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质子重离子放疗区屏蔽墙防辐射 混凝土的关键施工技术 Ke y Co n s t r u c t i o n Te c h n o l o g y o f An t i Ra d i a t i o n Co n c r e t e f o r S h i e l d W a l l i n P r o t o n He a v y I o n Ra d i a t i o n T h e r a p y Ar e a 蔡文鹭 上海建工一建集团有限公司 上海 2 0 0 1 2 0 摘 要 ： 上海质子重离子医院由于设备复杂 、防辐射屏蔽等级要求极高，为了控制混凝土屏蔽墙感生放射性的量 ，对混 凝土各原材料、裂缝控制等提出了一系列极高要求。为了达到相关要求 ，进行 了相关原材料各种测试 、配合比、均匀 性 、长期含水率等方面的专项研究。通过进行精心组织、精心施工 ，各方面均达到预期效果 ，可为以后类似工程提供 借鉴。 关键词： 质子重离子放疗 辐射屏蔽 微量元素控制 长期含水率 裂缝控制 均匀性 中图分类号： T U 7 5 5 ， 文献标识码 B 【 文章编号l 1 0 0 4 1 0 0 1 ( 2 0 1 2 l 0 6 0 5 6 6 0 3 根据 上海市卫生发展 “ 十一五” 规划 要求 ， 为进一步 提升上海市肿瘤治疗水平、满足人民群众日益增长的不同 医疗服务需求、 更好地体现上海的服务水平 ， 由上海 申康医 院发展中心作为牵头单位 ， 依托国内资本、 国际技术和管理 的方式规划 ， 建设了全球第四家、 国内第一家具有质子重离 子治疗肿瘤技术的专业医院。 1 工程概况 本工程基地位于上海市浦东新 区上海 国际 医学 园区 内， 一期建设包括质子重离子放疗、 配套的门诊、 医技、 病 房、 行政、 后勤等 ， 总建筑面积为 5 2 5 4 2 Il l 。质子重离子放 疗 区( 以下简称 p T区 ) 由离子源房间、 直线加速器、 射频间、 同步加速器、 高能束流传输系统上、 下段 、 4个治疗房及配 套的设备机房、 辅助用房组成( 图 1 、 图 2 ) 。 图 1 P T区平面示意 P T区由于设备复杂 、 防辐射屏蔽等级要求极高 ， 从而 结构构造复杂， 整个结构设计的屏蔽墙厚度从 1 5 0 0 m il l 作者简介： 蔡文鹭( 1 9 6 5 一 ) ， 女， 硕士， 高级工程师。 作者地址： 上海市福山路 3 3 号( 2 0 0 1 2 O ) 。 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 4 2 7 5 6 6 l 2 o 1 2 6 B 1面 m 图 2 P T区局部剖面示意 3 7 5 0 m m 不等 ，楼板厚度从 l 2 0 0 m m 2 5 0 0 m m不等 ， 配 筋量高。 为 了控制混凝土屏蔽墙感生放射性的量 ， 中国科学 院物理研究所和西门子设备制造商对 用于本项 目辐射屏蔽 目的的混凝土各原材料、裂缝控制等提 出了一系列极高要 求。 2技术难点分析 2 1 钢筋混凝土密度及均匀性要求 辐射屏蔽 用钢筋混凝土主要成分有 ： 水泥、 骨料 、 掺合 料、 水、 外加剂、 钢筋和内置件。 需要保证钢筋混凝土的密度 不低于 2 3 5 0 k g m ，且必须保证施工完成的结构在长期运 营期间密度的均匀性和长期含水率，确保防辐射屏蔽结构 材性始终稳定。 2 2 混凝土主要材料微量元素控制要求 ( a ) 屏蔽器墙板原材料混凝土( 水泥、 砂 、 石、 水及掺加 物的混合体 ) 、 矿粉、 粉煤灰 中微量元素的含量 ， 占混凝土总 质量的 1 0 ： ( b ) 钴( C o ) 、 银( A g ) 、 铱( I r ) 的含量 0 0 0 5 ； ( C )其他元 素如铕 ( E u ) 、 钐 ( S m) 、 钆 ( G d ) 、 镝 ( 0 y ) 、 铥 ( T m) 的含量 0 0 0 1 。 2 3 超厚板墙裂缝控制要求 P T区屏蔽墙板最厚达 3 7 5 m ， 且墙体超长 、 超高 ， 平面 尺寸最长达 l l 2 m 。这类超长结构大体积混凝土在施工期 间长期处于暴露状态极易产生危害裂缝。 根据本 P T治疗设 备工艺要求， 其混凝土结构裂缝控制 目标为 ： 不得有垂直于 墙面 宽度大于 0 2 m m的贯穿裂缝 ； 要求混凝 土收缩值低 ( 3 6 0 d 收缩量 6 X 1 0 m m ) 。 2 4 混凝土工作性要求 在满足以上相关要求 的基础上 ，该混凝土还必须具有 良好操作性和强度、 抗渗等级。 3 辐射屏蔽用混凝土的研制与试验 3 1 原材料 的选用 ( a )水泥 ：选 用中国建 材南方 水泥有限公 司生 产的 P 0 4 2 5 的普通硅酸盐水泥 ， 其物理性能指标符合 通用硅 酸盐水泥 ( G B 1 7 5 2 0 0 7 ) 规定的要求。 ( b ) 细骨料 ： 细度模 数约 2 4的中砂 ， 其物理性能指标 符合 普通混凝 土用砂 、石质量及 检验 方法标 准 ( J G J 5 2 - 2 0 0 6) 规定的要求。 ( C ) 粗 骨料 ： 所使 用的 5 m m N 2 5 m m的碎石 ， 其物理性 能指标符合 普通混凝土用砂 、石质量及检验方法标 准 ( J G J 5 2 2 0 0 6 ) 规定的要求。 ( d ) 粉煤灰 ： 级磨 细粉 煤灰 ， 其物理性 能指标符合 用于水泥和混凝土 中的粉煤灰 ( G B _ r 1 5 9 6 2 0 0 5 )规定的 要求。 ( e ) 矿粉 ： S 9 5 矿粉 ， 其物理性能指标符合 用于水泥和 混凝土 中的粒化高炉矿渣粉 ( G B _ r 1 8 0 4 6 -2 0 0 8 )规定的 要求。 ( f ) 外加剂 ： 选择上海麦斯特建工高科技建筑化 工有 限公司生产的 R P 3 2 5 ， 其质量指标符合 聚羧酸系高性能减 水剂 ( J G T 2 2 3 -2 0 0 7 )和现行国家标准 混凝土外加剂 ( G B 8 0 7 6 - 2 0 0 8) 规定的要求。 ( g ) 拌和 水 ： 采 用符合 混凝 土用水标准 ( J G J 6 3 2 0 0 6 ) 的要求的拌和用水。 3 2 试验配合比 配合 比具体数据见表 1 。 表 1 辐射屏蔽 用混凝土配合比 等级l 自 来水I P O 4 2 5 l $ 9 5 l I I 级I 中砂 I 5 m m 2 5 m mI R P 3 2 5 C3 0I 1 5 5 I 2 2 0 l 1 2 5 l 3 5 l 8 2 0 I 1 0 2 5 I 3 2 注 ： 坍落度为 1 6 0 m m 土3 0 m m 。 3 3 模拟试验 为了确保达到中国应用物理研究所和西门子技术合同 对 P T区屏蔽用混凝土的相关要求 ， 对使 用在本 区域的混凝 土进行了模拟试验。构件体选择 4 m X4 m ， 高度选择 4 m ， 测试构件模拟真实构件的断面及配筋要求。 在试验过程 中， 还对以下方面进行 了相关测试 ： ( a ) 混凝土拌合物性能 、 密度、 坍落度 ， 新拌 混凝 土的 凝结时间： ( b ) 混凝土力学性能， 抗压强度、 抗折强度 、 弹性模量、 轴心抗压 ： ( C ) 混凝土耐久性指标 ， 如收缩性能 ： ( d)混凝土绝热温升 ( e ) 混凝土原材料微量元素测试 ： ，( f ) 混凝土密度和钻心强度和均匀性 ： ( g ) 混凝土试件长期水份含量测试 ； ( h )混凝土试件的测温。 3 4主要试验成果 3 4 1 辐射屏蔽用混凝土原材料微量元素测试成果 采用 I C P O E S 方法对混凝土原材料微量元素测试 ， 其 详细的数据分析见表 2 、 表 3 。 表 2 各种原材 料在 混凝土中的质量百分比汇总表 墙板混凝土 水泥 矿粉 粉煤灰 胶凝材料总量 占混凝土 比例 9 - 2 5 2 1 5 1 5 9 表 3墙板混凝土微量元素的总含量分析 结果 分析组份 计算结果 ， 技术合 同的上限计算值 ， 是否符合技术要求 Ag 0 0 o O6 O o 0 31 3 Co 0 O 0 09 4 0 0 o 31 3 D r O 0 o 0 5 4 0 O o 0 6 3 所有检测 E u O 0 ( )o2 O 0 0 o 6 3 项都符合 G d O o () o6 l O 0 o O 6 3 要求 I r O O 0 o2 O o 0 31 3 S m 0 O 0 02 0 0 O O6 3 T m 0 O o 0 2 0 O 0 o6 3 从测试报告数据来看 ， 无论是水泥、 矿粉、 粉煤灰单个 材料微量元素测试 ， 还是胶凝材料混合测试微量元素 ， 均满 足国家和该设备工艺的限制要求。 3 4 2 辐 射屏 蔽 用混 凝土 的 密度 、 均 匀性 测试 成果 整个 P T区结构在建造期间和 以后长期设备服务期间 保持较稳定的材料特性 、 均匀性 ， 以及长期含水率 ， 对屏蔽 防辐射结构至关重要。 这一方面可 以确保结构的耐久性 ， 保 证足够的厚度与重度 ，另一方面可 以确保结构在稳定 的特 性下不产生危害结构 的裂缝。故对该混凝土配比材料以标 养试块和实体结构钻芯取样测试方法进行 了测试。 本次取芯在试件 的 3个立面指定部位 ( 纵 向中心线 ) 上， 分别位于 4 m X4 m试件 中心位置沿高度方向由下往上 间距 为 1 m 、 1 2 5 m 、 1 2 5 m 、 0 5 m 的位 置 。 共 钻 取 了 llt l i r 第3 4 卷第 6 期 l 5 6 7 西1 0 0 m m的 8 组芯样( 长度均大于 4 0 0 m m ) ， 其中北侧面 3 个 ， 西侧面 3 个 ， 东侧面 2 个 。取样后每组芯样切割成 3 个 高 1 0 0 m m的标 准芯样 ， 共切割 2 4个芯样 。根据取芯的方 位及芯样所处的位置分别进行编号 ，在实验室进行密度和 强度测试。 根据试验结果数据分析 ， 密度平均值 2 3 7 7 k g m 。 ， 密度 平 均 偏 差 为 1 1 8 ( 且 均 为 正 偏 差 ) ，强 度 平 均 值 为 4 5 5 M P a ， 强度平均偏差为 4 4 5 ( 且均为正偏差 ) 。从均匀 性角度来分析 ， 根据试件所处位置密度来说 ， 密度分部特点 为： 中间大、 上下左右较小 ， 但波动区间不大 ， 能达到相关技 术要求。 从而无论是标养试块密度测试还是实体结构钻心取样 密度、 均匀性测试来看 ， 密度均满足 2 3 5 0 k g m 。 的要求 ， 且 密度偏差离散性较小， 分别较均匀。从强度方面来分析 ， 由 于要综合考虑控制微量元素等因素 ， 该配 比水泥含量较高 ， 造成强度值较高。 3 4 3 混辐射屏 蔽用混凝土长期含水率测试成果 长期含水率的测试 ， 是在一定的 自然养护条件下 ， 测试 混凝土试件 重量的变化 。前期按间隔 1星期测试 2 次和后 期按 间隔 1 星期 1次的频率进行测试 ， 进而推算混凝土水 份含量的变化 ， 并且记录测试时的温湿度。 其中测试长期水 份含量 ， 是将一组试块放置在烘箱 中烘 2 4 h 后 ， 放在 自然 养护条件下养护、 测试 ， 另一组直接放置在 自然养护条件下 养护、 测试。一段时间内的变化曲线见图 3 。 y l I t l t 鬈 t I _ 1 一一 图 3 在 自然条件下的长期水份含量变化 曲线 从 数据来看 ，在 自然养护条件下养护的试件 ，经过 2 5 0 d 后 ，试件质量比初始的质量减少 了 1 4 5 g ，减少 了 0 8 ， 对应的密度由 2 3 7 1 k g m 。 降低到 2 3 5 2 k g m 。 ， 且后 期水分变化处于稳定期 ，波动极小。故在今后的运行环境 下 ，辐射屏蔽用混凝土的容重总是处于 2 3 5 0 k g m 。 以上 ， 并且内部含有稳定的水份含量。 3 5 裂缝及混凝土均匀性控制工艺 3 5 1 优化 配合 比 分析实验数据测试结果 ， 原配比混凝土强度偏高 ， 聚羧 酸系混凝土和易性偏差、 塌落度偏小 ， 易出现危害裂缝和内 外温差较高等现象。故为 了更好适应现场 C 3 0 P 6 混凝土设 计和施工要求 ， 对原配合 比进行优 化( 表 4 ) ， 再次 以 P T区 5 6 8 l 2 0 1 2 6 m 血g 作为试验 ， 取得较好效果。 表 4辐射 屏蔽用混凝土优化配合 比 强度 水 水泥 矿粉 粉煤灰 黄砂 石子 外加剂 等级 自来水 P 0 4 2 5 $ 9 5 l I 级 中砂 5 m m 2 5 m m R P 3 2 5 C 3 0 1 5 5 2 2 O 8 0 8 0 8 2 0 1 0 2 5 3 2 3 5 2分块 、 分段浇捣 ( a ) 直线加速器段长度超过 1 0 0 m ， 实际施工时， 对较 长的几段墙底板设施工缝或后浇带分块施工，以减少分块 长度， 使每块长度为 3 0 m左右。 施工时跳仓浇筑 ， 施工缝处 前后 2 块浇筑时间的间隔应大于 1 4 d 。 ( b ) 竖向墙体 由于墙体施工高度较高 ， 较难保证浇捣 质量和混凝土均匀性 ， 故对竖 向墙体进行合理分段 ， 最多的 分为了 7 个施工段( 图 4 ) 。在确保施工方便、 确保均匀性 的 同时 ， 采用企 口施工缝形式 ， 以防止缝隙贯通。 3 5 3 浇筑过程 需特别注意厚墙模板 的施工 ， 拉结螺栓应均匀、 准确 ， 同时确保混凝土保护层厚度， 使其具有足够的刚度、 强度和 稳定性 。 混凝土从搅拌到入模的控制时间为 6 0 m i n ， 入模温 度控制 3 0 o c ， 应尽早保温 、 保湿 ， 现场防风及避免太阳直 射 ， 使养护时间充分。聚羧酸 系混凝土应避免多振 ， 减少泌 水 ， 防止粗骨料分布特别不均匀。 企口 图 4 竖向墙体分段施工示意 3 5 4 混凝 土养护 结 果 通过材料配 比控制手段和施工手段 ， P T区钢筋混凝土 结构施工时内外温差控制在 2 5 c c ， 峰值 出现在 5 0 h 内， 最 高为 7 0 c C 。经过 1年 的观察和 实测 ，结构未 出现 大于 0 2 m m以 上 的 危 害裂 缝 ，混 凝 土 3 6 0 d的收 缩 量 为 4 1 0 m m X 1 0 q m m ， 均满足规范和设计要求。 4结语 在精心组织、 精心实施下 ， 该屏蔽辐射用混凝土的材料 性能达到了中科院、 西门子设备供应商等相关要求， 取得了 预期的目标 ， 可为以后类似工程提供借鉴 。 珈 枷 g 辐射屏蔽甩混凝土长期水份含量