿足顆粒級(jí)配的鐵礦石)工序，最終選出的鐵礦石質(zhì)量較高，相關(guān)均質(zhì)性、容重、壓碎值、有害雜質(zhì)、表觀密度等(>4 200kg/m3)均符合重混凝土對(duì)鐵礦石的要求。

5)鐵礦石細(xì)骨料

鐵礦石細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)和顆粒級(jí)配、石粉含量和有機(jī)物含量應(yīng)符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，并符合如表1所示的規(guī)定。

表1 鐵礦石細(xì)骨料參數(shù)要求

6)普通細(xì)骨料

普通細(xì)骨料應(yīng)符合GB/T 14684—2022《建設(shè)用砂》，宜采用吸水率低、空隙率小的潔凈中粗砂，細(xì)度模數(shù)宜為2.4～2.8，不應(yīng)低于2.3或高于3.0，顆粒級(jí)配應(yīng)符合Ⅱ區(qū)要求。砂中含泥量≤3.0%，泥塊含量≤1.0%，不得使用海砂、山砂及風(fēng)化嚴(yán)重的多孔砂。

7)外加劑

考慮重混凝土使用表觀密度大的磁鐵礦石制備混凝土，一旦控制不好可能導(dǎo)致骨料下沉、漿骨分離等問題，進(jìn)一步增加大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制難度，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致貫穿裂縫，從而影響混凝土結(jié)構(gòu)防輻射性能。為此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)聯(lián)合高校研究制備專用外加劑，具有高固含量、高減水率、高流動(dòng)性、高穩(wěn)健性的特點(diǎn)，確保混凝土具有較好流動(dòng)性，同時(shí)不離析、不泌水、骨料沒有下沉。

8)專用抗裂劑

溫度應(yīng)力在超大體積混凝土結(jié)構(gòu)開裂中起主導(dǎo)作用，而混凝土溫控問題更突出，僅依靠單一現(xiàn)有膨脹劑產(chǎn)品已不能很好地解決混凝土溫度收縮問題。

為此，針對(duì)現(xiàn)有材料的膨脹歷程、混凝土溫度歷程、收縮歷程嚴(yán)重不匹配等問題，研究出大體積混凝土裂縫控制專用抗裂劑、混凝土(溫控、防滲)高效抗裂劑，從而雙重調(diào)控溫度歷程與膨脹歷程。溫度歷程調(diào)控是從水泥水化進(jìn)程干預(yù)角度，通過調(diào)控化學(xué)外加劑，協(xié)同摻和料水化放熱特性，降低水泥水化加速期的放熱速率，為結(jié)構(gòu)散熱贏得時(shí)間，從而削弱溫峰和溫降過程，降低開裂風(fēng)險(xiǎn)。膨脹歷程調(diào)控是基于實(shí)體結(jié)構(gòu)變形歷程特點(diǎn)，利用不同膨脹特性的膨脹組分(氧化鈣、氧化鎂)，實(shí)現(xiàn)分階段、全過程補(bǔ)償收縮。同時(shí)，利用水化熱調(diào)控材料和氧化鈣、氧化鎂類膨脹劑復(fù)合，可延緩結(jié)構(gòu)升溫速率，避免膨脹劑膨脹速率過快，為建立有效膨脹和膨脹壓應(yīng)力儲(chǔ)存贏得時(shí)間，增強(qiáng)補(bǔ)償收縮效果。

9)拌合用水

拌合用水應(yīng)符合JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》，檢驗(yàn)頻率應(yīng)符合GB 50201—2012《土方與爆破工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》的規(guī)定。

4.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

配合比設(shè)計(jì)在滿足強(qiáng)度及摻和料摻量要求的基礎(chǔ)上，為提高混凝土抗裂性能，設(shè)計(jì)思路如下。

1)通過摻入礦物摻和料進(jìn)行合理搭配優(yōu)化，盡可能降低水泥與膠凝材料用量，大幅度減少水化放熱量，有利于控制混凝土收縮與開裂風(fēng)險(xiǎn)。

2)合理控制混凝土的水膠比與最大用水量，降低自由收縮帶來的不利影響。

3)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步摻加適量的高效抗裂劑，優(yōu)化放熱歷程，削弱水化放熱溫峰值和早期放熱量，且產(chǎn)生膨脹補(bǔ)償混凝土的自收縮與溫降收縮，通過改善水化速率與收縮歷程，協(xié)同調(diào)控提升抗裂性，抑制混凝土開裂。

4)減水型聚羧酸高性能減水劑的28d收縮率比≤100%，不增大混凝土收縮，可改善混凝土工作性能，提高其密實(shí)度、力學(xué)性能與耐久性。另外在混凝土中適當(dāng)引氣可提高混凝土均質(zhì)性、泵送性能及極限拉伸值，改善混凝土和易性，防止?jié)仓r(shí)浮漿過多引起混凝土開裂。

基于小型化質(zhì)子加速器主體結(jié)構(gòu)混凝土抗裂性需求，結(jié)合混凝土配合比設(shè)計(jì)原則，結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)與仿真計(jì)算結(jié)果，確定墻體混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)最高，頂板次之，底板開裂風(fēng)險(xiǎn)最小的結(jié)論，應(yīng)重點(diǎn)分析控制此部位的配合比。

4.3 混凝土試配驗(yàn)證

在滿足混凝土工作性能、力學(xué)性能、耐久性能與抗裂性能的基礎(chǔ)上，根據(jù)多次試配驗(yàn)證，確定混凝土配合比，將磁鐵礦石+磁鐵礦砂作為粗骨料，主要用于小型化質(zhì)子加速器區(qū)域施工。重混凝土澆筑試驗(yàn)段如圖3所示。

圖3 重混凝土澆筑試驗(yàn)段

4.4 混凝土耐久性試驗(yàn)

對(duì)重混凝土進(jìn)行抗凍試驗(yàn)、抗?jié)B試驗(yàn)、收縮試驗(yàn)(非接觸法)、抗氯離子滲透試驗(yàn)、早期抗裂試驗(yàn)，其各指標(biāo)均滿足重混凝土性能要求。

5 混凝土質(zhì)量保證措施

5.1 生產(chǎn)設(shè)備改造升級(jí)措施

1)將生產(chǎn)線攪拌機(jī)葉片全部更換為全新耐磨葉片，用于重混凝土攪拌生產(chǎn)。

2)加固處理骨料下料倉、稱斗，保證鐵礦砂、石的上料安全。

3)專倉堆放磁鐵礦砂、石，防止污染。

4)生產(chǎn)線一用一備，避免出現(xiàn)事故影響混凝土聯(lián)系供應(yīng)。

5.2 生產(chǎn)前準(zhǔn)備措施

1)生產(chǎn)前1周用高壓水槍沖洗清理鐵礦砂、石料倉，有效隔離其他材料，避免受到污染。

2)鐵礦砂、石要求使用翻斗貨車運(yùn)輸，并加蓋篷布防雨。進(jìn)貨數(shù)量應(yīng)當(dāng)充足，滿足施工需求并留有余量。

3)鐵礦砂、石到站后，通知施工方派人監(jiān)督過磅，實(shí)驗(yàn)室快速檢測砂、石含水率(提前約定好含水率范圍)。

4)鐵礦砂、石從出廠到進(jìn)料，需進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢測，從外觀、含水率、密度等方面進(jìn)行復(fù)檢，提前1周組織普通大體積抗裂混凝土專用砂、石骨料陸續(xù)進(jìn)場，根據(jù)計(jì)劃方量提前足量備料。

5)提前5d騰倉準(zhǔn)備進(jìn)料專用抗裂劑和專用減水劑，每條生產(chǎn)線預(yù)留1個(gè)粉料倉和1個(gè)減水劑罐。

5.3 混凝土生產(chǎn)保證措施

1)專門生產(chǎn)線中，當(dāng)小型化質(zhì)子加速器中心的混凝土生產(chǎn)時(shí)，其他項(xiàng)目混凝土一律停止生產(chǎn)。

2)專門生產(chǎn)線專一生產(chǎn)重混凝土，重混凝土每盤按1.5m3生產(chǎn)，攪拌時(shí)間延長至2min。

3)所有罐車單趟裝載重混凝土6～8m3，放料完畢前，司機(jī)嚴(yán)禁沖洗下料斗，嚴(yán)禁加水。

5.4 混凝土運(yùn)輸

1)場外運(yùn)輸 擬采用多條備選運(yùn)輸線路進(jìn)行調(diào)度，通過及時(shí)關(guān)注GPS信息，確?；炷凉?yīng)免受交通影響。同時(shí)，為避免早晚高峰期擁堵，施工前選定備用路線。

2)場內(nèi)運(yùn)輸 安排專人值班，指揮現(xiàn)場交通，避免混凝土泵車堵車現(xiàn)象。

5.5 混凝土澆筑

1)混凝土泵選型

本工程混凝土澆筑量大、澆筑質(zhì)量要求高，不允許出現(xiàn)冷縫、裂縫等，確定采用汽車泵進(jìn)行現(xiàn)場泵送。混凝土泵車設(shè)置處，場地應(yīng)平整堅(jiān)實(shí)、道路暢通、供料方便，距離澆筑地點(diǎn)近，便于配管，接近排水設(shè)施，供水、供電方便，不影響施工道路通暢。

2)混凝土澆筑措施

采用斜向推進(jìn)、分層澆筑的方法澆筑底板混凝土，每層澆筑厚度約500mm，由遠(yuǎn)端向泵方向斜向推進(jìn)組織施工。墻體按每層300mm厚分層澆筑。在2種混凝土交界處布置鋼絲網(wǎng)，同時(shí)澆筑。重混凝土先澆筑，始終保持重混凝土比普通大體積混凝土高30～40cm，以免普通大體積混凝土流入重混凝土區(qū)域，影響整體防輻射性能。為保證混凝土澆筑質(zhì)量，避免施工縫對(duì)輻射的影響，所有側(cè)墻水平施工縫采用凸字形處理，對(duì)標(biāo)高低于0.500m的施工縫配備鍍鋅鋼板止水帶(見圖4)。小型化質(zhì)子加速器區(qū)域水平結(jié)構(gòu)均一次澆筑成型，避免產(chǎn)生豎向施工縫。

圖4 水平施工縫凸字形處理

5.6 混凝土測溫

將測溫點(diǎn)盡量布置在易開裂部位，真實(shí)反映混凝土澆筑體內(nèi)最高溫升、里表溫差、降溫速率及環(huán)境溫度。測溫點(diǎn)布置如圖5所示。澆筑后1～3d，每2h測1次；澆筑后4～7d，每4h測1次；澆筑后7～14d，每12h測1次。

圖5 測溫點(diǎn)布置

5.7 混凝土養(yǎng)護(hù)

養(yǎng)護(hù)方法決定混凝土成型后內(nèi)部有無大量裂縫產(chǎn)生，可防射線泄漏。

1)墻體表面混凝土帶模養(yǎng)護(hù)并覆蓋保溫棉，進(jìn)行噴霧保濕，養(yǎng)護(hù)時(shí)間≥28d。

2)頂板與底板混凝土采用薄膜養(yǎng)護(hù)并覆蓋保溫棉，進(jìn)行噴霧保濕，養(yǎng)護(hù)時(shí)間≥28d。

6 結(jié)語

1)為保證32kN/m3重混凝土順利配制，通過對(duì)磁鐵礦進(jìn)行3道篩選，選擇滿足要求的磁鐵礦石。添加礦粉、粉煤灰等降低混凝土水化熱，研發(fā)外加劑及抗裂劑，保證混凝土性能滿足要求，選擇黃砂、水泥等保證原材料質(zhì)量。嚴(yán)格把控原材料質(zhì)量，保證重混凝土質(zhì)量。

2)為保證混凝土澆筑質(zhì)量，施工前澆筑樣板段，驗(yàn)證配合比的合理性。對(duì)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行改造升級(jí)，安排專門生產(chǎn)線、材料堆場、運(yùn)輸車輛，以保證混凝土順利生產(chǎn)，澆筑過程中水平施工縫采用凸字形進(jìn)行處理，樓板斜向推進(jìn)、側(cè)墻分層澆筑，避免漏水及冷縫產(chǎn)生。

3)澆筑完成后埋設(shè)測溫點(diǎn)，根據(jù)測溫點(diǎn)數(shù)據(jù)選擇合理的保溫措施，墻體混凝土選用帶模養(yǎng)護(hù)、覆蓋保溫棉，并噴霧保濕的養(yǎng)護(hù)方案，板面混凝土選用薄膜養(yǎng)護(hù)、蓋保溫棉，噴霧保濕的養(yǎng)護(hù)方案，保障混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。

該小型化質(zhì)子加速器機(jī)房從2021年12月15日開始插入底板施工，歷經(jīng)113d(跨春節(jié))，于2022年4月6日完成頂板澆筑，混凝土成型質(zhì)量、裂縫控制、過程測溫、強(qiáng)度檢測等指標(biāo)經(jīng)過監(jiān)理及第三方檢測滿足相關(guān)規(guī)范要求，實(shí)現(xiàn)重混凝土防輻射、抗?jié)B漏、低收縮、高密度、高均勻性等特殊要求。