銑削型鋼纖維在抗輻射大體積混凝土裂縫控制中的應用

洗俊峰 韓春斌

南京中和結構設計事務所 江蘇南京210018　江蘇省建筑科學研究院有限公司 江蘇南京210008

前言

    由于醫用電子直線加速器是一種外照射放療設備，臨床治療時產生的MU級X射線和電子束會對周邊環境產生一定的輻射。為使其輻射控制在國家允許的范圍內，必須加強直線加速器機房混凝土墻板的厚度來防止射線穿過外滲，且混凝土的重度必須大于23.5 kN/m3 ；同時，機房的墻體與頂板必須一次性連續澆筑，不允許留設水平施工縫，結構不允許有裂縫。

　　本工程是南京軍區總院直線加速器機房。根據直線加速器射線的強度。計算出結構厚度：機房四周側壁墻一般為1.3m，最厚處為2.5m，墻體高5m；頂板最厚處也為2.5m。

　　根據行業規范《普通混凝土配合比設計規程》(JCJ55—200))的定義：混凝土結構物實體最小尺寸等于或大于1m，或預計會因水泥水化熱引起混凝土內外溫差過大而導致裂縫的混凝土，稱為大體積混凝土。在實際設計中，則根據混凝土厚度(0.8 m-1m)和溫差(25℃)來定量判別。

　　因此，南京軍區總院直線加速器機房結構屬于大體積混凝土結構，更由于直線加速器機房抗輻射的特殊性，在結構設計中必須充分考慮。采取措施，采用“抗”的辦法，使結構留有足夠的抗拉強度儲備。最大限度的杜絕結構裂縫。

1、大體積混凝土開裂的主要原因

　　引起混凝土開裂的原因主要有兩類：一類是由于外部荷載作用而產生的，即結構裂縫；另一類則屬于非荷載裂縫。非荷載裂縫大多是由于變形作用引起，這其中包括了溫度變形(水泥的水化熱、氣溫變化、環境熱度)、收縮變形(塑性收縮、干燥收縮、碳化收縮)及地基不均勻（膨脹)變形。

　　大體積結構混凝土開裂主要是由于非荷載因素，即水泥水化熱產生的溫差變形和混凝土收縮變形受到約束引起的應力一旦超過了混凝土的抗拉強度，將導致裂縫的產生。

2、控制大體積混凝土開裂的技術措施

    現階段，一般采取包括設計、施工、材料3個方面的綜合措施來控制大體積混凝土的裂縫。設計上合理選擇建筑物的結構形式，降低結構可能受到的約束應力，采用中低強度等級混凝土，盡量利用混凝土后期強度；在材料組成上盡量優選有利于抗拉性能的混凝土級配，優選水膠比，選用影響收縮和水化熱較小的外加劑和摻和料；在施工中采取保一溫保濕的養護技術，控制混凝土的溫差和降溫速度。

    由于本工程抗輻射的要求，對大體積混凝土裂縫的限制更加嚴格，因此，在綜合采取以上措施的基礎上，采用了鋼纖維混凝土。

3、鋼纖維在抗輻射大體積混凝土曩縫控制中的應用

　　3.1鋼纖維在大體積混凝土中的阻裂作用

    鋼纖維在混凝土中的阻裂作用主要表現在以下兩個方面：首先，鋼纖維能顯著提高混凝土抗塑性收縮的能力。當混凝土澆筑完成后，裂縫產生的主要原因就是其內部的水份不一致蒸發，造成不均勻的體積收縮所致。這時，混凝土尚未硬化，不能產生足夠的強度以抵抗這一收縮應力，水泥漿體收縮引起的拉應力可導致混凝上開裂，而鋼纖維的存在可分散或部分抵消內應力，從而抑制微裂縫的產生和發展。其次，鋼纖維可降低裂縫尖端的應力集中，防止微裂縫的進一步發展。我們知道，一旦裂縫形成，其尖端就會產生應力集中，裂縫會因此而繼續擴展，但當其尖端發展到與纖維相交時，鋼纖維即可抵消其部分或全部的應力。由于鋼纖維在混凝土中呈三維狀態分布，所以可有效地防止裂縫發展成貫穿裂縫。

    因此，鋼纖維混凝土抗裂的作用機理是阻止混凝土裂縫的產生和抑制裂縫的擴展。正是由于這些原因，摻人鋼纖維可大大減少混凝土內部的宏觀裂縫(裂縫寬度大于0.05mm)的數量，增強了結構的密實度，保證結構早期就有足夠的抗拉強度來抵抗裂縫的產生。

　　3.2鋼纖維的選型

    鋼纖維混凝土的增強機制是基于定向的鋼纖維的存在限制了混凝土裂縫的形成和擴展，鋼纖維與棍凝土的粘結性能對這種限制起著主導作用。鋼纖維與混凝土的粘結性能是由于水泥水化物與鋼纖維界面聞的粘著和機械嚙合作用引起的，因此，鋼纖維的形狀、表面狀況、斷面形狀和鋼纖維的材質對此類物理結合起著很大的作用。

    根據生產工藝的不同。鋼纖維主要有：鋼絲鋼纖維、剪切鋼纖維和銑削鋼纖維。對于光滑表面的鋼絲、剪切鋼纖維而言，由于它的表面粘結力小，只能給予產生裂縫內部應力的傳遞作用。具體表現在可見裂縫形成后，綱絲纖維的錨端阻止裂縫的擴展．并將作用在裂縫上的應力分散傳播到其它方向，所以鋼絲或剪切纖維只能限制可見裂縫的延伸。與它們不同，銑削型鋼纖維在混凝土中的橫截面和縱截面均有鋸齒形的邊，加上兩端有帶鉤的錨尾，銑削鋼纖維與水泥漿之間的粘結力成倍增加：同時，因為它有較大的接觸面積在硬化水泥漿體內，銑削鋼纖維在整個長度都呈現錨固形，所以它能在最大程度上阻止混凝土內裂縫的形成。因此，本工程采用在大體積混凝土中摻人銑削鋼纖維。

　　3.3銑削鋼纖維混凝土配比設計

    首先應重點考慮大體積混凝土水化熱問題，同時考慮泥凝土收縮、混凝土強度及混凝土比重、混凝土和易性、施工性、泵送性，以及混凝土施工過程中是否產生浮漿、泌水。

    (1)水泥：選擇水化熱較低的膠凝材料，特別是混凝土的早期永化熱應低。且通過和粉煤灰、礦粉進行復合雙摻使用，混凝土水化熱低。高摻粉煤灰及礦粉可以延緩混凝土水化熱峰值，降低混凝土的早期強度，增加混凝土后期強度，提高混凝土和易性。減少混凝土收縮。

    (2)碎石：混凝土用石在防輻射混凝土中顯得尤為重要。其主要原因是石子的抗射線穿透力強，石子的粒形、級配、松散容重及比重對混凝土配合比設計起到決定性的作用。最后確定侖山礦生產的白云巖，其比重最大為2.8，壓碎值為8.5左右，粒形好，可以配成合理級配。

    (3)混凝土用砂：選擇長江上游南昌段產的中粗砂，細度模數為2.4—2.8質地好，干凈無雜物，級配好。

    (4)混凝土外加劑：根據此工程的特殊要求，選用江蘇省建科院研制的多功能補償收縮型，高效減水、緩凝、補償收縮的一體化外加劑JM一Ⅱl。其作用為減少混凝土單方用水量．內摻替代水泥用量，延緩水泥水化峰值，增加混凝土后期強度。補償混凝土收縮。但此種外加劑是親水型外加劑，對混凝土的保濕養護要求較高。

　　(5)粉煤灰、礦粉：粉煤灰選擇華能l級灰，質量穩定。

　　(6)拌和水采用深井水，水溫較低。

    (7)摻鋼纖維：為了有效的減少裂縫和阻止裂縫的開展．在混凝土內摻人了30 k9/m3的銑削型鋼纖維。

此混凝土摻人銑削型鋼纖維30 kg/m3 ，混凝土狀態良好．無泌水現象，經振搗無浮漿層，銑削型鋼纖維、石子在混凝土中分布均勻。混凝土濕容重滿足設計要求。混凝土凝結時間初凝為l8h．終凝為l9.5h，環境溫度為20℃。

　　3.4銑削型鋼纖維混凝土抗拉強度計算

    a一鋼纖維對抗拉強度的影響系數，宜通過試驗確定，其參考值為0.83。

    本工程混凝土為C30，摻人銑削型鋼纖維30 k9/m3，鋼纖維體積率為0.38％，鋼纖維長徑比為40．鋼纖維對抗拉強度的影響系數取參考值0．83。均比普通混凝土增加了l2％以上。

    同時，由于錒纖維的均勻分布。使混凝土的應力在結構材料的橫截面及其長度方向更加均勻分散．避免了應力集中，故能有效地減少裂縫或阻止裂縫的引伸和擴展。

4、結語

    (1)本工程采用在大體積混凝土中摻人銑削鋼纖維的

技術是成功的，經現場驗收。混凝土無一脹模、裂縫、滲漏現象。達到了預期的效果。在大體積混凝土中摻人銑削鋼纖維后，提高了大體積混凝土早期的抗拉強度，有效的阻止了收縮裂縫的產生和擴展，增強了結構的耐久性，可有效抵抗輻射的外滲。

    (2)摻入銑削鋼纖維后，混凝土的重度提高。滿足了抗輻射的要求。

    (3)銑削鋼纖維在混凝土中均勻分布，不結團，不裸露．和易性好。混凝土初凝時間延后2h，施工方便。

參考文獻

【l】王鐵夢，工程蛄構裂縫控制【M】．北京：中國建筑工業出版社。l997

【2】黃承連，纖維混凝土結構【M】．北京：機械工業出版社，2004．

【3】DBJ08—59-97鈍削鋼纖維混凝土應用技術規程【S】．上海市建筑科學研究院，l997．

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)