[分享]防辐射混凝土简介——切尔诺贝利的防护罩

2019年5月，一部名为《切尔诺贝利》的美剧在HBO播出，该剧还原了1986年4月在乌克兰境内发生的史上最严重的核电事故。

由于此次核泄漏量之大，苏联政府在事件结束后不得不建一个巨型混凝土石棺加上对该区域的封锁才得以保障周围群众的生命安全。2008年，由于石棺遭受常年自然侵蚀，而辐射仍在泄露，乌克兰政府不得不集资建一个新的保护罩。新石棺由两个可以合在一起的半拱形建筑物通过一根铁滑轨拼接而成，最终形成一个长150米，宽250米，高108米的巨型“方舟”。2016年，新石棺建成，预计使用时间100年。

那么，作为平常结构设计中应用最广泛的材料——混凝土，又是如何防辐射的，性能又如何呢？

Omid Lotfi-Omran等人在2019年做了一组有关混凝土防辐射性能的实验。

实验使用了如图三所示的装置来检测不同厚度的混凝土对核辐射的吸收能力，并制作了7组不同水灰比的样本，样本的具体w/c比值与力学性能指标如下表所示：

实验研究的主要是随着配合比的增加，不同厚度的混凝土块对不同放射强度、不同类别的核辐射吸收程度的变化关系，吸收程度通过参数LAC(Linear attenuation coefficient)表示。

首先，实验通过不同厚度的混凝土与D0,D的值拟合出LAC的解析曲线，求得LAC（可以理解为混凝土吸收辐射的能力强弱，LAC值越大，混凝土对辐射吸收效果越好，反之亦然）。

接着，实验通过对比不同密度的混凝土（不同水灰比）在不同强度的放射源下吸收辐射的表现绘制下图：

图中E=1333 keV，E=1173代表Co60辐射源的两种不同辐射强度，E=662 keV代表Cs137f辐射源，黄柱代表不同密度的混凝土，Y轴的值代表吸收能力。

从图4可以看到，随着混凝土密度的减小，混凝土吸收核辐射的能力下降，其主要原因是密度下降导致的空隙增加。同一密度的混凝土，对高强度的辐射吸收能力较弱，对低强度的辐射的吸收能力较强。显而易见的是，厚度对混凝土吸收辐射有着正向作用。[1]

由于该“石棺”的混凝土量巨大，常规的施工方法无法满足需求。下面以无锡美中嘉禾肿瘤医院为例介绍施工大体量混凝土上遇到的技术难点。该项目需要为一个位于医院中的直线加速器机房进行结构设计，机房墙体厚度3000mm，底板至顶板7m，顶板厚度3000mm。此工程要求一次性施工来控制裂缝，顶板承重达7.5t/m2，为了达到需要的防辐射要求，混凝土配合比的优化显得至关重要，工程选取C35P6的抗渗混凝土，龄期60d，坍落度140mm±30mm。对原材料的质量要求为选用水化热低的通用硅酸盐水泥，3d水化热小于250kJ/kg，7d水化热小于280kJ/kg。

浇筑完成后，对大体积的混凝土的养护也很重要。对外墙来说，因冬季施工，应延长拆模时间，拆模后应立即覆盖一层薄膜和土织物确保温差。在室内，机房门口设置隔热卷帘，每个房间放置暖风机保持温度在20摄氏度以上，待混凝土强度达标后拆模。顶板初凝后进行第一层塑料膜覆盖工作，满铺起到保湿作用，完成后进行土织物覆盖，后进行5cm保温板覆盖，整个过程不小于14天。拆除时不能一次性拆除，防止降温速度过快，从而产生裂缝。[2]

[1]Lotfi-Omran O, et al., (2019). A comprehensive study> Construction and Building Material, 229, pp.116905.