超高密度防中子辐射混凝土及其施工方法与流程

1.本发明属于质子医院施工领域，具体涉及一种超高密度防中子辐射混凝土及其施工方法。

背景技术：

2.随着国家医疗制度的逐步完善，目前，质子已经成为国际最先进的癌症技术，随着质子应用的成熟，国内的质子中心的建设也在快速发展。由于质子过程中会产生特殊的辐射场，辐射场主要是一个中子(约占80％)、γ射线混合辐射场，这种核辐射场对人类健康及环境带来了极大的威胁。质子医院建设过程中普遍存在墙板厚度超过2m，局部厚大墙板混凝土密度不小于39kn/m3，且要求施工成型后不能有≥0.2mm贯穿裂缝。
3.常规质子中心辐射屏蔽设计采用在质子中心厚大隔墙里面安装50cm厚7米高钢板，这种厚大夹心钢板墙辐射屏蔽设计工程造价高，施工工艺复杂，重量大，操作极不方便，且施工周期长，存在较大的安全隐患，同时对于混凝土裂缝控制不利。

技术实现要素：

4.本发明是为了克服现有技术中存在的缺点而提出的，其目的是提供一种超高密度防中子辐射混凝土及其施工方法。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
6.一种超高密度防中子辐射混凝土，所述混凝土包括按质量比1.5～2.2：0.68～0.99：9.03～15.15：12.4～19.85：1：0.19～0.31：0.04～0.095混合的水泥、粉煤灰、磁铁矿砂、磁铁矿石、水、抗裂剂和减水剂。上述比例优选为2.2：0.99：15.15：19.85：1：0.31：0.095；所述水泥为中、低热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥。当采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥时，应使用矿物掺合料。
7.在上述技术方案中，所述磁铁矿砂和磁铁矿石均为表观密度大于4800kg/m3的铁矿石。
8.在上述技术方案中，所述抗裂剂为hme-v，减水剂为pca-i。
9.在上述技术方案中，所述超高密度防中子辐射混凝土密度大于3900kg/m3。
10.一种超高密度防中子辐射混凝土的施工方法，包括以下步骤：
11.(
ⅰ
)混凝土预拌，控制混凝土入模温度；
12.(
ⅱ
)浇筑时，根据质子区结构特点，厚大墙体在质子区竖向标高位置将分段进行施工，且厚大楼板采用分层浇筑；
13.(
ⅲ
)浇筑完成后，混凝土侧表面进行带模保温养护；墙体拆模后在进行保温保湿养护，实现混凝土温降速率的有效控制。
14.在上述技术方案中，所述混凝土入模温度控制包括混凝土原材料降温、加冰拌合、运输过程中的保温和合理的浇筑时间选取；混凝土入模温度控制在小于30℃。
15.在上述技术方案中，所述步骤(
ⅱ
)浇筑时，针对质子区重密度混凝土墙体内密集管线部位采用钢筋棒头与振捣棒棒体采用焊接方式连接接长，通过振捣传递，保证在墙体混凝土浇筑时，密集管线之间不同间隙部位混凝土振捣密实，且混凝土振捣时间宜控制在20s～30s内。
16.在上述技术方案中，所述带模保温养护时间不低于14d，带模保温养护的具体方法为混凝土侧表面采用木模板带模养护，模板外面覆盖保温棉絮；墙体拆模时混凝土中心温度与环境温度之差不应高于15℃；保温保湿养护时间不应少于7天，具体方法为：墙体拆模后将混凝土表面湿润后贴水能量薄膜，然后覆盖土工布保温。
17.在上述技术方案中，所述超高密度防中子辐射混凝土的施工方法应用于质子区防辐射重密度混凝土厚大墙体大体积混凝土施工，施工时采用无线监测系统实时监测温度、变形，实时远程监控及预警；并设定开裂风险预警程序，指导现场保温养护措施的及时调整与优化，指导精细化、智能化施工。
18.在上述技术方案中，所述浇筑进行前，现场组织1：1试验段施工，并进行钻芯取样，检测重密度混凝土浇筑成型后元素成分及密度。
19.本发明的有益效果是：
20.本发明提供了一种超高密度防中子辐射混凝土及其施工方法，选择磁铁矿作为粗细骨料制备密度达到3900kg/m3的防辐射混凝土，基于多场耦合作用下大体积混凝土抗裂性评估与设计，控制质子中心防辐射大体积混凝土不开裂保证率≥95％；同时评估施工工艺措施对混凝土抗裂性能作用效果，研究提出针对性的质子中心大体积混凝土裂缝控制施工方法，实现质子中心主体结构混凝土无贯穿性收缩裂缝。
附图说明
21.图1是本发明实施例2中侧墙抗裂风险计算模型(a.实体模型；b.网格模型)；
22.图2是本发明实施例2中底板抗裂风险计算模型(a.实体模型；b.网格模型)；
23.图3是本发明实施例2中底板混凝土夏季施工入模温度30℃时基准和抗裂混凝土温度历程与开裂风险系数结果(a.温度历程；b.里表温差c.内部开裂风险d.表面开裂风险)；
24.图4是本发明实施例2中重混凝土侧墙夏季施工入模温度30℃时基准和抗裂混凝土温度历程与开裂风险系数结果(a.温度历程；b.里表温差c.内部开裂风险d.表面开裂风险)。
25.对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
26.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明技术方案，下面结合说明书附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
27.实施例1
28.一种超高密度防中子辐射混凝土，所述混凝土包括按质量比2.2：0.99：15.15：19.85：1：0.31：0.095混合的水泥、粉煤灰、磁铁矿砂、磁铁矿石、水、抗裂剂hme-v和减水剂
pca-i。所述磁铁矿砂和磁铁矿石均为表观密度大于4800kg/m3的铁矿石。
29.本实施例中各组分的具体型号和质量如下表：
[0030][0031]
所述超高密度防中子辐射混凝土密度大于3900kg/m3，在夏季高温天气下浇筑完成后不产生≥0.2mm贯穿裂缝。
[0032]
本发明通过基于多场耦合作用下大体积混凝土抗裂性评估与设计，采用磁铁矿作为防辐射材料，掺入低收缩率比的聚羧酸高性能减水剂及具有温升抑制、微膨胀功能的高效抗裂剂；减水剂不增加收缩，抗裂剂膨胀历程调控主要利用不同膨胀特性的膨胀组分(氧化钙(28％)、氧化镁(54％))实现分阶段、全过程的补偿收缩，通过水泥水化历程调控与钙镁多元复合膨胀补偿收缩，在混凝土配置阶段保证重混凝土不开裂风险值大于95％。
[0033]
实施例2
[0034]
一种超高密度防中子辐射混凝土的施工工艺，包括以下步骤：
[0035]
(ⅰ)前期评估与材料筛选
[0036]
(
ⅰ
)环评、卫评辐射评估：
[0037]
对质子中心进行辐射场建模分析，模拟设备运行辐射场环境，对结构形式、墙体厚度、防辐射混凝土材料进行模拟分析，确定质子区结构形式、墙体布置、墙厚、辐射材料；
[0038]
(
ⅱ
)辐射材料筛选：
[0039]
采用正向配制原则，对各类辐射材料进行元素及性能测定，确认粗骨料、细骨料材料类型，优质磁铁矿石表观密度大于4800kg/m3，采用该集料制备的c30混凝土表观密度可达3900kg/m3以上，主要对质子辐射、x射线及γ射线具有较好的屏蔽作用，混凝土结构具有较好的防辐射性能，同时，对混凝土抗裂性能控制较好。
[0040]
(
ⅲ
)配合比设计指标优化：
[0041]
在满足混凝土工作性能、力学性能、耐久性能与抗裂性能的基础上，根据多次试配验证，确定了如实施例1中成分表所示的混凝土配合比，采用磁铁矿石作为粗骨料，根据以上的配合比分别进行了验证，验证其了工作性能和力学性能的试验。
[0042]
(
ⅳ
)质子区大体积混凝土开裂风险评估
[0043]
采用多场耦合收缩开裂评估模型，主要包括底板、墙体和顶板，结合结构尺寸、约束情况、施工工艺，模拟分析混凝土温度场、湿度场演变规律，进一步基于应力准则，分析结构混凝土的收缩开裂风险。
[0044]
本实施例中侧墙和底板计算模型见图1、2所示。
[0045]
其中普通混凝土侧墙主要厚度为1.95m(长约44.6m)、厚3.2m(长约17.8m)、厚3.9m(长约11m)，重混凝土侧墙厚3.4m(长16.4m)，底板宽约30m，长约62m。
[0046]
底板混凝土夏季施工入模温度30℃时基准和抗裂混凝土温度历程与开裂风险系
数结果如图3所示。由图可知，底板混凝土中心最高温升约30.4℃，最大里表温差约4.5℃；入模温度降低至30℃时，底板基准混凝土表面和内部最大开裂风险仍大于1.0，必然开裂，掺加抗裂后，最大开裂风险系数进一步降低至0.5以下，满足控制要求。
[0047]
厚3.6m重混凝土侧墙夏季施工入模温度30℃时基准和抗裂混凝土温度历程与开裂风险系数结果如图4所示。由图可知，入模温度降低至30℃时，侧墙重混凝土中心最高温升约26.7℃，最大里表温差约11.4℃；侧墙基准重混凝土内部最大开裂风险系数大于0.7，存在较大的开裂可能性，表面开裂风险小于0.7，满足控制要求，掺加抗裂剂后，最大开裂风险降低至0.5以下，满足控制要求。
[0048]
(
ⅴ
)试验段验证：
[0049]
正式施工前，模拟现场实体浇筑工况，验证重密度混凝土的密度、辐射性能是否达到要求，验证超重密度混凝土的施工性能及力学性能规律，验证超重密度混凝土中试生产实际参数及与试验室配制性能区别联系，验证超厚墙体内管线定位及安装施工方法、密集管线及钢筋绑扎穿插施工方法、模板加固形式等，监测混凝土浇筑后温升、应变变化，混凝土养护方式，浇筑后成型质量等，同时，验证设计合理性，项目选取了管线最复杂、重混凝土及普通混凝土相交部位t字段墙体，参照验收标准，施工1：1试验段进行模拟试验，通过试验段成功浇筑，为后续实体工程成功施工提供试验参数。
[0050]
(ⅱ)施工工艺
[0051]
(
ⅵ
)重密度混凝土施工：
[0052]
(a)混凝土入模温度控制
[0053]
混凝土入模温度控制包括混凝土原材料降温、加冰拌合、运输过程中的保温、合理的浇筑时间选取。
[0054]
(1)对施工进度提前计划安排，选取合理的浇筑时间，如每日20:00～次日8:00，避免白天高温时段施工；
[0055]
(2)骨料提前进场入库储存，在砂石遮阳棚的基础上，必要时采用洒水或雾炮机对料场内的砂石料进行喷水或喷雾降温，每日2至3次；
[0056]
(3)控制粉料进场温度，水泥进场温度控制为≤60℃，粉煤灰温度控制为≤40℃；
[0057]
(4)采用深层井水作为拌合水，或向拌合水中投入块冰，根据入模温度要求确定加冰量，每吨20℃水降至0～5℃时，至少需要-10℃的冰量1.5吨；
[0058]
在夏季高温天气重密度混凝土预拌时，采用0～5℃冰水拌和，控制入模温度＜30℃；
[0059]
(5)采用隔热布包裹混凝土运输罐车；
[0060]
(6)施工现场设置调度人员，根据浇筑情况调配两侧罐车卸料次序及拌合站是否搅拌，避免混凝土因罐车在现场停留时间过长而升温，运输和等待时间应≤1h；
[0061]
(7)在泵车及罐车等待区设置遮阳棚；
[0062]
(8)由于白天光照使钢筋及管道温度升高较大，浇筑前对混凝土仓面尤其钢筋和管道喷雾降温，但应避免在底部出现明显积水；
[0063]
(9)重密度混凝土厚大墙体模板支撑体系采用18mm覆黑模板，竖向背楞采用50*50*2mm矩形钢管，横向背楞采用双槽钢加固。
[0064]
(b)混凝土浇筑与振捣质量控制
[0065]
(1)浇筑时，根据质子区结构特点，厚大墙体在质子区竖向标高位置将分段进行施工。
[0066]
混凝土浇筑采用分层分段浇筑，最大一段墙体高度为3m，分层时，留设企口缝，企口缝高度为200mm，宽度为1/3墙厚，在新混凝土浇筑前，要对企口位置进行凿毛；
[0067]
(2)浇筑过程中，尽可能不留设纵向施工缝，对于不同性质的混凝土交界位置，采用钢丝网进行拦截，钢丝网留设为企口形，并且，不同性质的混凝土同步浇筑，并始终保持重混凝土浇筑面高于其他混凝土浇筑面30-40cm。
[0068]
(3)超过2m的厚大楼板，采用分层浇筑，解决了因为楼板单次施工厚度过厚所造成的支撑架体间距过密无法施工或者需要额外设计支撑架体的难题。楼板分层浇筑时，支撑体系采用盘扣架进行支撑，立杆间距为0.3*0.6m，步距为1.2m，板面分层厚度不超过1.4m，且板面分层浇筑时，第二层混凝土待第一层浇筑的混凝土达到设计强度的50％，浇筑第二次混凝土。第二层混凝土浇筑前，需要对上一层混凝土进行凿毛处理，保证两层混凝土之间的板面分层浇筑新旧砼粘结力强，有效保证砼墙体的整体性；
[0069]
(4)针对质子区重密度混凝土墙体内密集管线部位采用钢筋棒头与振捣棒棒体采用焊接方式连接接长，通过振捣传递，保证在墙体混凝土浇筑时，密集管线之间不同间隙部位混凝土振捣密实，避免由于振捣棒振幅过大造成的管线振捣移位或振动破坏。
[0070]
混凝土振捣时间宜控制在20s～30s内，做到快插慢拔，应避免漏振、过振。对于密集管线位置，无法采用常规振捣棒进行振捣，通过振捣棒棒体接长，并通过应力传递，保证密集管线部位的混凝土振捣密实。
[0071]
(c)混凝土拆模及养护
[0072]
浇筑完成后，混凝土侧表面采用木模板带模养护，模板外面覆盖保温棉絮，保温养护时间不低于14d。
[0073]
拆模时混凝土中心温度与环境温度之差不应高于15℃；宜在白天环境气温较高时拆模，墙体拆模后将混凝土表面湿润后贴水能量薄膜进行保湿养护，然后覆盖土工布保温，养护时间不应少于7天，实现混凝土温降速率的有效控制。带模养护期间遇到气温骤降情况，应根据监测结果必要时在模板外覆盖保温材料，养护时间根据温度监测结果确定。
[0074]
(d)混凝土监测
[0075]
质子区防辐射重密度混凝土厚大墙体大体积混凝土采用无线监测系统实时监测温度、变形，实时远程监控及预警；并设定开裂风险预警程序，指导现场保温养护措施等的及时调整与优化，指导精细化、智能化施工。
[0076]
(
ⅶ
)验收
[0077]
超高密度防中子辐射混凝土研制完成后，混凝土施工前，对重密度混凝土元素成分进行检测，确保元素含量满足环评报告要求。同时，对试块进行称重，确保重密度混凝土干密度≥3900kg/m3。正式施工前，现场组织1：1试验段施工，并进行钻芯取样，检测重密度混凝土浇筑成型后元素成分及密度。同时，模拟质子中心辐射场要求，进行辐射屏蔽检测试验，验证超高密度防中子辐射混凝土的辐射屏蔽性能满足质子设备运行使用需求。最后，组织重密度混凝土施工，检测防辐射重密度混凝土厚大墙体成型质量及裂缝控制情况，拆模后防辐射厚大墙体不允许出现≥0.2mm贯穿型裂缝。
[0078]
与现有技术相比，本发明的优点如下：
[0079]
(1)通过对超高密度防辐射配制及施工的研究，合理选择粗细骨料的配比，提升混凝土物理及辐射屏蔽性能，优化现场超高密度防辐射混凝土施工技术，降低混凝土造价，预计可缩短50％工期和建造成本。
[0080]
(2)通过采用本发明进行质子中心辐射屏蔽施工，施工简便，安全可靠，降低了厚大夹心钢板墙安装的安全风险。
[0081]
(3)厚大楼板采用分层浇筑，解决了因为楼板单次施工厚度过厚所造成的支撑架体间距过密无法施工或者需要额外设计支撑架体的难题。
[0082]
(4)解决了质子中心防辐射屏蔽墙体开裂的难题，保证了质子中心整体的施工防辐射性能，提高了施工质量。
[0083]
(5)可广泛适用于各种质子中心辐射屏蔽墙体设计及施工中，发明所体现的大体积混凝抗裂设计及施工方法尤其适用于超大体积混凝土的施工中。
[0084]
本发明提供了一种超高密度防中子辐射混凝土及其施工方法，可满足质子辐射屏蔽场所的特殊要求，广泛应用于质子中心的建设。本发明在结构尺寸、约束条件基本确定的基础上，采取材料和施工工艺措施相结合的措施，首先通过混凝土材料自身性能优化降低开裂风险，同时配合采取施工工艺优化，以及功能材料等措施。
[0085]
本发明超高密度防中子辐射混凝土采用表观密度大于4800kg/m3磁铁矿/石作为粗细骨料制备防辐射混凝土，保证结构整体防辐射性能，所制备的c30混凝土表观密度可达3900kg/m3以上，对质子辐射、x射线及γ射线具有较好的屏蔽作用；本发明提出的针对质子中心大体积混凝土裂缝控制施工方法，确定了混凝土抗裂性能控制指标，控制质子中心主体结构大体积混凝土收缩开裂风险系数≤0.7、不开裂保证率≥95％，施工工艺措施能确保混凝土抗裂性能作用效果。
[0086]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0087]
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

技术特征：

1.一种超高密度防中子辐射混凝土，其特征在于：所述混凝土包括按质量比1.5～2.2：0.68～0.99：9.03～15.15：12.4～19.85：1：0.19～0.31：0.04～0.095混合的水泥、粉煤灰、磁铁矿砂、磁铁矿石、水、抗裂剂和减水剂。2.根据权利要求1所述的超高密度防中子辐射混凝土，其特征在于：所述磁铁矿砂和磁铁矿石均为表观密度大于4800kg/m3的铁矿石。3.根据权利要求1所述的超高密度防中子辐射混凝土，其特征在于：所述抗裂剂为hme-v，减水剂为pca-i。4.根据权利要求1所述的超高密度防中子辐射混凝土，其特征在于：所述超高密度防中子辐射混凝土密度大于3900kg/m3。5.一种超高密度防中子辐射混凝土的施工方法，其特征在于：包括以下步骤：(
ⅰ
)混凝土预拌，控制混凝土入模温度；(
ⅱ
)浇筑时，根据质子区结构特点，厚大墙体在质子区竖向标高位置将分段进行施工，且厚大楼板采用分层浇筑；(
ⅲ
)浇筑完成后，混凝土侧表面进行带模保温养护；墙体拆模后在进行保温保湿养护，实现混凝土温降速率的有效控制。6.根据权利要求1所述的超高密度防中子辐射混凝土的施工方法，其特征在于：所述混凝土入模温度控制包括混凝土原材料降温、加冰拌合、运输过程中的保温和合理的浇筑时间选取；混凝土入模温度控制在小于30℃。7.根据权利要求1所述的超高密度防中子辐射混凝土的施工方法，其特征在于：所述步骤(
ⅱ
)浇筑时，针对质子区重密度混凝土墙体内密集管线部位采用钢筋棒头与振捣棒棒体采用焊接方式连接接长，通过振捣传递，保证在墙体混凝土浇筑时，密集管线之间不同间隙部位混凝土振捣密实，且混凝土振捣时间宜控制在20s～30s内。8.根据权利要求1所述的超高密度防中子辐射混凝土的施工方法，其特征在于：所述带模保温养护时间不低于14d，带模保温养护的具体方法为混凝土侧表面采用木模板带模养护，模板外面覆盖保温棉絮；墙体拆模时混凝土中心温度与环境温度之差不应高于15℃；保温保湿养护时间不应少于7天，具体方法为：墙体拆模后将混凝土表面湿润后贴水能量薄膜，然后覆盖土工布保温。9.根据权利要求1所述的超高密度防中子辐射混凝土的施工方法，其特征在于：所述超高密度防中子辐射混凝土的施工方法应用于质子区防辐射重密度混凝土厚大墙体大体积混凝土施工，施工时采用无线监测系统实时监测温度、变形，实时远程监控及预警；并设定开裂风险预警程序，指导现场保温养护措施的及时调整与优化，指导精细化、智能化施工。10.根据权利要求1所述的超高密度防中子辐射混凝土的施工方法，其特征在于：所述浇筑进行前，现场组织1：1试验段施工，并进行钻芯取样，检测重密度混凝土浇筑成型后元素成分及密度。

技术总结

本发明公开了一种超高密度防中子辐射混凝土及其施工方法，所述辐射混凝土由按比例混合的水泥、粉煤灰、磁铁矿砂、磁铁矿石、水、抗裂剂和减水剂组成；所述施工方法采用0～5℃冰水拌和，控制入模温度＜30℃；采用分层分段浇筑；浇筑完成后，混凝土侧表面采用木模板带模养护，模板外面覆盖保温棉絮，保温养护时间不低于14d，墙体拆模后将混凝土表面湿润后贴水能量薄膜，然后覆盖土工布保温，实现混凝土温降速率的有效控制。同时采用无线监测系统实时监测温度、变形，实时远程监控及预警。本发明提供的超高密度防中子辐射混凝土具有较高的密度和防开裂性能，施工更简便。施工更简便。施工更简便。