銑削型鋼纖維在抗輻射大體積混凝土裂縫控制中的應(yīng)用

洗俊峰 韓春斌

南京中和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)事務(wù)所 江蘇南京210018　江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司 江蘇南京210008

前言

    由于醫(yī)用電子直線加速器是一種外照射放療設(shè)備，臨床治療時(shí)產(chǎn)生的MU級(jí)X射線和電子束會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生一定的輻射。為使其輻射控制在國(guó)家允許的范圍內(nèi)，必須加強(qiáng)直線加速器機(jī)房混凝土墻板的厚度來(lái)防止射線穿過(guò)外滲，且混凝土的重度必須大于23.5 kN/m3 ；同時(shí)，機(jī)房的墻體與頂板必須一次性連續(xù)澆筑，不允許留設(shè)水平施工縫，結(jié)構(gòu)不允許有裂縫。

　　本工程是南京軍區(qū)總院直線加速器機(jī)房。根據(jù)直線加速器射線的強(qiáng)度。計(jì)算出結(jié)構(gòu)厚度：機(jī)房四周側(cè)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(jù)行業(yè)規(guī)范《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JCJ55—200))的定義：混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小尺寸等于或大于1m，或預(yù)計(jì)會(huì)因水泥水化熱引起混凝土內(nèi)外溫差過(guò)大而導(dǎo)致裂縫的混凝土，稱(chēng)為大體積混凝土。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，則根據(jù)混凝土厚度(0.8 m-1m)和溫差(25℃)來(lái)定量判別。

　　因此，南京軍區(qū)總院直線加速器機(jī)房結(jié)構(gòu)屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，更由于直線加速器機(jī)房抗輻射的特殊性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須充分考慮。采取措施，采用“抗”的辦法，使結(jié)構(gòu)留有足夠的抗拉強(qiáng)度儲(chǔ)備。最大限度的杜絕結(jié)構(gòu)裂縫。

1、大體積混凝土開(kāi)裂的主要原因

　　引起混凝土開(kāi)裂的原因主要有兩類(lèi)：一類(lèi)是由于外部荷載作用而產(chǎn)生的，即結(jié)構(gòu)裂縫；另一類(lèi)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(huán)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(jié)構(gòu)混凝土開(kāi)裂主要是由于非荷載因素，即水泥水化熱產(chǎn)生的溫差變形和混凝土收縮變形受到約束引起的應(yīng)力一旦超過(guò)了混凝土的抗拉強(qiáng)度，將導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。

2、控制大體積混凝土開(kāi)裂的技術(shù)措施

    現(xiàn)階段，一般采取包括設(shè)計(jì)、施工、材料3個(gè)方面的綜合措施來(lái)控制大體積混凝土的裂縫。設(shè)計(jì)上合理選擇建筑物的結(jié)構(gòu)形式，降低結(jié)構(gòu)可能受到的約束應(yīng)力，采用中低強(qiáng)度等級(jí)混凝土，盡量利用混凝土后期強(qiáng)度；在材料組成上盡量?jī)?yōu)選有利于抗拉性能的混凝土級(jí)配，優(yōu)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(yǎng)護(hù)技術(shù)，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(duì)大體積混凝土裂縫的限制更加嚴(yán)格，因此，在綜合采取以上措施的基礎(chǔ)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(yīng)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(xiàn)在以下兩個(gè)方面：首先，鋼纖維能顯著提高混凝土抗塑性收縮的能力。當(dāng)混凝土澆筑完成后，裂縫產(chǎn)生的主要原因就是其內(nèi)部的水份不一致蒸發(fā)，造成不均勻的體積收縮所致。這時(shí)，混凝土尚未硬化，不能產(chǎn)生足夠的強(qiáng)度以抵抗這一收縮應(yīng)力，水泥漿體收縮引起的拉應(yīng)力可導(dǎo)致混凝上開(kāi)裂，而鋼纖維的存在可分散或部分抵消內(nèi)應(yīng)力，從而抑制微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。其次，鋼纖維可降低裂縫尖端的應(yīng)力集中，防止微裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。我們知道，一旦裂縫形成，其尖端就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂縫會(huì)因此而繼續(xù)擴(kuò)展，但當(dāng)其尖端發(fā)展到與纖維相交時(shí)，鋼纖維即可抵消其部分或全部的應(yīng)力。由于鋼纖維在混凝土中呈三維狀態(tài)分布，所以可有效地防止裂縫發(fā)展成貫穿裂縫。

    因此，鋼纖維混凝土抗裂的作用機(jī)理是阻止混凝土裂縫的產(chǎn)生和抑制裂縫的擴(kuò)展。正是由于這些原因，摻人鋼纖維可大大減少混凝土內(nèi)部的宏觀裂縫(裂縫寬度大于0.05mm)的數(shù)量，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，保證結(jié)構(gòu)早期就有足夠的抗拉強(qiáng)度來(lái)抵抗裂縫的產(chǎn)生。

　　3.2鋼纖維的選型

    鋼纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)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(kuò)展，鋼纖維與棍凝土的粘結(jié)性能對(duì)這種限制起著主導(dǎo)作用。鋼纖維與混凝土的粘結(jié)性能是由于水泥水化物與鋼纖維界面聞的粘著和機(jī)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(zhì)對(duì)此類(lèi)物理結(jié)合起著很大的作用。

    根據(jù)生產(chǎn)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(duì)于光滑表面的鋼絲、剪切鋼纖維而言，由于它的表面粘結(jié)力小，只能給予產(chǎn)生裂縫內(nèi)部應(yīng)力的傳遞作用。具體表現(xiàn)在可見(jiàn)裂縫形成后，綱絲纖維的錨端阻止裂縫的擴(kuò)展．并將作用在裂縫上的應(yīng)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(jiàn)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(jié)力成倍增加：同時(shí)，因?yàn)樗�有較大的接觸面積在硬化水泥漿體內(nèi)，銑削鋼纖維在整個(gè)長(zhǎng)度都呈現(xiàn)錨固形，所以它能在最大程度上阻止混凝土內(nèi)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(shè)計(jì)

    首先應(yīng)重點(diǎn)考慮大體積混凝土水化熱問(wèn)題，同時(shí)考慮泥凝土收縮、混凝土強(qiáng)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(guò)程中是否產(chǎn)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(yīng)低。且通過(guò)和粉煤灰、礦粉進(jìn)行復(fù)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(qiáng)度，增加混凝土后期強(qiáng)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(qiáng)，石子的粒形、級(jí)配、松散容重及比重對(duì)混凝土配合比設(shè)計(jì)起到?jīng)Q定性的作用。最后確定侖山礦生產(chǎn)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(jí)配。

    (3)混凝土用砂：選擇長(zhǎng)江上游南昌段產(chǎn)的中粗砂，細(xì)度模數(shù)為2.4—2.8質(zhì)地好，干凈無(wú)雜物，級(jí)配好。

    (4)混凝土外加劑：根據(jù)此工程的特殊要求，選用江蘇省建科院研制的多功能補(bǔ)償收縮型，高效減水、緩凝、補(bǔ)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(nèi)摻替代水泥用量，延緩水泥水化峰值，增加混凝土后期強(qiáng)度。補(bǔ)償混凝土收縮。但此種外加劑是親水型外加劑，對(duì)混凝土的保濕養(yǎng)護(hù)要求較高。

　　(5)粉煤灰、礦粉：粉煤灰選擇華能l級(jí)灰，質(zhì)量穩(wěn)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(kāi)展．在混凝土內(nèi)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(tài)良好．無(wú)泌水現(xiàn)象，經(jīng)振搗無(wú)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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。混凝土凝結(jié)時(shí)間初凝為l8h．終凝為l9.5h，環(huán)境溫度為20℃。

　　3.4銑削型鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度計(jì)算

    a一鋼纖維對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響系數(shù)，宜通過(guò)試驗(yàn)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(zhǎng)徑比為40．鋼纖維對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響系數(shù)取參考值0．83。均比普通混凝土增加了l2％以上。

    同時(shí)，由于錒纖維的均勻分布。使混凝土的應(yīng)力在結(jié)構(gòu)材料的橫截面及其長(zhǎng)度方向更加均勻分散．避免了應(yīng)力集中，故能有效地減少裂縫或阻止裂縫的引伸和擴(kuò)展。

4、結(jié)語(yǔ)

    (1)本工程采用在大體積混凝土中摻人銑削鋼纖維的

技術(shù)是成功的，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收。混凝土無(wú)一脹模、裂縫、滲漏現(xiàn)象。達(dá)到了預(yù)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(qiáng)度，有效的阻止了收縮裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)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(mǎn)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(jié)團(tuán)，不裸露．和易性好。混凝土初凝時(shí)間延后2h，施工方便。

參考文獻(xiàn)

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【3】DBJ08—59-97鈍削鋼纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程【S】．上海市建筑科學(xué)研究院，l997．

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)