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摘要：通过广州泰和肿瘤医院项目大体积混凝土试验模型研究实例，着重介绍防辐射大体积混凝土裂缝控制技术研究。

关键词：辐射屏蔽;大体积混凝土;裂缝控制

1引言

随着人民对医疗（特别是肿瘤治疗）重视度的逐步上升，质子医院的建设越来越受到青睐。质子治疗医院有别于常规医院建设，因其使用功能而有着自身的特殊性，其对结构的功能要求非常严格，尤其是大体积混凝土结构防辐射要求。

本文主要讨论通过大体积混凝土实体模型试验研究混凝土配合比、混凝土养护方式、混凝土外加剂种类等施工技术措施，减少屏蔽结构大体积混凝土施工裂缝。

2工程概况

广州泰和肿瘤医院是泰和诚医疗集团重点筹建项目，总建筑面积约10万平方米，规划床位数400张，配置先进的质子治疗系统和其他高精尖医疗诊疗设备。质子医疗在为人民群众提供先进的医疗服务的同时，也有着高防辐射要求和高精密性要求，需要在实际工程中加以重视。因此，质子医院中质子区和直线加速区的墙体需要满足防辐射的功能。在广州泰和医院工程中，其质子机房和直线加速器机房屏蔽墙板均为超厚墙板，墙体厚度最大达到4200mm、最小为1500mm;顶板厚度最大达到4500、最小厚度为900mm，平面布置如图1所示。

质子区、直加区混凝土结构超厚、超大，由于混凝土的导热性较差，混凝土内部集聚大量热量不能散发，混凝土在升温或降温过程中，内部温度较高产生压缩应力，而表层温度较低产生拉应力，容易产生开裂。

裂缝控制的温升控制是本项工程的重中之重，因此有必要通过模型试验研究去探索施工工艺的裂缝控制效果以及混凝土的配合比、浇筑过程、保温养护等对大体积混凝土内部温度变化规律的影响。

3试验模型设计

3.1模型设计概况

为了解超厚墙板混凝土施工中温升情况、裂缝情况及验证拟采取措施的有效性，同时确定大体积砼的配合比，特进行模型试验。考虑到本工程质子区最厚墙体为4200mm，为了保证模型试验的代表性，故模型尺寸设计为4200*4200*4200mm³。

3.2测温元件及应变计埋设

为了解混凝土模型的温升情况以及应变变化情况，在混凝土浇筑完成后，对其里面温度及应变进行监测、数据采集。本试验中混凝土测温使用电子测温仪，测温元件为热电偶。

1、混凝土内部温度计A1、B1、C1、A4、B4、C4号点距离混凝土表面50mm，A2、B2、A3、B3号点距离表面1000mm，O点位于立方体中心;

2、另在混凝土表面设置一测温点，用于测控覆膜下温度，

3、同时设置一温度计测量室外温度，作为参照组。

3.3测温频率及数据记录

1、自混凝土入模至浇捣完毕的3天期间内每隔一小时测温一次;第4到6天，每隔两小时测温一次;第6天及以后，每隔4小时测温一次;当14天后或温度梯度小于20℃，可停止测温;

2、每次测温，记录温度值并计算每个测温点的升降值及温差值，并根据所记录数据绘制温度曲线图。

4试验体施工过程

4.1模型制作

1、试验前期准备工作：为了保证模型试验的准确性和代表性，试验前将相邻围墙拆除，并进行场地平整、土方夯实，上部回填20cm厚道渣，浇筑10cm厚C20混凝土垫层;接着浇筑200厚C30钢筋混凝土，其中配筋情况为双层双向，12@200。

2、钢筋绑扎;

3、模板安装：先安装一层木模板，在混凝土浇筑完毕后，再安装第二层模板，两层模板之间形成空腔，并采用Φ16止水螺杆进行加固，模板上口覆盖土工布以阻隔模板内部与外部空气连接;

4、测温元件和应变计布设;

5、预埋PVC管：实际墙体工程中将会预埋设备所需的管线，为了更好的模拟实际施工情况，在本次模型试验中，也将根据设备供应商提供的BID文件要求进行PVC管的埋设。

4.2混凝土浇筑

混凝土浇筑时间为2018年6月1号早上8点到15点，浇筑流程如下：

1）采用分层浇筑，每层约500mm;

2）浇筑前进行混凝土性能测试;

3）浇筑及振捣

每隔300mm为一个振捣点进行连续振捣，并要求插入到下层尚未初凝的混凝土中约50～100mm，每一振点的振捣延续时间30秒，插点间距为300～400mm：

4）养护

混凝土浇筑完成初凝后，于表面洒水湿润，并覆盖一层塑料薄膜+两层土工布进行保湿保温。

超厚板顶的养护方式采用一层塑料薄膜+两层土工布，保温保湿养护。后浇带处采用土工布覆盖封闭进行保温。

超厚墙体内外侧养护主要考虑模板的自保温性能，采用双层模板，并采用Φ16止水螺杆进行加固，模板上口覆盖土工布以阻隔模板内部与外部空气连接，起到保温效果。

安排专人进行洒水养护：1～3天，每2小时洒水一次;4天以后，每4小时洒水一次。同时，根据实际天气情况，适当调整洒水频数。

5试验结果分析

5.1温度变化分析

结合测量结果、数据变化趋势得出：

1）混凝土的入模温度部分超过30℃，没有达到设计控制指标要求，需在实际施工过程中进一步加强入模温度控制措施，如浇筑开始时间定在傍晚以后，避开高温时段。

2）混凝土中心O点处温度最高，温峰值为84.2℃，距离中心点1m范围内，混凝土最高温度为80.4℃，而距离模板0.2m处，混凝土的最高温度为69.6℃。

3）第0d～1d为混凝土急剧升温阶段，混凝土中心平均升温速率为1.76℃/h，距离中心点1m范围内平均升温速率为1.4℃/h左右，混凝土外层平均升温速率为1.54℃/h左右;第2d～3d为混凝土缓慢升温阶段，中心区域及外层平均升温速率为0.36℃/h，0.1℃/h，中心区域由于温度散失慢，升温速率明显高于边缘位置。第3d达到最高温度，以后为混凝土降温阶段，中心区域的平均降温速率分别为0.08℃/h，而边缘位置平均降温速率分别为0.06℃/h。降温速率均小于2℃/d的设定温控目标。

4）混凝土内表温差基本上小于25℃，仅B4在第6天左右的时间内表温差最高达到26.9℃。其后随着内部温度的降低，内表温度也不断降低，并逐渐趋于相同。

从记录数据中看出：O-B4温差在前期出现升高后骤降的情况;O-A1＼O-A4后段温差出现上升。原因分析如下：

1）直接原因是B4点温度上升速率大于中心点度上升速率所致，深层次的原因可能有两方面：一方面跟水泥水化热的传递有关，混凝土模型中，表面层的热量易扩散，中心温度高，热量大，只能向表层传热，因此中心处温度上升速率会低于表面B4点处;另一方面跟浇筑顺序有关，B4点所在表层处是最后浇筑的地方，水泥水化的放热过程也相应延后，和中心处的放热峰值相错开，故温差会出现前期升高后期骤降的情况。

2）后期拆模后，为减缓四周温度下降速率，增加塑料薄膜覆盖，并浇水养护，同时浇水水分蒸发，略微增加表面温度散失速率。故A1、A4点温差会出现小量上升段。

期间，项目部根据实时温控数据，调整养护措施：

（1）6月2日下午，松开模板四周对拉螺栓，防止混凝土表面温度过高烧坏模板以至于影响模型质量;

（2）6月4日，因连日下雨导致混凝土内外温差超过25℃，增加一层保温棉布并减少浇水频率;

（3）6月5日，因混凝土表面干燥，往塑料薄膜下面注入温水;

（4）6月9日，增加彩色塑料雨布覆盖;

（5）6月16日，拆模;

（6）6月19日，模型四周增加塑料薄膜，并浇水养护;

5.2应力变化分析

截至6月20日，混凝土内部应变变化如图2所示：

从图2可知：

1）掺用氧化镁膨胀剂后，在本足尺模型混凝土中产生了100～380μζ膨胀微应变，且逐渐趋于稳定。

2）不同部位由于限制程度及温度情况不同，膨胀微应变存在一定差别，同一平面上，温度越低且高度越低膨胀微应变相对越低。其主要是混凝土温度低的位置强度发展越慢，同时上部对下部压应力越小，因此对膨胀的约束越小，进而膨胀微应变越大，但均处于微膨胀状态。

3）同一高度处，应变发展趋势及数值相差比较大，靠近中心位置膨胀微应变要小于边缘位置，原因与2）相似，主要在于不同位置约束程度不一样。

4）可以得出：结构内部温度下降时，本应产生温度收缩，但实际应变仍保持稳定，并有小幅增长，说明在温降阶段，氧化镁膨胀剂补偿了温降收缩，起到了预防温度裂缝的作用。

5.3混凝土强度

本次试验模型留置5组同条件养护试块及5组标准养护试块，经检测，28d强度均达到C30标准强度。

6整体应用效果

全部拆模完成后未出现贯穿性收缩裂缝，整体开裂情况良好，如图3所示：

7小结

通过混凝土配合比的调整、施工过程控制以及氧化镁材料的应用，未出现表面或者贯穿性的温度及收缩性裂缝，整体效果良好;氧化镁膨胀剂的掺用起到了补偿收缩及控制温度收缩裂缝的作用，在混凝土内部不同位置产生了100～380με膨胀微应变。

超厚墙体内外侧养护主要考虑模板的自保温性能，采用双层夹芯模板进行保温养护，并采用M16的止水螺杆进行加固。

本工程通过大体积混凝土试验模型研究分析，验证了混凝土配合比、混凝土养护方式、混凝土外加剂种类等施工技术措施对减少辐射屏蔽混凝土结构贯穿性裂缝的有效性，对今后类似的工程具有良好的借鉴作用。

参考文献

[1] 郑楚帽，邓旭华，詹国良.大体积混凝土试验技术和施工技术[J].广东建材，2011，27（1）：39-40.

[2]李秀才，陈应波，龚友丽.大体积防裂混凝土配合比设计与试验[J].国外建材科技，2004（02）：51-54.