中国散裂中子源防中子辐射重质混凝土施工技术

李宏亮

（广东省建筑工程机械施工有限公司 广州 510500）

0 前言

国内目前重质混凝土多用于加速器、核电核岛、医院放射治疗室等有特殊屏蔽要求的结构，主要用于屏蔽α射线、β射线、X射线、γ射线等。通常重质混凝土只作密度要求，此类重质混凝土组成材料相对较少，其施工难度也相对较小。本重质混凝土由于专门针对防中子辐射研制，在配合比中引入“中子吸收剂”高水铁矿砂、防中子加强剂硼玻璃粉、混凝土容重调节材料高密度钢砂等，配合比组成材料达10 种之多，且各种骨料密度相差悬殊，施工时如何保证重质混凝土的工作性能和防止重质混凝土振捣时密度大的骨料下沉尤为关键。此外，研究的靶站靶心和热室及延迟罐防中子辐射混凝土结构复杂，各种大型预埋件多、预埋管线密布，也给防中子辐射重质混凝土施工带来很大难度［1-2］。

1 工程概况

中国散裂中子源靶站设备楼总建筑面积12 612.46 m2，建筑高度25.2 m；建筑层数5 层，其中地上3 层，地下2 层。建筑工程等级为一级，设计使用年限50 年，框架结构，抗震设防烈度为7 度。靶站靶心及热室由于考虑防辐射技术要求，靶站密封筒体、热室侧墙、延迟罐的侧墙和底板均采用C30 现浇防中子辐射重混凝土，盖板采用预制C30防中子辐射重混凝土。

靶心辐射屏蔽设计：φ9.6 m 钢筒+1.2 m 厚重质混凝土，热室及延迟罐辐射屏蔽设计：1.2 m 厚重质混凝土。靶心和热室及延迟罐平面示意图如图1 所示，靶站靶心示意图如图2⒜所示，靶站热室示意图如图2⒝所示，靶心和热室施工如图3所示。

图1 靶心和热室及延迟罐平面示意图Fig.1 Plan Sketch of the Target Stand Center，Heat Chamber and Delay Tank

图2 靶站靶心及靶站热室示意图Fig.2 Schematic of the Target Stand Center and the Heat Chamber in the Target Stand Center

图3 靶心和热室施工Fig.3 Construction of Target Stand Center and Heat Chambe

2 防中子辐射重质混凝土的技术要求、防辐射要求及技术特点

2.1 技术要求

⑴重质混凝土密度需达3 600 kg/m3以上；

⑵重质混凝土中防中子辐射效果较好的保留结晶水需达110 kg/m3以上；

⑶满足防辐射、抗渗漏、低收缩、高密度、高均匀性等特殊要求。

2.2 防辐射要求

中子源工程防辐射要求非常严格，而靶站靶心和热室及延迟罐是整个工程辐射最大的部位，因而也是防辐射的重点部位。中子源辐射剂量限制：

2.2.1 公众

CSNS对公众的剂量限制为0.1 msv/年。

2.2.2 工作人员在这里工作5 年所接受的辐射剂量也仅与1 次X射线胸透相当，即0.1 msv/次。

2.2.3 附近居民在散裂中子源附近居住1年，所受到的辐射剂量也仅相当于乘1次飞机，即0.01 msv/2 000 km航程。

2.3 主要技术特点

⑴针对特殊的技术要求，在国内首次成功研发了一种密度达3 600 kg/m3以上，混凝土内保留结合水达110 kg/m3以上的防中子辐射重质混凝土配合比。

⑵通过主要骨料的原材料自主选矿、开采、加工技术和重质混凝土自拌技术，保证了防中子辐射重质混凝土施工工序的可控性和重质混凝土质量的稳定性。

⑶为保证重质混凝土的振捣密实及确保密度大的骨料不下沉，专门研发了一种防中子辐射重质混凝土振捣技术。

⑷利用防辐射分缝技术，将水平缝和竖向缝均设置成台阶状，以防中子射线沿直线辐射，增强重质混凝土辐射屏蔽效果。利用靶心防径向收缩裂缝分块分缝技术，有效防止了大直径筒体结构混凝土径向收缩裂缝产生。

⑸利用大型预埋件底板预先开孔的技术保证了重混凝土墙体中中子通道、窥视窗等大型预埋件底板下重混凝土浇筑密实。

⑹利用均匀布料和全人工铁钎插捣技术，解决了预埋管线、构件、钢筋密集空间狭小部位重混凝土的密实度保证。

3 防中子辐射重质混凝土施工的关键技术

3.1 重质混凝土配合比研制及优选［3-5］

以高水铁矿砂（烧失量不低于12%）为含结晶水细骨料，以钢砂（表观密度大于7 400 kg/m3）为调整混凝土容重材料，以表观密度不低于4 000 kg/m3的重晶石砂为细骨料，表观密度不低于4 100 kg/m3的重晶石为粗骨料，配制出容重达到3 600 kg/m3的C30 防中子辐射混凝土。胶凝材料采用P·Ⅱ42.5R 水泥和S95级粒化高炉矿渣粉，掺加硼玻璃粉提高混凝土抗中子辐射性能，掺加聚丙烯纤维改善混凝土早期抗裂性，采用聚羧酸系高效减水剂增强重质混凝土的和易性，并调节初凝、终凝时间。优选的防中子辐射重质混凝土配合比的水胶比为0.51，各组成材料：胶凝材料340 kg/m3，其中水泥250 kg/m3、矿渣90 kg/m3，硼玻璃粉10 kg/m3，铁矿砂350 kg/m3，钢砂900 kg/m3，重晶石砂330 kg/m3，重晶石1 558 kg/m3，并掺加0.1%体积分数的聚丙烯纤维（0.9 kg/m3）。该配合比应用前通过了中国科学院高能物理所辐射防护组验算，并满足防辐射要求。

3.2 原材料控制技术

防中子辐射重质混凝土配合比组成材料达10 种之多，其和易性对材料粒径、级配、材料含泥量等指标敏感，主要骨料包括重晶石、重晶砂、高水铁矿砂、重质钢砂等，其材料密度、粒径、级配等要求特殊，市场无现货供应。其中重晶石、重晶砂、高水铁矿砂由我司与中国科学院高能物理所专家一同选矿，然后按照要求进行开采和加工。钢砂在专门厂家按照要求专门定制。确保了原材料各项指标的稳定性和料源的稳定。主要原材料产地、品牌及技术要求如下：

⑴重晶石：产地为广西省来宾市金秀县桐木镇，重晶石表观密度≥4 100 kg/m3，针片状颗粒≤15%，压碎指标≤30%，5～25 mm连续级配，石粉含量≤3%，泥块含量≤0.5%。

⑵重晶砂：产地为广西省来宾市金秀县桐木镇，重晶砂表观密度≥4 000 kg/m3，级配区为机制砂1 区，石粉含量≤10%，泥块含量≤2%。

⑶铁矿砂：产地为广东省清远市阳山县黎埠镇湖洋山，其烧失量≥12%，表观密度2 700～3 800 kg/m3，级配区为机制砂2区，石粉含量≤12%，泥块含量≤5%。

⑷钢砂：钢砂的表观密度≥7 400 kg/m3。

⑸水泥：采用广州某公司生产的P·Ⅱ42.5R水泥。

⑹矿粉：采用唐山某公司的S95级粒化高炉矿渣粉。

⑺硼玻璃粉：采用郑州某公司产的粒度320#硼玻璃粉，80微米筛余为0.2%。

⑻减水剂：采用东莞某公司产的BYT-LZ缓凝高性能减水剂，属聚羧酸系减水剂，固含量为11%。

⑼纤维：采用广东某公司产的聚丙烯纤维，长度为19 mm。

⑽水：采用符合饮用标准的自来水。

3.3 防中子辐射重质混凝土自拌技术

防中子辐射重质混凝土组成材料多，投料难度大，投料顺序和搅拌时间要求严格，加上对重质混凝土运输距离和运输时间有严格限制，为保证搅拌质量，在重质混凝土构件附近专门新建了1个拌和楼，全部采用自拌，并通过预捣件施工，制定拌和工艺流程，指导施工。

3.3.1 重混凝土上料技术

⑴加料顺序

考虑到重晶石粗骨料较脆，上料时采用细骨料包裹粗骨料的方式上料：钢砂→硼玻璃粉→纤维→重晶石砂→铁矿砂→重晶石→水泥→矿粉→水→减水剂。

⑵上料方式

重晶石、重晶砂、铁矿砂由搅拌站料斗自动投料，浇筑前应将这些材料提前用大铲车装入料斗，操作员控制搅拌机自动上料时，应准确设置各材料的参数，每槽误差不大于50 g，试验员负责监督搅拌机上料过程。

水泥、矿粉由搅拌机自动从水泥罐提取；水、减水剂由搅拌机自动抽取，减水剂的掺入量应严格控制。钢砂、玻璃粉、纤维采用人工投料。

3.3.2 重混凝土搅拌技术

重混凝土使用2 套JS100 搅拌机自动搅拌。每次搅拌前用与配合比等比例的水和减水剂混合液清洗机器。考虑重混凝土比重大，搅拌时难度大，每台搅拌机一次搅拌0.5 m3，搅拌时间严格控制在2 min，确保搅拌均匀又防止重晶石粗骨料破碎，搅拌完后卸入混凝土搅拌车。

3.3.3 重混凝土生产效率控制技术

施工前对搅拌的各工序进行了测算和试验，连续作业时重混凝土生产效率为1 m3/6 min，浇筑效率为1 m3/7 min。考虑到实际情况，重混凝土施工效率约为7 m3/h。

3.4 重混凝土水平、垂直运输技术

重混凝土由搅拌车运送至现场，卸入带导管的料斗，再用汽车吊吊送到待浇筑部位，通过溜槽入模。整个过程时间不得超过1 h。

搅拌车一次运送2 m3，3 台搅拌车轮流作业。浇筑分2个工作面同时进行。重混凝土卸入料斗时应确保料斗摆放平稳，钢丝绳不能全松，防止出现侧翻。重混凝土吊送过程应慢起慢落，保持匀速，速度不能太快，保证安全。吊送过程应保证料斗不漏浆。

3.5 重混凝土浇筑技术

根据测定的重混凝土生产和施工效率将每次浇筑重混凝土的总量控制在40～60 m3为宜，最大不超过100 m3。重混凝土入模时的塌落度严格控制在140±20 mm。入模温度控制在30 ℃以下。重混凝土采用汽车吊吊送到待浇筑部位，通过溜槽或导管入模。入模时其自由下落高度一般控制在0.5～1.0 m，不得大于2.0 m。重混凝土必须分层浇筑，每层厚度设为300 mm，最大不超过400 mm；上层与下层的浇筑间歇时间一般控制在1 h以内，不得超过2 h，必须严格保证。

重混凝土流动性不如普通混凝土，布料时尽可能均匀，布料点间距不大于1 m。重混凝土的振捣，主要采用A50mm振动棒和A30mm振动棒，振捣时间确定为5～8 s。振动棒振动点间距分别为250 mm 和200 mm。振捣点离侧模或预埋件距离100 mm。施工时振动棒不得直接与钢筋、预埋件、模板接触，当混凝土表面出现翻浆时立即停止振捣，一般以混凝土不再沉落、泛浆为止。上一层振捣时，振动棒插入下层混凝土50 mm，不得插到底。施工时不得漏振，不得用振动棒“赶”混凝土。对于钢筋或预埋件密集的狭小部位分层浇筑厚度设为200 mm，采用人工钢钎插捣，插捣点间距控制在50 mm，插捣时，做好节奏和频率控制，做到三快一慢，前三下快速插入，后一下慢插入，插入深度250～300 mm，每点插入次数为12～16 次，反复插捣，确保重混凝土密实。施工时每根振动棒由一名技术管理人员全程指挥、控制振捣时间和振捣点间距。

3.6 防中子辐射重质混凝土浇筑密实度及防止重骨料下沉保障技术

防中子辐射重质混凝土中各种骨料密度相差悬殊，在重质混凝土浇筑过程中通过重点控制振捣时间、振捣间距，将振动棒振捣时间严格控制在5～8 s，振捣点间距严格控制在200～250 mm 等措施，既保证了重质混凝土的振捣密实，又确保了密度大的骨料不下沉，使重质混凝土骨料分布均匀，很好地满足了中子辐射屏蔽要求。

3.7 靶心防径向收缩裂缝分块分缝技术［9］

靶心防中子辐射重质混凝土墙为大型圆筒结构，内侧为靶站密封筒，重质混凝土施工时以密封筒为内模，密封筒由钢板在施工现场分块焊接而成，材料为Q245R，筒体壁厚25 mm。考虑保温，外模采用木模。这样有强内约束的大型圆筒结构，在混凝土浇筑完成后极易产生径向收缩裂缝。施工时综合考虑防裂缝及重混凝土的施工效率和施工难度，利用竖向分缝技术将筒体竖向分成4 块，利用水平分缝技术将筒体水平方向分成6层浇筑。整个筒体分成24个小单元，按对称浇筑的原则分12 次浇筑完成，每层A、B 两部分分开浇筑。每次浇筑时间间隔为3～7 d。钢筋和模板均随浇筑高度逐层安装。分缝技术有效防止了靶心径向收缩裂缝产生，施工效果十分理想。

为保证防辐射效果，水平分缝和竖向分缝均设置成台阶状。水平缝采用3层钢丝网重叠并固定在墙中钢筋上，形成台阶状，台阶高度设为200 mm。竖向缝采用3层钢丝网重叠做成台阶状并固定在墙端支撑短钢筋上，相当于墙体的端模，重质混凝土浇筑完成后采用人工凿除钢丝网并露出新鲜混凝土，很好地保证了施工缝的质量。靶心、热室竖向施工缝示意图如图4所示，靶心水平施工缝示意图如图5所示，水平施工缝、竖向施工缝设置如图6所示。

图4 靶心、热室竖向施工缝示意图Fig.4 Schematic of Vertical Construction Joints of Target Stand Center and Heat Chamber （mm）

图5 靶心水平施工缝示意图Fig.5 Schematic of Horizontal Construction Joints of Target Stand Center （mm）

图6 水平施工缝、竖向施工缝设置Fig.6 Schematic of Setting Horizontal and Vertical Construction Joints

3.8 大型预埋件底板下重混凝土密实度保证技术

为使中子通道、窥视窗等大型预埋件底板下重混凝土浇筑密实，预先在预埋件底部开孔（见图7），既可作为重混凝土浇筑时的排气孔，又便于观察底部混凝土浇筑情况，还能作为振捣口。开孔尺寸根据预埋件大小和振捣间距综合考虑。重混凝土浇筑完成后，采用塞焊封闭开孔位置。

图7 中子通道底板开孔示意图Fig.7 Schematic of Perforating the Bottom Plate of Neutron Channel （mm）

3.9 预埋管线、构件密集空间狭小部位重混凝土密实度保证技术

对于预埋管线、构件、钢筋密集的地方，主要采用均匀布料，小型振动棒振捣和人工铁钎插捣，部分钢筋、管线过密部位采用全人工铁钎插捣（见图8），施工前操作工人的插捣工艺经过专门培训，确保重混凝土密实。

图8 窥视窗重混凝土浇筑及人工插捣Fig.8 Heavy Concrete Pouring and Artificial Puddling beside Hagioscope

3.10 重混凝土养护技术［10］

根据测温数据，重混凝土在浇筑后1 d 左右，温升达到峰值，故重混凝土终凝后要及时做好养护工作，重混凝土浇筑完后及时安装喷淋管，待重混凝土终凝后开始洒水养护并及时用麻袋和塑料薄膜覆盖重混凝土外露面。浇筑完14 h后松开侧模对拉螺杆，带模进行保温养护。浇筑完3 d 后拆除侧模板，用塑料薄膜包裹重混凝土外露面，持续保温保湿养护28 d。

对墙体预留洞口，两端用麻袋封盖，避免通风而导致温差过大形成裂缝。

4 实施效果

防中子辐射重质混凝土施工技术，在国内最大的大科学装置中国散裂中子源一期工程项目建设中首次采用，各项技术指标符合业主工艺和设计要求，很好地满足了防辐射、抗渗漏、低收缩、高密度、高均匀性等特殊要求。很好地解决了中国散裂中子源项目靶站靶心和热室及延迟罐的中子辐射屏蔽，大大降低了工程成本，缩短了施工工期，确保了重质混凝土的质量和安全性，得到了业主及监理的充分肯定，并赢取了当地质监、安监部门的高度评价，且环保效益显著。

经检测，重混凝土28 d 抗压强度完全满足C30 强度要求。

根据试块称重计算，重混凝土的密度达到3 645 kg/m3，完全满足设计3 600 kg/m3以上的要求。

2020年初，中国散裂中子源打靶功率提前达到设计指标100 kW，并在该功率下稳定运行。散裂中子源科学中心于2020年2月28日，采用中子剂量当量仪测量靶站北大厅距离靶站中心8.5 m 屏蔽体处中子剂量，中子剂量率为0.056（μSv/h@100 kW）（该测量值未扣除本底，中子周围剂量当量仪测量的本底约为0.040 μSv/h），测量值远低于设计指标2.5 μSv/h，证明重质混凝土防辐射效果理想。

5 结语

通过主要材料重晶石、重晶砂、高水铁矿砂自主选矿、开采、加工技术和严格控制其它原材料进场技术，以及重混凝土的自拌技术，保证了防中子辐射重混凝土生产、供应的稳定和质量的稳定。通过重混凝土浇筑时入模下落高度控制、布料点的间距控制、分层厚度控制、振捣点的间距控制、振动棒振捣时间控制等措施，既保证了重质混凝土的振捣密实，又确保了密度大的骨料不下沉，使重质混凝土骨料分布均匀。通过采用3 层钢丝网重叠，制作台阶状水平和竖向防辐射施工缝，将有强内约束大型筒体重质混凝土分块错开浇筑，防止了筒体混凝土径向收缩裂缝的产生，同时也解决了包括热室及延迟罐复杂结构的裂缝控制。通过底板开孔技术，解决了中子通道、窥视窗等大型预埋件底板下重混凝土浇筑密实问题。通过采用均匀布料，小型振动棒振捣和人工铁钎插捣，解决了预埋管线、构件、钢筋密集地方的重混凝土密实度。

通过关键技术的控制，很好地保证了防中子辐射重质混凝土的施工质量，圆满完成了中国散裂中子源核心部位-靶站靶心和热室及延迟罐的结构施工难题，为今后同类工程结构的施工提供经验参考和技术借鉴。