醫療建筑中防輻射混凝土材料影響分析及建筑裂縫控制方法

羅鴻宇,黃文博,譚西平

(四川大學 華西醫院,四川 成都 610041)

任何物質或多或少地都能使穿過其中的射線受到衰減,但不同物質對射線的衰減程度不同,屏蔽防護材料按結構特點和用途可分為4大類:重金屬防護材料,建筑用墻體防護材料,軟質防護材料,透明防護材料[1-2]。目前在醫院防護工程中最常使用的材料主要有混凝土、磚、復合防護材料、泥土等。

目前,混凝土材料的應用最為廣泛,醫療建筑用防輻射混凝土在固化成形的過程中會有很多因為受到溫度應力[3]影響而出現的裂縫。為了提升醫療建筑防輻射混凝土防護效果,為周邊環境安全提供保證的目的,十分迫切需要做好對裂縫的控制工作。

1 防輻射混凝土相關研究

為了令混凝土實現對各類核輻射衰減性能的有效應對,并保持其在壓力與拉伸下的原有強度及耐久性,會采用特殊的方式進行混凝土的設計與制造[4]。用高密度天然骨料對常用的天然骨料進行替代,與具有明顯結晶水含量的天然骨料相結合進行重型及高水化屏蔽混凝土的生產,愈發成為核輻射屏蔽與防護領域多種應用的重要需求?；炷恋谋碛^密度和輻射衰減存在直接的聯系,對密度較大的重型混凝土加以運用,可以將很好的減薄墻體厚度的效果發揮出來[5-6]。重型混凝土的表觀密度在2 900～6 000 kg/m3,普通混凝土的表觀密度僅為2 200～2 450 kg/m3。高溫是重要程度最高的一類破壞過程,既不利于混凝土結構的耐久性,又有可能造成對混凝土的破壞,故而進行正確混凝土材料的選擇,將高溫的不利影響控制于最低水平是有必要的[7-8]。

2 醫療建筑用防輻射混凝土裂縫產生機理

在外界約束條件以及溫度變化等的共同作用之下,醫療建筑用防輻射混凝土應被劃歸至膠結混合材料的范疇,在實際施工作業開展過程中,因溫度發生的形變使得結構出現裂縫是最為主要的因素[9]。為了對結構因為出現裂縫而降低整體性這一問題的發生加以規避,需要從材料、施工條件、養護條件及使用環境等方面展開加強控制[10]。

2.1 溫度變形

用于醫院等醫療用途的建筑用防輻射混凝土,從原料的選材、存儲,到混凝土的澆筑、養護,整個過程都會產生溫度差異,這是一個比較長的時間,此過程中溫度變形受到的應力范圍具有較大的彈性范圍,對于建筑結構來說,這種溫度引起的差異影響最為不利[11]。不同材料有不同的α數值,表1所示為幾種常用材料的溫度膨脹系數。

表1 溫度膨脹系數

正是因為不同的材料有著不同的溫度膨脹系數,因此其拉伸亦存在差異,而這恰恰是導致裂縫出現的關鍵,也就是溫度應力,通常在溫度的升高與降低過程中產生的應力稱作溫度應力[12]。當內部防輻射混凝土因溫度升高膨脹,受到外部具有一定強度的防輻射混凝土的壓力,與之對應,外部防輻射混凝土因溫度降低而收縮則會受拉,在這種溫度差中產生的應力,若大于結構的極限抗拉應力,則產生裂縫。

2.2 自生體積變形

此類變形主要是在水泥凝結為晶體的過程中或水泥膠狀生成物和晶體生成物粘結過程中發生的體積變化,和溫度變化沒有很大的關系。

從本質上來看,收縮原因主要在于水的遷移,水泥水化過程消耗水分,使膠凝孔形成彎月面,導致結構收縮減小體積。通過添加填充料,降低水灰比,不過結構早期開裂較大,結構容易有塑性收縮裂縫出現[13]。

2.3 混凝土不均勻性

混凝土是由水、水泥與骨料共同構成的膠凝物質。各類材料的物理與化學性能有較為明顯的差異,加之受到外加劑摻核量、溫度以及荷載等因素的綜合作用,盡管防輻射混凝土的批次相同,其差異同樣較大。拌合過程中如果操作欠缺規范性,結構的均勻性會受到影響。因為各類原材料性能不穩定,致使防輻射混凝土有不同的性能。骨料級配的不同同樣會對混凝土的均勻性產生很大影響。為了避免因為材料不均勻而導致的結構不穩定現象的發生,需要對原料級配進行優化,盡可能地提升混凝土的強度,加強質量控制,保證施工規范性以及用材合理性[14]。

2.4 徐變

所謂徐變,指的是結構受到長期恒定荷載的影響而出現的變形。醫療建筑用防輻射混凝土在長期荷載作用下容易材料疲勞,使應力分布發生變化,進而對結構承載極限產生影響。水泥品種和骨料組成等的不同都會對徐變程度產生影響。

3 醫療建筑用防輻射混凝土裂縫控制方法

3.1 原材料入模時間控制

為了將結構澆筑環節的水化熱減少,對裂縫發生率進行有效控制,需要從原材料初期做好選材工作,對各步施工溫度進行有效控制,通過各步施工溫度的降低將最高溫度控制于一個較低水平。針對原材料的存儲,需置于陰涼之處,做好遮陽處理,避免由于太陽直射而導致入模骨料溫度的上升,最高溫度的降低可以降低貫穿裂縫的發生率[15]。在拌合骨料的過程中,需要利用冰水施以攪拌,通過冰的融化進行熱量的吸收,以此達到將整體初期溫度減小的目的。

3.2 溫度控制

3.2.1控制水泥膠結水化熱的釋放

醫療建筑用防輻射混凝土斷面比較厚,四周水化熱會經由外部混凝土向外傳遞,如果外部溫度不高,能夠在短時間內達到減小溫度的目的。在內部集結的能量因為盡可以經由四周向外傳遞熱量實現溫度的降低,如果外部溫度比較高,會對外部混凝土散熱速率產生直接影響,若利用有較高水化熱的水泥材料,便會有較大可能因為最高溫度較高而導致貫穿裂縫的出現[16]。對于水泥這類膠凝材料來說,如果其用量比較大,水泥水化熱會加大裂縫發生率,故而選用適宜水泥尤為重要。

以某醫院加速器機房墻板施工為例,在綜合考慮的基礎上,該醫院選用有較為理想的抗壓、抗折與抗劈裂強度的42號礦渣硅酸鹽水泥進行治療室墻體的澆筑。因為細骨料主要用于對結構空隙的填充、級配的調節,以及混凝土和易性與整體粘度的增加,進行一些粉煤灰的添加,將其代替水泥,可達到將水化熱減少的目的。

3.2.2控制防輻射混凝土溫度和外界溫度間的溫差

在醫療建筑用防輻射混凝土的澆筑過程中,由于四季變化、月變化及日變化而出現的外界溫度的改變會影響澆筑溫度。相較來說,月變化與日變化只會對結構外表面產生影響。不過在遇到薄壁結構時,月變化的影響同樣明顯。外界溫度越高,混凝土的散熱難度越大。大量熱量會令混凝土體積膨脹,而這會加大結構的變形概率。

3.3 施工方式控制

合理的施工措施能夠為醫療建筑用防輻射混凝土工程質量的提升機裂縫數量的降低提供保證。砂、石骨料以及水的初始溫度都會對防輻射混凝土的初期溫度產生影響,在執行防輻射混凝土的拌合任務之前,需要將原材料遮陽、降溫存儲工作做好。在原材料的攪拌環節,因為發揮填充作用的細骨料比熱通常不大,相對每立方米混凝土中占比較大。故而,對石子溫度進行控制可以在較大程度上降低出機溫度?？稍诒酬幬恢枚逊派笆?或通過搭設遮陽棚控制石子溫度。若有必要,還可在拌合過程中添加冰塊,或是在使用前進行骨料的沖洗。澆筑作業應主要在夜間或低溫季節進行,有利于對熱量進行釋放。

3.4 養護方式控制

因為新澆筑的醫療建筑用防輻射混凝土有比較小的強度與比較弱的抗變形能力,故在養護過程中,需要灑水保濕進行潮濕養護。潮濕養護既有利于整體抗裂能力提升,還可吸收構件散熱,養護期通常在28 d以上。

4 結語

因為溫度而產生的裂縫長期以來始終是對醫療建筑用防輻射混凝土施工質量產生影響的關鍵因素。針對防輻射混凝土裂縫產生機理,對溫度變形、自生體積變形等對裂縫的影響作較為詳細的闡述。為了保證醫療建筑用防輻射混凝土能夠處在一個正常的工作狀態之下,最小化裂縫帶來的負面影響,從多方面分析降低裂縫發生概率的控制措施。如果防輻射混凝土出現裂縫,需要以裂縫位置、寬度等為依據實施補救,以此實現對結構整體性能的提升。