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【摘 要】 本文主要介绍重晶石混凝土的施工性能和期在解决温度裂缝方面的一些实际应用方法和经验总结。
【关键词】 重晶石混凝土;施工性能;裂缝防治
1.施工项目简介
海南工程管廊工程管线较长，工期较紧，施工工艺水平要求较高，总长1353.941米，其施工进度对整个工程起着控制性的作用。管廊因使用要求的不同分为内、外两部分，内侧为综合管廊，外侧靠海侧为放废管廊。按设计分段长度不大于12米。
管廊侧壁和底板采用C35（P6）抗渗混凝土，顶板采用C35普通混凝土，其中长398.15米的一段放废管廊顶板为400mm的C35重混凝土（见断面图一），设计方量为398.15×0.4×2.2=350.37立方米。
重混凝土段管廊结构断面——图一（单位：mm）
2.重混凝土介绍
重混凝土又称防射线混凝土、屏蔽混凝土或防护混凝土。它能有效地屏蔽α、β、γ、X射线和中子的辐射，是原子能反应堆、粒子加速器及其他含放射性源装置常用的防护材料。关于重混凝土的独特性质有兴趣者可以阅读有关文献，这里主要针对笔者在实际工程应用中遇到的具体问题加以论述。
3.重晶石混凝土的施工性能和施工工艺
3.1重晶石及重晶石混凝土的设计要求与实测结果对比（见下表1）
表一 重晶石和重晶石混凝土设计要求与实测结果对比表
材料名称 项目 设计要求 实测值 备注
重晶石 BaSO4含量 90%-96% 90.12
SiO2含量 3%-5% 5.51 超限
表观密度 4.1t/m3 4.25、4.16 砂、碎石
重晶石砂
级配 筛孔尺寸（mm） 5.000 通过百分率（%） 90-97 96.4
3.150 72-90 79.3
2.000 55-80 58.6
1.250 40-65 47.0
0.800 30-46 39.0
0.500 20-35 23.6
0.315 12-26 13.7
0.200 8-16 9.6
0.125 0-8 6.2
0.080 0-2 1.6
重晶石碎石級配 筛孔尺寸（mm） 20.0 通过百分率（%） 95-100 96.0
16.0 80-93 82.1
12.5 35-70 42.9
10.0 8-30 33.6 超限
8.0 0-8 21.6 超限
6.0 0-2 15.6 超限
5.0 / 13.3
重晶石混凝土 强度等级 C35 50.3 初凝时间：6h40min
终凝时间：
7h55min
水泥掺量 300-375kg/m3 350
坍落度 6～8cm 3～4
密度 ≥3.50t/m3 3.54
初试密度 ≥3.55t/m3 3.56 试配密度
—2天龄期
附：重晶石混凝土配合比设计成果
材料名称 水泥 重晶石砂 重晶石碎石 水 高效泵送缓凝剂
规格 P.II52.5R（甲供材） 0～7mm 7～20mm 饮用水 SP-8CR
（甲供材）
配合比
（kg/m3） 350 1433 1682 135 8.75
注：重混凝土的试验方法遵照国家标准有关“混凝土”的要求，超限指标经设计确认，同意使用。
3.2实际应用中的施工性能：流动性（在自重下有轻微的流动性）、粘聚性良、保水性差（泌水较大，分析原因主要为重晶石材料亲水性差、自重大，混凝土各矿物颗粒的相对密度都远大于水，经过震动它们受自重下沉的情况远比普通混凝土大，从而将水挤出混凝土浮于表面，形成泌水层。其次水泥颗粒细度、减水剂减水率高也能导致泌水。）;施工坍落度3～4cm，入模振捣密实后马上可以上人行走且不下沉无印迹。
3.3施工工艺
3.3.1搅拌：搅拌设备同普通混凝土，搅拌机的装料率，考虑到混凝土的密度，搅拌机的装料率应为普通混凝土所规定的装料率的三分之二，搅拌（强制式）时间90s～120s左右（因重晶石性脆，搅拌时间过长，会破坏集料级配），加料顺序：重晶石碎石→重晶石砂→水泥和粉煤灰→水→外加剂;
3.3.2运输：为避免离析，在注入混凝土运输容器时必须非常小心，容器的运距必须减至最小，避免采用翻斗车;
3.3.3模板：因重砼密度大，振捣要求高，对模板必须加固，以考虑承受重混凝土的压力;
3.3.4浇筑和振捣：高频振捣，分层厚度不得超过30cm，捣棒移动距离不应超过0.1米，每一振点的振捣时间不小于2分钟，当混凝土表面出现翻浆时必须立即将振捣器搬走（减轻泌水）。浇筑应连续，间歇时间不宜超过60分钟。在浇筑工程中，如重砼的稠度和均匀性发生较大变化时应及时处理，并派专人检查支架及模板的变形情况，并随时做好各项应急准备;
3.3.5施工控制检验：a.在混凝土浇筑工程中必须校核密度，样品的振捣方法同结构混凝土，浇筑现场进行专门检查，以避免在浇筑混凝土时出现如下缺陷：气泡、离析、低比重;b.严格控制重晶石材料的计量偏差（企业可高于国家标准来控制允许负偏差），以保证混凝土密度;c.施工缝要求：为割断射线，每个施工缝必须做成一直角台阶，台阶的垂直边必须大于或等于3cm。
4.重晶石混凝土特性与裂缝控制 4.1重晶石混凝土的自身性质导致其结构内部水化热比普通混凝土更易积聚，更不易消散，导致内外部温差更大。见下表比较：
首次浇筑管廊重晶石混凝土顶板时便出现了裂缝（见右图），分布情况为：12米长重混凝土顶板，每间隔1.5米～2米产生一道沿板断面闭合的裂缝，共分布5条。
裂缝原因分析：1.重晶石混凝土的热膨胀和收缩值较大;2.水泥用量大，导致混凝土水化热较大，热量不易散发容易聚集产生温度裂缝。
表二 不同骨料混凝土的热物理性能
混凝土种类 骨料 热膨胀系数a（1/。C） 导热系数λ
（kcal/kg。C） 散热系数
K2（m2/h）
细 粗
重混
凝土 重晶石 重晶石 16.4 1.0～1.2 0.0021～0.0027
普通混凝土 河砂 石灰石 5.8～7.7 2.7～2.8 0.0048～0.0052
花岗岩 8.1～9.7 2.2 0.0040～0.0043
玄武岩 7.6～10.4 1.8 0.0031～0.0032
注：1、导热系数——表示混凝土传递热量的一种能力，导热系数λ值越小，混凝土绝热保温性能好，混凝土内部热量不易消散。2、热膨胀系数——混凝土的受热膨胀性，a越大，膨胀越大。
4.2控制裂缝采取措施
4.2.1措施1：a.水泥、粉煤灰及重晶石材料进行避光保存，专门搭建了遮阳棚;b.浇筑后作好混凝土保湿养护;c.2～3天拆模，充分发挥“应力松弛”效应;
4.2.2措施2：a.加筋，使顶板上、下层纵向筋间距减小一半（见图二）;b.降低混凝土水化热，加强测温，及时采取措施，将内外温差控制不超过20。C（因为重混凝土的热膨胀系数和散热系数分别是普通混凝土的1.6～2.8倍和约1.3～2.1倍，所以温差尽可能控制到小于20。C）;c.添加聚酯纤维增加混凝土抗拉强度;
根据措施2采取了下表所列4个具体方案进行试验段施工，进行分析判断：
表三 重混凝土试验方案结论对比分析表
序号 采取措施 浇筑方式 裂缝情况 分析
方案1 加筋、水泥减少15kg 跳格浇筑3个2m段 无 虽无裂缝产生，但此方案施工进度慢，工期不能保证。
方案2 加筋、水泥減少15kg 浇筑整段12m 每隔1.5m～2m左右有裂缝，整段约有5条裂缝 经测试，最大温差31.5。C，超过普通大体积混凝土最大控制温差25。C的限值，因重晶石混凝土的热膨胀系数和收缩值都比普通混凝土大的多，所以温差控制限制应比25。C更低（见图三）。对策：采用方案4试验。
方案3 加筋、水泥减少15kg、每方掺入聚酯纤维2.5kg 浇筑6m段 无 6m段无裂缝，但12m段未知。
方案4 加筋、水泥减少50kg、同时增加40kg粉煤灰 浇筑整段12m 无 经测试，最大温差17。C（见图四），试验成功。从方便施工和成本控制角度考虑，已不需再对12m段采用方案3进行试验。
图三
图四
4.2.3数据分析：根据图三可以看出，混凝土开裂不是出现在结构内外温差最大处，而是出现在温度下降阶段：重混凝土与相邻旧混凝土浇筑在一起，在温度变化时，膨胀部位受旧混凝土基底和侧向的限制，因而产生外部约束应力。在混凝土早期温度上升时，由于膨胀变形受约束而形成压应力（热胀），此时弹性模量小、徐变和应力松弛程度大，以及混凝土与旧混凝土连结不很牢固故此种应力小。反之，在混凝土温度下降时则产生较大的拉应力（冷缩），此拉应力若超过混凝土的抗拉强度则混凝土将出现垂直裂缝。图四分析：因此次测温管埋在侧模内，拆模后（混凝土浇筑完毕后11个小时）开始测温，所以图中缺少了混凝土内部温升阶段，测量到的最大内部温度为51。C。但从内、外部温差趋势线可看出重晶石混凝土最大温差出现在浇筑完毕后17个小时左右，所以此次观测缺少的温升阶段数据对分析判断和结果论证没有影响。
5.结束语
重混凝土是原子能反应堆、粒子加速器及其他含放射性源装置常用的防护材料。其混凝土组分中与普通混凝土相比，主要差别在于粗、细集料，除了本文讲到的重晶石集料外，还有褐铁矿、磁铁矿、赤铁矿、铁质集料等，在这些众多的集料品种中，又以重晶石作为集料的重混凝土性能与普通混凝土相差最大，最明显的表现就是其热膨胀系数为最大、收缩值大、导热和散热系数为最小。这就对重晶石混凝土施工质量控制提出更为严格甚至苛刻的要求。
通过这次实践，我总结出了以下几点供大家参考：首次接触重晶石混凝土时，首先要克服思想意识上的“轻敌”思想，能够给予足够认识;其次应选择合适的原材料;掺加缓凝剂使水化热释放缓慢、推迟放热峰的出现，有利于热量消散而降低混凝土块内外温差，避免产生温度裂缝等;再次可结合工程结构实际特点在混凝土中添加能够增大混凝土抗弯拉强度材料等措施来综合加强防治重晶石混凝土的易裂性。最后，重混凝土梁、板结构与普通混凝土接触浇筑，对重混凝土结构裂缝观察期经验证明至少要达到15天或更长时间，而且由于重混凝土与普通混凝土的热物理性能相差很大，要想从根本上避免产生裂缝，结构设计时在同一构件中不应将重混凝土与普通混凝土直接接触。
【关键词】 重晶石混凝土;施工性能;裂缝防治
1.施工项目简介
海南工程管廊工程管线较长，工期较紧，施工工艺水平要求较高，总长1353.941米，其施工进度对整个工程起着控制性的作用。管廊因使用要求的不同分为内、外两部分，内侧为综合管廊，外侧靠海侧为放废管廊。按设计分段长度不大于12米。
管廊侧壁和底板采用C35（P6）抗渗混凝土，顶板采用C35普通混凝土，其中长398.15米的一段放废管廊顶板为400mm的C35重混凝土（见断面图一），设计方量为398.15×0.4×2.2=350.37立方米。
重混凝土段管廊结构断面——图一（单位：mm）
2.重混凝土介绍
重混凝土又称防射线混凝土、屏蔽混凝土或防护混凝土。它能有效地屏蔽α、β、γ、X射线和中子的辐射，是原子能反应堆、粒子加速器及其他含放射性源装置常用的防护材料。关于重混凝土的独特性质有兴趣者可以阅读有关文献，这里主要针对笔者在实际工程应用中遇到的具体问题加以论述。
3.重晶石混凝土的施工性能和施工工艺
3.1重晶石及重晶石混凝土的设计要求与实测结果对比（见下表1）
表一 重晶石和重晶石混凝土设计要求与实测结果对比表
材料名称 项目 设计要求 实测值 备注
重晶石 BaSO4含量 90%-96% 90.12
SiO2含量 3%-5% 5.51 超限
表观密度 4.1t/m3 4.25、4.16 砂、碎石
重晶石砂
级配 筛孔尺寸（mm） 5.000 通过百分率（%） 90-97 96.4
3.150 72-90 79.3
2.000 55-80 58.6
1.250 40-65 47.0
0.800 30-46 39.0
0.500 20-35 23.6
0.315 12-26 13.7
0.200 8-16 9.6
0.125 0-8 6.2
0.080 0-2 1.6
重晶石碎石級配 筛孔尺寸（mm） 20.0 通过百分率（%） 95-100 96.0
16.0 80-93 82.1
12.5 35-70 42.9
10.0 8-30 33.6 超限
8.0 0-8 21.6 超限
6.0 0-2 15.6 超限
5.0 / 13.3
重晶石混凝土 强度等级 C35 50.3 初凝时间：6h40min
终凝时间：
7h55min
水泥掺量 300-375kg/m3 350
坍落度 6～8cm 3～4
密度 ≥3.50t/m3 3.54
初试密度 ≥3.55t/m3 3.56 试配密度
—2天龄期
附：重晶石混凝土配合比设计成果
材料名称 水泥 重晶石砂 重晶石碎石 水 高效泵送缓凝剂
规格 P.II52.5R（甲供材） 0～7mm 7～20mm 饮用水 SP-8CR
（甲供材）
配合比
（kg/m3） 350 1433 1682 135 8.75
注：重混凝土的试验方法遵照国家标准有关“混凝土”的要求，超限指标经设计确认，同意使用。
3.2实际应用中的施工性能：流动性（在自重下有轻微的流动性）、粘聚性良、保水性差（泌水较大，分析原因主要为重晶石材料亲水性差、自重大，混凝土各矿物颗粒的相对密度都远大于水，经过震动它们受自重下沉的情况远比普通混凝土大，从而将水挤出混凝土浮于表面，形成泌水层。其次水泥颗粒细度、减水剂减水率高也能导致泌水。）;施工坍落度3～4cm，入模振捣密实后马上可以上人行走且不下沉无印迹。
3.3施工工艺
3.3.1搅拌：搅拌设备同普通混凝土，搅拌机的装料率，考虑到混凝土的密度，搅拌机的装料率应为普通混凝土所规定的装料率的三分之二，搅拌（强制式）时间90s～120s左右（因重晶石性脆，搅拌时间过长，会破坏集料级配），加料顺序：重晶石碎石→重晶石砂→水泥和粉煤灰→水→外加剂;
3.3.2运输：为避免离析，在注入混凝土运输容器时必须非常小心，容器的运距必须减至最小，避免采用翻斗车;
3.3.3模板：因重砼密度大，振捣要求高，对模板必须加固，以考虑承受重混凝土的压力;
3.3.4浇筑和振捣：高频振捣，分层厚度不得超过30cm，捣棒移动距离不应超过0.1米，每一振点的振捣时间不小于2分钟，当混凝土表面出现翻浆时必须立即将振捣器搬走（减轻泌水）。浇筑应连续，间歇时间不宜超过60分钟。在浇筑工程中，如重砼的稠度和均匀性发生较大变化时应及时处理，并派专人检查支架及模板的变形情况，并随时做好各项应急准备;
3.3.5施工控制检验：a.在混凝土浇筑工程中必须校核密度，样品的振捣方法同结构混凝土，浇筑现场进行专门检查，以避免在浇筑混凝土时出现如下缺陷：气泡、离析、低比重;b.严格控制重晶石材料的计量偏差（企业可高于国家标准来控制允许负偏差），以保证混凝土密度;c.施工缝要求：为割断射线，每个施工缝必须做成一直角台阶，台阶的垂直边必须大于或等于3cm。
4.重晶石混凝土特性与裂缝控制 4.1重晶石混凝土的自身性质导致其结构内部水化热比普通混凝土更易积聚，更不易消散，导致内外部温差更大。见下表比较：
首次浇筑管廊重晶石混凝土顶板时便出现了裂缝（见右图），分布情况为：12米长重混凝土顶板，每间隔1.5米～2米产生一道沿板断面闭合的裂缝，共分布5条。
裂缝原因分析：1.重晶石混凝土的热膨胀和收缩值较大;2.水泥用量大，导致混凝土水化热较大，热量不易散发容易聚集产生温度裂缝。
表二 不同骨料混凝土的热物理性能
混凝土种类 骨料 热膨胀系数a（1/。C） 导热系数λ
（kcal/kg。C） 散热系数
K2（m2/h）
细 粗
重混
凝土 重晶石 重晶石 16.4 1.0～1.2 0.0021～0.0027
普通混凝土 河砂 石灰石 5.8～7.7 2.7～2.8 0.0048～0.0052
花岗岩 8.1～9.7 2.2 0.0040～0.0043
玄武岩 7.6～10.4 1.8 0.0031～0.0032
注：1、导热系数——表示混凝土传递热量的一种能力，导热系数λ值越小，混凝土绝热保温性能好，混凝土内部热量不易消散。2、热膨胀系数——混凝土的受热膨胀性，a越大，膨胀越大。
4.2控制裂缝采取措施
4.2.1措施1：a.水泥、粉煤灰及重晶石材料进行避光保存，专门搭建了遮阳棚;b.浇筑后作好混凝土保湿养护;c.2～3天拆模，充分发挥“应力松弛”效应;
4.2.2措施2：a.加筋，使顶板上、下层纵向筋间距减小一半（见图二）;b.降低混凝土水化热，加强测温，及时采取措施，将内外温差控制不超过20。C（因为重混凝土的热膨胀系数和散热系数分别是普通混凝土的1.6～2.8倍和约1.3～2.1倍，所以温差尽可能控制到小于20。C）;c.添加聚酯纤维增加混凝土抗拉强度;
根据措施2采取了下表所列4个具体方案进行试验段施工，进行分析判断：
表三 重混凝土试验方案结论对比分析表
序号 采取措施 浇筑方式 裂缝情况 分析
方案1 加筋、水泥减少15kg 跳格浇筑3个2m段 无 虽无裂缝产生，但此方案施工进度慢，工期不能保证。
方案2 加筋、水泥減少15kg 浇筑整段12m 每隔1.5m～2m左右有裂缝，整段约有5条裂缝 经测试，最大温差31.5。C，超过普通大体积混凝土最大控制温差25。C的限值，因重晶石混凝土的热膨胀系数和收缩值都比普通混凝土大的多，所以温差控制限制应比25。C更低（见图三）。对策：采用方案4试验。
方案3 加筋、水泥减少15kg、每方掺入聚酯纤维2.5kg 浇筑6m段 无 6m段无裂缝，但12m段未知。
方案4 加筋、水泥减少50kg、同时增加40kg粉煤灰 浇筑整段12m 无 经测试，最大温差17。C（见图四），试验成功。从方便施工和成本控制角度考虑，已不需再对12m段采用方案3进行试验。
图三
图四
4.2.3数据分析：根据图三可以看出，混凝土开裂不是出现在结构内外温差最大处，而是出现在温度下降阶段：重混凝土与相邻旧混凝土浇筑在一起，在温度变化时，膨胀部位受旧混凝土基底和侧向的限制，因而产生外部约束应力。在混凝土早期温度上升时，由于膨胀变形受约束而形成压应力（热胀），此时弹性模量小、徐变和应力松弛程度大，以及混凝土与旧混凝土连结不很牢固故此种应力小。反之，在混凝土温度下降时则产生较大的拉应力（冷缩），此拉应力若超过混凝土的抗拉强度则混凝土将出现垂直裂缝。图四分析：因此次测温管埋在侧模内，拆模后（混凝土浇筑完毕后11个小时）开始测温，所以图中缺少了混凝土内部温升阶段，测量到的最大内部温度为51。C。但从内、外部温差趋势线可看出重晶石混凝土最大温差出现在浇筑完毕后17个小时左右，所以此次观测缺少的温升阶段数据对分析判断和结果论证没有影响。
5.结束语
重混凝土是原子能反应堆、粒子加速器及其他含放射性源装置常用的防护材料。其混凝土组分中与普通混凝土相比，主要差别在于粗、细集料，除了本文讲到的重晶石集料外，还有褐铁矿、磁铁矿、赤铁矿、铁质集料等，在这些众多的集料品种中，又以重晶石作为集料的重混凝土性能与普通混凝土相差最大，最明显的表现就是其热膨胀系数为最大、收缩值大、导热和散热系数为最小。这就对重晶石混凝土施工质量控制提出更为严格甚至苛刻的要求。
通过这次实践，我总结出了以下几点供大家参考：首次接触重晶石混凝土时，首先要克服思想意识上的“轻敌”思想，能够给予足够认识;其次应选择合适的原材料;掺加缓凝剂使水化热释放缓慢、推迟放热峰的出现，有利于热量消散而降低混凝土块内外温差，避免产生温度裂缝等;再次可结合工程结构实际特点在混凝土中添加能够增大混凝土抗弯拉强度材料等措施来综合加强防治重晶石混凝土的易裂性。最后，重混凝土梁、板结构与普通混凝土接触浇筑，对重混凝土结构裂缝观察期经验证明至少要达到15天或更长时间，而且由于重混凝土与普通混凝土的热物理性能相差很大，要想从根本上避免产生裂缝，结构设计时在同一构件中不应将重混凝土与普通混凝土直接接触。