国家核与辐射安全监管技术研发基地建设项目是集核与辐射安全审评认证、监督、监制、应急、教育于一体的群体性建筑。其中, 2号楼地下室配置低本底铅室、低本底铁室。地下3层低本底铅室 (室内面积83.62m²) 、迷路 (18.50m²) 通过后浇带与四周结构分隔成独立单元体, 后浇带内基础、墙柱、顶板全部采用低本底特种混凝土。基础厚1 200mm, 东西向墙厚800mm, 南北向墙厚1 000mm, 顶板厚800mm, 结构层高5.4m。

地下2层低本底实验室铁室 (98.64m²) 通过施工缝与周边结构分开成独立单元体, 施工缝内地下2层楼面板、墙体、顶板全部采用低本底特种混凝土。楼面板及顶板厚800mm, 墙厚800, 900mm, 结构层高5.4m。实验室地下铅室、铁室结构如图1所示。

建筑物内的外辐射来源于宇宙射线、室外γ辐射、室内空气中氡气子体的γ辐射及建材中天然放射性核素的γ辐射。全国天然γ辐射的空气吸收剂量率约110nGy/h, 北京地区宇宙射线造成的室外空气吸收剂量率约为31nGy/h、地球天然γ辐射造成的空气吸收剂量率约90nGy/h, 普通混凝土建筑室内空气吸收剂量率达到190nGy/h。全国在建与投入使用的2个低本底实验室的空气吸收剂量率控制在60nGy/h。本工程实例低本底实验室设计要求将本底值控制到30nGy/h。

经设计对辐射源项分析和屏蔽计算, 在现有工程条件下, 影响低本底实验室内空气吸收剂量率的因素主要是建筑材料放射性核素本底水平、屏蔽体材料及其厚度。

目前实验室屏蔽效果最好的铅屏蔽厚度通常需要30～50mm, 造价成本高、施工难度大, 故通过增加低本底实验室埋深、加大结构构件截面尺寸、选用低本底值的结构施工材料和确保混凝土结构施工质量是最有效的解决途径。

受建筑整体设计时地下室深度与构件截面尺寸有限且增加到一定程度后屏蔽效果不明显的限制, 通过选用本底值尽可能低的结构施工材料和提高混凝土结构密实性成为降低工程造价、实现低本底值控制的核心因素。

按照前期低本底屏蔽设计计算, 砂石和水泥低本底值不得高于表1规定限值。

经过30多次选材取样和放射性检测, 最终比选出放射性低于设计计算限值的粗细骨料和水泥, 相关性能参数如表2所示。

经过20多次试配, 不断调整水泥含量、骨料粒径和级配、砂率、外加剂类型及掺量, 最终配制出强度满足设计要求、可泵送、保水性好、流动性好的低本底特种混凝土。

按照混凝土试配确定的最大骨料粒径和级配, 委托专业厂家采用选定的石英矿石生产加工石英石和石英砂, 并经放射性检测合格后方可出厂并运送到商品混凝土供应站。

混凝土拌制用原材料专供专用, 独立堆放、存储, 防止风雪侵蚀。每次混凝土浇筑前3d, 提前通知搅拌站, 搅拌站提前准备1条独立生产线, 浇筑时配置6台罐车专线运输。

混凝土拌制时必须严格按照试配最优配合比配置, 严禁施工过程随意改变, 混凝土原材料计量要准确, 因工程施工时在冬季, 按照冬期施工混凝土搅拌要求严格控制。

按照工艺设计要求尽可能少留或不留施工缝。为减少墙体竖向施工缝, 内、外墙同时浇筑且浇筑时统一采用抗渗混凝土;为避免墙体与顶板分开浇筑产生水平施工缝, 经专家论证同意, 加强顶板支撑体系, 墙体与顶板混凝土同时浇筑。

1) 第1次浇筑基础筏板、内外墙高出基础浇筑导墙, 留1道水平施工缝。

2) 第2次浇筑浇筑墙体、梁板, 铅室外墙高出顶板面浇筑500mm高导墙。

浇筑高度如图2所示。

要求所有埋件须一次全部埋设且埋设位置准确, 严禁后凿。

1) 埋件主要为后期屏蔽系统埋件, 包括顶板和墙面预埋钢板, 埋件外露表面需与混凝土墙面平齐, 埋板平整度偏差≤2mm, 上、下埋板偏差≤10mm。

2) 墙面埋件在墙体钢筋绑扎完成并验收合格后安装。在墙体钢筋上准确测量放线, 标出埋件位置, 在埋件钢板上、下面用通长水平附加钢筋支撑将1排埋件拉结并与墙体竖向筋电焊形成整体, 埋件对角2根预埋钢筋长度加长 (长度=墙厚-2倍保护层厚度-埋件钢板厚度) 作为埋件在墙体横断面的定位筋以确保埋件外露表面与墙面平齐 (见图3) 。

3) 顶板埋件在顶板模板安装完成、下层钢筋绑扎之前预埋安装。在顶板模板上准确测量放线、标出埋件位置, 每个埋件四边各用2个钉子卡钉在模板上固定。

设计要求混凝土结构不得留对拉螺栓套管孔洞。

1) 模板选型墙、顶板模板均选用市政工程广泛使用的17mm厚高强覆膜多层板, 模板尺寸915mm×1 830mm, 全部配置新模板, 模板强度及表面覆膜达到使用要求。

2) 墙面板加固剪力墙模板次龙骨选用□50×50×3, 间距150mm, 竖向放置;主龙骨选用48.3×3.6双钢管, 水平放置, 最底下1道距地面200mm, 往上间距450mm;对拉螺杆选用M20止水螺杆, 水平间距300mm, 竖向间距同主龙骨。模板定位组合采用墙体定位筋和双F卡钢筋顶模棍。

3) 顶板支撑体系低本底实验室结构顶板较厚, 属于危险性较大的分部分项工程, 扣件式钢管支撑架较为传统, 参考数据较多且安拆灵活、可调节灵敏度高, 选用扣件式钢管支撑架, 纵、横间距均为600mm、步距900mm (顶层步距600mm) , 顶板次龙骨选用100mm×100mm木方, 间距150mm, 主龙骨选用□50×50×3双方管, 间距600mm。

4) 模板加工制作实验室结构表面平整度工艺允许偏差±2mm, 观感要求较为严格, 而成品新模板边角顺直偏差较大, 将新进模板侧面及切割的边角刨光使模板边角顺直, 并在刨光侧面涂刷模板封边漆;加工过程防止模板边出现锯齿、毛刺, 如果出现破损, 必须要切除破损部位, 刷好封边漆后再使用。

为确认混凝土泵送性能、更好地掌握混凝土浇筑时的相关技术要求, 先在施工现场质量样板区浇筑1段试验段, 试验段浇筑效果满足要求后方可进行结构实体混凝土浇筑。

试验段墙体配筋以地下3层低本底铅室墙体为例, 浇筑结构呈L形, 墙厚1m、高1m、总长6m (见图4) , 采用泵送、分层浇筑方式, 分2次浇筑完成。

试验段浇筑时, 由于第1车混凝土坍落度约210mm, 混凝土表面出现15～20mm厚浮浆, 重新调整坍落度至约190mm后混凝土表面无明显浮浆。

混凝土试验段浇筑时, 采用400, 500mm 2种厚度分层浇筑, 二次振捣、二次收面, 采用覆盖塑料薄膜、加盖2层阻燃棉毡、1层塑料布综合蓄热养护, 3h后混凝土开始初凝、3d后拆模, 由于前、后2次浇筑混凝土坍落度相差较大、接茬部位混凝土色差明显, 混凝土表面密实、无裂缝, 但400mm分层厚度混凝土观感更为优良。

混凝土坍落度控制在 (180±20) mm, 采用泵送浇筑。基础底板厚、浇筑体量大, 为保证混凝土振捣密实、延长混凝土浇筑时间、降低混凝土收缩开裂概率, 基础混凝土分2层浇筑, 每层采用整体推移式浇筑方法, 从一个角向斜对角整体推进。

墙柱混凝土分层浇筑, 每层浇筑高度≤400mm, 内外墙同时连续浇筑。顶板混凝土分层、对称浇筑, 每层厚度≤400mm, 从两端向中间浇筑。上层混凝土必须在下层混凝土初凝前浇筑。

楼板混凝土浇筑时混凝土虚铺度应略大于板厚, 用平板振捣器垂直浇筑方向来回拖动振捣, 并用铁插尺检查混凝土厚度, 振捣完毕后用刮杠刮平。

混凝土采用插入式振捣棒与平板振捣器配合振捣, 振捣棒插点呈梅花形均匀排列, 50, 30振捣棒振点间距分别小于500, 300mm。

混凝土振捣时做到快插慢拔、上下振捣均匀, 上层混凝土振捣时应插入下层混凝土50～100mm, 以消除层间接缝。

每个振捣点处须振捣至混凝土表面不再显著下沉、不再冒出气泡、表面泛出浮浆为止。

基础、楼板混凝土浇筑时边浇筑边用抹子抹压收面、随抹随盖塑料布;墙体顶部泌水浮浆及时刮除后用抹子抹压收面;在楼板混凝土快初凝时, 揭开塑料布, 用收面机二次收面, 再覆盖塑料薄膜、阻燃棉毡、塑料布进行保温养护。

1) 铅室后浇带内侧、铁室施工缝外侧分别用彩条布包裹形成暖棚, 每次混凝土浇筑前1d在暖棚内布置1台30kW热风机加热升温, 整个浇筑过程及浇筑后3d内持续加热, 以保证混凝土浇筑时暖棚内温度≥10℃, 使浇筑后达到临界抗冻强度前混凝土始终正温养护而不受冻。为保证混凝土养护湿度, 在低本底实验室暖棚内热风机吹风口高度放置1盆水, 以增加混凝土养护空间湿度。

2) 基础、楼面混凝土覆盖1层塑料薄膜后加盖2层阻燃棉毡, 边、角部位加2层阻燃棉毡, 棉毡上再覆盖防雨布防风。为减少热量传导损失, 保温覆盖需向相邻的已硬化混凝土延伸1m。墙柱混凝土带模养护≥7d, 模板外侧不再采取其他保温措施。

1) 混凝土测温选用温度计和电子测温仪结合使用的方法。混凝土出罐温度、入模温度、楼层暖棚加热温度用温度计测温, 混凝土浇筑后结构构件温度用电子测温仪测温。

2) 楼层空间暖棚内加热且墙柱带模养护, 故墙柱最薄弱位置为墙柱顶面接茬部位, 墙柱测温线设置于墙柱顶面20mm处;板的薄弱位置为板边、最薄板、空洞部位, 板的测温线埋入楼板上表面20mm处, 每次混凝土浇筑布置4个点。

3) 铁室筏板基础及地梁为大体积混凝土, 需在筏板基础内、基础梁和柱节点处、筏板高低跨斜坡位置埋设大体积混凝土测温点, 每处测温点埋设3根测温线, 最下部测温线位于结构底面往上50mm处、中间测温点埋设在构件高度中间位置, 最上部测温线位于构件顶面往下50mm处。

4) 混凝土浇筑前应埋好测温线, 埋设于混凝土中的测温线均需编号, 测温线成品和测温仪配合使用, 预埋测温线时要有专人看管, 以防施工过程中破坏测温线。测温线布置如图5所示。

经第三方专业检测单位现场检测, 低本底实验室特种混凝土结构体内空气吸收剂量率即本底值在30nGy/h以内, 达到原设计结构内部安装铅板、铁板屏蔽系统后的好效果。