某醫(yī)院直線加速器區(qū)大體積混凝土裂縫控制關(guān)鍵技術(shù)

王德民，衛(wèi)劍楠，馬鋒，鄭志華，辜振睿，李潤

（1.武漢三源特種建材有限責任公司，湖北 武漢 430083；2.南通八建集團有限公司，江蘇 南通 226002）

0 前言

存放大型核醫(yī)療設(shè)備的直線加速器區(qū)大體積混凝土結(jié)構(gòu)是醫(yī)院類項目建設(shè)過程中的重難點之一。在結(jié)構(gòu)尺寸滿足設(shè)計要求的前提下，如何避免混凝土出現(xiàn)有害裂縫是達到防輻射性能的關(guān)鍵。直線加速器區(qū)側(cè)墻和頂板等混凝土結(jié)構(gòu)最小厚度一般不少于800 mm，最厚處往往超過2500 mm，從控制溫度收縮角度考慮均屬于大體積混凝土。而有效降低早期收縮量和控制降溫速率是大體積混凝土裂縫控制的主要技術(shù)措施，目前已在各類工程中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。

氧化鎂類膨脹劑可通過控制煅燒溫度和工藝調(diào)節(jié)其反應(yīng)活性，在大體積混凝土內(nèi)部溫度下降階段產(chǎn)生適量膨脹，達到補償部分溫度收縮的效果，是目前控制大體積混凝土溫度收縮開裂的有效措施之一[4-5]。本研究從南通某醫(yī)院直線加速器區(qū)大體積混凝土結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，采用氧化鎂膨脹劑配制的補償收縮混凝土進行澆筑施工，通過配合比設(shè)計優(yōu)化、澆筑施工和養(yǎng)護工藝優(yōu)化調(diào)整、實體結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)監(jiān)測等方面分析了大體積混凝土側(cè)墻和頂板的裂縫控制效果。

1 工程概況

南通某醫(yī)院二期擴建項目總用地面積5.6萬m2，總建筑面積12.7萬m2，為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)形式。項目醫(yī)療綜合樓為地下2層、地上19層，直線加速器區(qū)域設(shè)置在醫(yī)療綜合樓地下2層。為提高結(jié)構(gòu)防輻射性能，直線加速器區(qū)域采用了大體積混凝土結(jié)構(gòu)，其中基礎(chǔ)筏板厚度1400 mm（局部800 mm）；頂板厚度2800 mm（局部1400、800 mm）；側(cè)墻厚度1600 mm（局部1200、800 mm），側(cè)墻最厚處達2500 mm；混凝土設(shè)計等級為C35P8。側(cè)墻結(jié)構(gòu)最厚處配筋為雙向4排25@150 mm，其次為雙向3排20@150mm和雙向2排20@150 mm；頂板結(jié)構(gòu)最厚處配筋為雙向3排25@150 mm，其次為雙向2排25@150 mm和雙向2排20@150 mm。直線加速器區(qū)所有大體積混凝土共分3次澆筑施工，基礎(chǔ)筏板一次澆筑成型，側(cè)墻和下部1400 mm厚頂板一次澆筑成型，剩下頂板上層1400 mm厚度最后一次澆筑成型，3次澆筑均在下部混凝土達到設(shè)計強度后進行。

2 大體積混凝土配合比設(shè)計優(yōu)化

水泥：P·O42.5，比表面積385 m2/kg，馬鞍山盤固水泥廠；礦粉：S95，比表面積450 m2/kg，聯(lián)峰鋼鐵（張家港）有限公司；粉煤灰：F類Ⅱ級，需水量比101%，華能國電南通實業(yè)開發(fā)有限公司；天然砂：Ⅱ區(qū)中砂，細度模數(shù)2.8，含泥量1.8%；碎石：5～25 mm連續(xù)級配，含泥量1.3%，泥塊含量0.8%；聚羧酸類高效減水劑：固含量16%，減水率24%，江蘇蘇博特公司；FQY鎂質(zhì)高性能混凝土抗裂劑：M型氧化鎂膨脹劑，活性（120±10）s，符合CBMF 19—2017《混凝土用氧化鎂膨脹劑》的要求，武漢三源特種建材有限責任公司；水：自來水。

為降低直線加速器區(qū)大體積混凝土內(nèi)部水化熱，一方面按照60 d齡期強度設(shè)計混凝土配合比，大幅度降低了水泥用量；另一方面將氧化鎂膨脹劑進行內(nèi)摻，等質(zhì)量取代膠凝材料。同時在確保泵送性能良好的情況下，提高配合比中含石量（≥1010 kg/m3），有助于提高混凝土的體積穩(wěn)定性。經(jīng)過設(shè)計優(yōu)化調(diào)整和試配試驗，最終大體積混凝土配合比及性能測試結(jié)果如表1、表2所示。其中混凝土限制膨脹率試件養(yǎng)護條件為40℃恒溫水浴。

表2 C35P8大體積混凝土的性能

3 澆筑施工和養(yǎng)護工藝優(yōu)化調(diào)整

3.1 澆筑施工工藝優(yōu)化調(diào)整

為確保大體積混凝土澆筑施工質(zhì)量，對施工工藝進行了相應(yīng)優(yōu)化和調(diào)整：（1）澆筑側(cè)墻和下部1400 mm厚頂板時，采用2臺汽車泵+1臺備用汽車泵進行，澆筑基礎(chǔ)筏板和上部1400 mm厚頂板時均采用1臺汽車泵，每臺汽車泵配備2臺振搗棒，同時備用2臺振搗棒以防設(shè)備出現(xiàn)故障；（2）現(xiàn)場混凝土坍落度控制在（180±20）mm，分層澆筑，基礎(chǔ)筏板和頂板分層高度≤500 mm，側(cè)墻分層高度≤2000 mm；（3）振搗落點間距控制在30～40 cm，采用快插慢拔方式，單次振搗搗棒在混凝土內(nèi)部停留時間不少于30 s；（4）采用一次振搗+初凝前二次復(fù)振的做法進行澆筑施工，以避免混凝土出現(xiàn)漏振和欠振現(xiàn)象，同時基礎(chǔ)筏板和頂板面層采用人工收面+機械二次抹面的做法進行；（5）施工過程中監(jiān)理、總包、分包班組、混凝土站和抗裂劑廠家管理人員全程旁站和監(jiān)督，以確?；炷翝仓┕ろ樌瓿伞?/p>

3.2 養(yǎng)護工藝優(yōu)化調(diào)整

為避免出現(xiàn)有害裂縫，本工程大體積混凝土實體結(jié)構(gòu)養(yǎng)護工藝也進行了相應(yīng)優(yōu)化和調(diào)整：（1）基礎(chǔ)底板和頂板在混凝土終凝后立即采用1層土工布+1層棉被的方式進行養(yǎng)護，同時采用間斷性人工灑水方式確?；炷撩鎸訚駶?；（2）考慮到大體積混凝土早期收縮的主要因素是降溫階段的溫度收縮，同時側(cè)墻難以進行保濕養(yǎng)護的問題，本工程采用大幅度延長帶模時間+2層棉被+1層土工布的方式進行保溫養(yǎng)護，即在側(cè)墻內(nèi)部溫度達到溫峰值后立即在模板表面覆蓋2層棉被和1層土工布，加強保溫和控制混凝土內(nèi)部降溫速率；（3）基礎(chǔ)底板和頂板保溫保濕養(yǎng)護時間不少于14 d，側(cè)墻保溫養(yǎng)護直至混凝土內(nèi)部溫度和環(huán)境溫度差值不大于20℃時方可停止（實際保溫時間超過20 d），控制側(cè)墻混凝土內(nèi)部降溫速率≤4℃/d、里表溫差≤25℃。側(cè)墻保溫養(yǎng)護效果如圖1所示。

4 實體結(jié)構(gòu)內(nèi)部數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析

4.1 實體結(jié)構(gòu)內(nèi)部監(jiān)測布點

在澆筑側(cè)墻和下部1400 mm厚頂板混凝土前1 d，在部分實體結(jié)構(gòu)內(nèi)部埋設(shè)了溫度傳感器和振弦式應(yīng)變計，應(yīng)變計在中心位置，溫度傳感器在內(nèi)外側(cè)保護層厚度位置，對溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，以評估大體積混凝土的裂縫控制效果。側(cè)墻和頂板大體積混凝土測點布置如圖2所示。

4.2 實體結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)分析

在不同厚度側(cè)墻（2.5、1.6、0.8 m）和頂板（1.4、0.8 m）實體結(jié)構(gòu)中埋設(shè)了溫度傳感器以監(jiān)測混凝土內(nèi)部溫度變化，結(jié)果如圖3～圖6所示。

由圖3可知，2.5 m厚側(cè)墻大體積混凝土中心入模溫度24.7℃，約在68 h后達到峰值75.7℃，溫升值51.0℃，達到溫峰值后7 d內(nèi)的降溫速率約2.6℃/d；混凝土內(nèi)表入模溫度24.2℃，約在49 h后達到峰值57.8℃，溫升值33.6℃，達到溫峰值后7 d內(nèi)的降溫速率約1.8℃/d；混凝土外表入模溫度24.5℃，約在51 h后達到峰值47.5℃，溫升值23.0℃，達到溫峰值后7 d內(nèi)的降溫速率約1.9℃/d。

由圖4可知，1.6 m厚側(cè)墻大體積混凝土中心入模溫度24.2℃，約在47 h后達到峰值70.7℃，溫升值46.5℃，達到溫峰值后7 d內(nèi)的降溫速率約3.5℃/d；混凝土內(nèi)表入模溫度23.5℃，約在47 h后達到峰值56.8℃，溫升值33.3℃，達到溫峰值后7 d內(nèi)的降溫速率約2.2℃/d；混凝土外表入模溫度24.0℃，約在31 h后達到峰值47.2℃，溫升值23.2℃，達到溫峰值后7 d內(nèi)的降溫速率約2.1℃/d。

由圖5可知，1.4 m厚頂板大體積混凝土中心入模溫度18.3℃，約在67 h后達到峰值61.5℃，溫升值43.2℃，達到溫峰值后7 d內(nèi)的降溫速率約1.3℃/d；混凝土內(nèi)表入模溫度18.1℃，約在64 h后達到峰值59.3℃，溫升值41.2℃，達到溫峰值后7 d內(nèi)的降溫速率約1.4℃/d；混凝土外表入模溫度17.3℃，約在117 h后達到峰值47.8℃，溫升值30.5℃，達到溫峰值后7 d內(nèi)的降溫速率約0.3℃/d。

由圖6可知，0.8 m厚側(cè)墻混凝土中心入模溫度25.5℃，約在38 h后達到峰值55.5℃，溫升值30.0℃，達到溫峰值后7 d內(nèi)的降溫速率約3.2℃/d；0.8 m厚頂板混凝土中心入模溫度16.5℃，約在52 h后達到峰值47.5℃，溫升值31.0℃，達到溫峰值后7 d內(nèi)的降溫速率約2.2℃/d。

分析圖3～圖6可知，除2.5 m厚側(cè)墻大體積混凝土最大里表溫差（中心和外表面）在第3～10 d內(nèi)超過25.0℃外，其余側(cè)墻和頂板最大里表溫差均控制在25.0℃以內(nèi)。側(cè)墻和頂板中心在達到溫峰值后的7 d內(nèi)的降溫速率在1.3～3.5℃/d，說明優(yōu)化調(diào)整后的保溫養(yǎng)護措施較好。

4.3 實體結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

在不同厚度的側(cè)墻（2.5 m、1.6 m、0.8 m）和頂板（1.4 m、0.8 m）實體結(jié)構(gòu)中心位置埋設(shè)了振弦式應(yīng)變計，用以監(jiān)測混凝土內(nèi)部應(yīng)變隨時間的變化規(guī)律，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，各結(jié)構(gòu)部位內(nèi)部溫度修正后應(yīng)變基本在72 h內(nèi)達到最大值，其中1.4 m厚側(cè)墻最大值高達132με，說明混凝土中氧化鎂膨脹劑水化反應(yīng)產(chǎn)生了體積膨脹，提高了實體結(jié)構(gòu)的抗裂性能。隨著齡期的延長，各結(jié)構(gòu)部位混凝土的各項收縮疊加后導(dǎo)致混凝土應(yīng)變逐漸減小，其中應(yīng)變最小的是2.5 m厚側(cè)墻在30 d齡期后降至約-80με并趨于穩(wěn)定，雖然最終仍存在收縮但數(shù)值相對較小，表明了實體結(jié)構(gòu)抗裂性能較好。

4.4 實體結(jié)構(gòu)裂縫控制效果

本工程直線加速器區(qū)大體積混凝土結(jié)構(gòu)澆筑施工完成距今已有10個月有余，經(jīng)現(xiàn)場檢查和統(tǒng)計，此區(qū)域基礎(chǔ)筏板、側(cè)墻和頂板結(jié)構(gòu)均未發(fā)現(xiàn)有害裂縫，實體結(jié)構(gòu)裂縫控制效果較好。各結(jié)構(gòu)部位裂縫控制效果如圖8所示。

5 結(jié)論

（1）為實現(xiàn)直線加速器區(qū)大體積混凝土結(jié)構(gòu)無任何有害裂縫的目標，一方面，要在確?；炷辆哂辛己帽盟托阅艿那疤嵯聝?yōu)化調(diào)整配合比，從混凝土材料自身降低收縮量；另一方面，要根據(jù)工程實際情況制定合理的澆筑施工和養(yǎng)護工藝，實現(xiàn)混凝土材料自身和施工技術(shù)的有效結(jié)合。

（2）針對側(cè)墻等豎向大體積混凝土結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護工藝，應(yīng)將裂縫控制的重點放在保溫養(yǎng)護措施上，可采用在大幅度延長木模板帶模時間（≥20 d）的基礎(chǔ)上增加覆蓋棉被或土工布層數(shù)的做法，嚴格控制混凝土內(nèi)部的降溫速率（≤4℃/d）和里表溫差（≤25℃）。

（3）本工程大體積混凝土實體結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度修正后應(yīng)變最大值高達132με，30 d后最小值也僅為-80με，說明氧化鎂膨脹劑在混凝土溫降階段能夠補償部分收縮量，大幅度提高混凝土抗裂性能。