防輻射混凝土----切爾諾貝利事件的防護罩
2019年5月，一部名為《切爾諾貝利》的美劇在HBO播出，該劇還原了1986年4月在烏克蘭境內發生的史上最嚴重的核電事故。
圖1 《切爾諾貝利》劇照
由於此次核洩漏量之大，蘇聯政府在事件結束後，不得不建一個巨型混凝土石棺加上對該區域的封鎖才得以保障周圍群眾的生命安全。2008年，由於石棺遭受常年自然侵蝕，而輻射仍在洩露，烏克蘭政府不得不集資建一個新的保護罩。新石棺由兩個可以合在一起的半拱形建築物通過一根鐵滑軌拼接而成，最終形成一個長150米，寬250米，高108米的巨型“方舟”。2016年，新石棺建成，預計使用時間100年。
圖2 新“方舟”混凝土石棺
那麼，作為平常結構設計中應用最廣泛的材料——混凝土，又是如何防輻射的，性能又如何呢？
防輻射能力檢測
Omid Lotfi-Omran等人在2019年做了一組有關混凝土防輻射性能的實驗。
圖3 (a) 實驗過程 (b) 測量不同厚度混凝土吸收輻射程度的示意圖
實驗使用瞭如圖三所示的裝置來檢測不同厚度的混凝土對核輻射的吸收能力，並製作了7組不同水灰比的樣本，樣本的具體w/c比值與力學性能指標如下表所示：
其中：
w/c=水灰比
fc=抗壓強度
ft=抗拉強度
E=彈性模量
實驗研究的主要是隨著配合比的增加，不同厚度的混凝土塊對不同放射強度、不同類別的核輻射吸收程度的變化關係，吸收程度通過參數LAC(Linear attenuation coefficient)表示。
首先，實驗通過不同厚度的混凝土與D0,D的值擬合出LAC的解析曲線，求得LAC（可以理解為混凝土吸收輻射的能力強弱，LAC值越大，混凝土對輻射吸收效果越好，反之亦然）。
其中：
D0=兩者之間無吸收輻射材料時探測器中的計數值
D=兩者之間有吸收輻射材料時探測器中的計數值
t=混凝土厚度
接著，實驗通過對比不同密度的混凝土（不同水灰比）在不同強度的放射源下吸收輻射的表現繪製下圖：
圖4 不同水灰比的混凝土在不同的輻射強度下的LAC值
圖中E=1333 keV，E=1173代表Co60輻射源的兩種不同輻射強度，E=662 keV代表Cs137f輻射源，黃柱代表不同密度的混凝土，Y軸的值代表吸收能力。
從圖4可以看到，隨著混凝土密度的減小，混凝土吸收核輻射的能力下降，其主要原因是密度下降導致的空隙增加。同一密度的混凝土，對高強度的輻射吸收能力較弱，對低強度的輻射的吸收能力較強。顯而易見的是，厚度對混凝土吸收輻射有著正向作用。[1]
大規模混凝土施工技術
由於該“石棺”的混凝土量巨大，常規的施工方法無法滿足需求。
下面以無錫美中嘉禾腫瘤醫院為例介紹施工大體量混凝土上遇到的技術難點。
該項目需要為一個位於醫院中的直線加速器機房進行結構設計，機房牆體厚度3000mm，底板至頂板7m，頂板厚度3000mm。此工程要求一次性施工來控制裂縫，頂板承重達7.5t/m2，為了達到需要的防輻射要求，混凝土配合比的優化顯得至關重要，工程選取C35P6的抗滲混凝土，齡期60d，坍落度140mm±30mm。對原材料的質量要求為選用水化熱低的通用硅酸鹽水泥，3d水化熱小於250kJ/kg，7d水化熱小於280kJ/kg。
圖5 施工現場
澆築完成後，對大體積的混凝土的養護也很重要。對外牆來說，因冬季施工，應延長拆模時間，拆模後應立即覆蓋一層薄膜和土織物確保溫差。在室內，機房門口設置隔熱捲簾，每個房間放置暖風機保持溫度在20攝氏度以上，待混凝土強度達標後拆模。頂板初凝後進行第一層塑料膜覆蓋工作，滿鋪起到保溼作用，完成後進行土織物覆蓋，後進行5cm保溫板覆蓋，整個過程不小於14天。拆除時不能一次性拆除，防止降溫速度過快，從而產生裂縫。[2]
圖6 頂板保溫養護
結語：
1. 混凝土的防輻射性能與混凝土厚度有關。厚度越厚，防輻射性能越好。
2. 混凝土的防輻射性能與混凝土的密度有關。密度越大，防輻射性能越好。
3. 對於同樣厚度同樣密度的混凝土塊，其吸收輻射的能力與輻射強度有關。輻射值越大，吸收效果越弱。
4. 大體積混凝土施工充滿挑戰。拆模時應注意溫差，防止產生裂縫，進而降低混凝土吸收輻射能力。
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