田灣核電站水泥基灌漿料試驗與應(yīng)用

錢伏華，王開華，方輝煌，朱國棟

（1.中國核工業(yè)華興建設(shè)有限公司，江蘇　儀征　211900；2.中國核工業(yè)建設(shè)集團公司，北京　100037）

田灣核電站水泥基灌漿料試驗與應(yīng)用

錢伏華1，王開華2，方輝煌1，朱國棟2

（1.中國核工業(yè)華興建設(shè)有限公司，江蘇儀征211900；2.中國核工業(yè)建設(shè)集團公司，北京100037）

摘要：對灌漿料的成分、試驗方法及施工養(yǎng)護工藝等方面的試驗結(jié)果進行深入分析研究，并結(jié)合田灣核電站的設(shè)備基礎(chǔ)灌漿的應(yīng)用情況，對核電現(xiàn)場的幾種灌漿料產(chǎn)生質(zhì)量缺陷的原因進行分析，以選擇適合于核電工程需要的高質(zhì)量灌漿料以及適應(yīng)施工條件的施工養(yǎng)護工藝。

關(guān)鍵詞：核電站；設(shè)備基礎(chǔ)；灌漿；模擬實驗

1　工程概況

田灣核電站是我國目前裝機容量最大的核電站，由兩座核反應(yīng)堆提供蒸汽動力給常規(guī)島兩臺100萬kW的發(fā)電機發(fā)電。在常規(guī)島里配置了4臺發(fā)電機組（兩臺工作，另兩臺備用)。這4臺機組是安裝在下裝彈簧（長×寬×高＝12 m×5 m×3 m）的柔性混凝土機座上，在機座混凝土上埋螺栓。發(fā)電設(shè)備安裝后，需要用無收縮灌漿料把螺栓與設(shè)備基礎(chǔ)固定處填充密實后，用灌漿料將設(shè)備基礎(chǔ)和柔性機座連在一塊，形成一個整體機座。安裝后的設(shè)備基礎(chǔ)，應(yīng)能抵擋住發(fā)電機工作時產(chǎn)生的動荷載，不產(chǎn)生開裂。

在該基礎(chǔ)施工中，灌漿料的產(chǎn)品質(zhì)量、灌漿料的施工工藝和養(yǎng)護方法是影響設(shè)備基礎(chǔ)的關(guān)鍵因素。在田灣核電站工程施工中，大中型設(shè)備和小型預(yù)埋件很多，很多設(shè)備在工作時，都會產(chǎn)生動荷載，故對設(shè)備基礎(chǔ)的安裝要求很高，要求使用無收縮灌漿料對基礎(chǔ)進行灌注。其中設(shè)備基礎(chǔ)、地腳螺栓孔、鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)以及預(yù)埋件下孔洞縫隙等處都需采用水泥基補償收縮灌漿料進行灌漿。灌筑后的漿體需完全填充孔洞或縫隙，硬化后的漿體不允許有空洞、大氣孔及裂縫等缺陷。因此，灌漿料的質(zhì)量和灌注、養(yǎng)護方法直接影響設(shè)備基礎(chǔ)的質(zhì)量。

2　工程中遇到的質(zhì)量問題

田灣核電站施工單位很多，負責(zé)核島、常規(guī)島的單位就有四家，在常規(guī)島發(fā)電機的安裝中，第一臺發(fā)電機基礎(chǔ)安裝后，發(fā)現(xiàn)了如下質(zhì)量缺陷：灌漿料硬化后表面有很多不同方向的裂紋，最長達1 m，寬0.5 mm，深1 cm。經(jīng)專家論證，不修復(fù)會產(chǎn)生顛覆性危害。預(yù)埋件與設(shè)備基礎(chǔ)之間，填充不夠密實，有0.5 cm高度的縫隙沒有填實，這在設(shè)備基礎(chǔ)安裝中是不允許的，被定義為質(zhì)量事故必須補灌密實。業(yè)主和監(jiān)理方將這一事故上報給國家核安全局，由其組織專家組進行論證，得出的結(jié)論是部分區(qū)域必須推倒重來，這就給業(yè)主和施工單位造成很大的經(jīng)濟損失，既耽誤了工期，又影響了企業(yè)形象，施工單位在整個施工現(xiàn)場被通報批評。常規(guī)島汽輪發(fā)電機安裝出現(xiàn)質(zhì)量問題后，受業(yè)主委托，對用于核電現(xiàn)場的灌漿料產(chǎn)生質(zhì)量缺陷的原因進行分析，并選擇適合核電工程需要的高質(zhì)量灌漿料以及適應(yīng)施工條件的施工養(yǎng)護工藝。

3　現(xiàn)場使用的幾種灌漿料的膨脹機理和性能試驗

3.1灌漿料的膨脹機理

田灣核電站主要使用了甲、乙、丙三種灌漿料，是三個廠家生產(chǎn)的不同產(chǎn)品，分別被三家施工單位應(yīng)用于核島和常規(guī)島。常規(guī)島第一臺汽輪機基礎(chǔ)灌漿出現(xiàn)問題后，施工單位通過查找有關(guān)資料并與生產(chǎn)廠家交流，弄清了這三種灌漿料的反應(yīng)和膨脹機理。目前市場上灌漿料的膨脹機理有三種情況：第一種是摻某些金屬，如金屬鋁，利用活性金屬與水發(fā)生反應(yīng)時產(chǎn)生氣體，達到前期膨脹的目的。這種灌漿料的膨脹，主要發(fā)生在漿體的塑化階段，前期膨脹較快，但會使灌漿料的早期強度降低，田灣核電站使用的乙料和丙料就屬于此類。第二種是摻入一定的鈣鹽，與水泥和水反應(yīng)后，產(chǎn)生鈣礬石達到膨脹的目的，這種灌漿料的膨脹主要發(fā)生在漿體硬化階段，在后期產(chǎn)生膨脹，此類灌漿料一般強度較高，容易產(chǎn)生裂紋，施工時對養(yǎng)護條件要求嚴格，田灣核電站使用的甲類灌漿料就是此類。第三種是前兩種的復(fù)合型，但膨脹尺度不好把握，市場上基本不使用此類型。

3.2灌漿料的性能試驗

3.2.1按國標GBJ 50119對甲、乙、丙三種灌漿料的試驗和分析

目前建材行業(yè)，水泥基補償收縮灌漿料品種多、質(zhì)量差異大，選擇滿足工程要求的灌漿料是保證工程質(zhì)量的前提。田灣核電站使用的三種灌漿料性能比較如表1所示。

從試驗結(jié)果來看，幾種灌漿料的流動性、3 d抗壓強度、28 d抗壓強度均滿足要求，但乙、丙料1 d抗壓強度偏低，從后期強度來看，甲料后期強度比乙料和丙料后期強度要高出很多，這與灌漿料的各組分比例和用水量有關(guān)，下面要進一步進行論證。后期強度太高對設(shè)備基礎(chǔ)來說，并不是一件好事，強度越高，脆性越大，越容易產(chǎn)生開裂。1 d的膨脹率甲料比乙料和丙料都小，這是由其反應(yīng)機理決定的，上面已經(jīng)進行了闡述，從流動度試驗來看，甲料流動度雖然較大，但發(fā)現(xiàn)有板結(jié)現(xiàn)象，這主要是由于灌漿料中的保塌組分摻得過多所致，同時與用水量較少有關(guān)，給現(xiàn)場施工帶來不便，不易攪拌均勻，并且容易產(chǎn)生裂紋。

在工程應(yīng)用中，某單位使用的甲料在灌漿的早期，上表面即出現(xiàn)了貫通性裂紋，在受到劇烈振動或撞擊表面時，硬化后的漿體還呈現(xiàn)片狀剝離破壞。由于這些問題的出現(xiàn)，對已經(jīng)灌制好的漿體不得不進行鑿除或修補，這給工程帶來了很大的損失。

基于此，本文對灌漿料的成分、試驗方法及施工工藝等方面的試驗結(jié)果進行深入分析，研究產(chǎn)生上述情況的原因并采取行之有效的方法，以避免此類質(zhì)量事故的發(fā)生。

3.2.2灌漿料組分分析

試驗分析，甲料中骨料含量為42%，該骨料主要為破碎花崗巖單粒級砂，細度模數(shù)為4.4；乙料中骨料含量為55%，該骨料主要為級配石英砂，細度模數(shù)為2.4；丙料中骨料含量為54%，該骨料主要為級配石英砂，細度模數(shù)為2.6。骨料篩分試驗結(jié)果見表2。

表1　灌漿料性能比較表Table 1　Comparison of the performance of grouting materials

表2　灌漿料骨料篩分試驗結(jié)果Table 2　Test results of sizing aggregate of grouting materials

從試驗結(jié)果看出：甲料所含骨料主要為0.63 mm以上顆粒，顆粒級配差，孔隙率大，填充孔隙所需漿量多，其凝固硬化后收縮大，其骨料含量為42%，與乙、丙料相比相差10%，而且其水泥用量高、用水量還小，這也是其產(chǎn)生裂縫的原因之一；乙、丙料膠凝材料含量適中，骨料級配良好，這樣的骨料級配，可以少用為使灌漿料加水攪拌后質(zhì)量均勻而應(yīng)加入的保塌組分，漿體不會板結(jié)，便于施工，并且這樣的組分比例能有效地減小其后期的自身收縮，有利于設(shè)備基礎(chǔ)的填充密實。

3.2.3灌漿料需水量

由表1知，三種材料在使用中，滿足相同的流動度時，其需水量相差較大，這主要與其組分有關(guān)。從篩分試驗可以看出，甲料中骨料少，膠凝材料多，但其用水量反而還小，為達到要求的流動度，就必須加入多的減水劑和保塌組分，這對灌漿料的質(zhì)量是不利的，甲料由于其水灰比小，拌制漿體時需延長攪拌時間，且漿體黏性大，容易出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象，不利于施工。乙料和丙料骨料和膠凝材料比例適中，用水量也比較適中，雖然強度不及甲料，但其他性能均優(yōu)于甲料。

另外對1 d強度也不必有過高要求，如強度過高，廠家為了保證強度可能導(dǎo)致漿料中減水劑摻量過高或水泥用量過大，嚴重影響漿體拌合物性能或漿體耐久性能。核電工程對漿體強度無特殊要求，最終經(jīng)綜合考慮，1 d強度以不低于25MPa為宜。

3.2.4灌漿料膨脹性能的檢驗

由于各種灌漿料成分的不同，漿體的膨脹高峰時間與延續(xù)時間、膨脹率等有很大差異。因此各企業(yè)標準中對豎向膨脹率測定方法也不相同。目前豎向膨脹率的測定方法主要有以下三種：（1）國標GBJ 50119法；（2）國標GBJ 50119改進法；（3）試管法。國標GBJ 50119法統(tǒng)一了水泥漿體的試驗方法，該法可測定漿體從塑性階段至硬化后（保濕養(yǎng)護）的豎向膨脹變形。GBJ 50119改進法適用于漿體初凝后蓄水養(yǎng)護的漿體的膨脹值的測定。試管法測定了漿體與外界環(huán)境隔絕后的豎向體積變化。

對灌漿料分別按照三種試驗方法進行1 d豎向膨脹試驗，以對比各種材料在不同試驗方法下的膨脹收縮情況，試驗結(jié)果見表3。

從國標法測定結(jié)果來看，甲料在塑性階段幾乎不發(fā)生膨脹，在漿料初凝后膨脹開始增長，后期膨脹較大，持續(xù)時間長；乙、丙料的膨脹主要發(fā)生在塑性階段，但乙料硬化后繼續(xù)膨脹，丙料在后期膨脹較小。用國標改進法檢測，由于漿料膨脹主要發(fā)生在前3 h，初凝后再測試膨脹，測得的膨脹率明顯偏低，該法能客觀地表明漿料在硬化后的膨脹收縮情況。用試管法測試時，由于試管口用油封閉，漿料泌出的水分只能被基料吸收，漿料后期呈現(xiàn)收縮。

表3　材料膨脹收縮情況表Table 3　Material swelling and shrinkage conditions

從膨脹開始時間和膨脹高峰值來看：甲料在塑性階段的膨脹小，硬化后膨脹較大、膨脹持續(xù)時間長；乙料在塑性階段膨脹較大，在硬化后膨脹持續(xù)增長；丙料在塑性階段膨脹較大，3～5h膨脹達到高峰，之后慢慢趨于穩(wěn)定。

表4　比長儀測定漿體自由膨脹結(jié)果Table 4　Measurement of grout free expansion with comparator

4　灌漿料現(xiàn)場施工工藝的論證

用比長儀測漿體在硬化后期不同養(yǎng)護條件下的自由膨脹，以選擇適合工程要求的養(yǎng)護方法。

試驗結(jié)果表明（見表4），甲料在塑性階段膨脹很小，但在后期的濕養(yǎng)護或蓄水養(yǎng)護的條件下，卻產(chǎn)生較大的膨脹且膨脹時間延續(xù)至28 d才趨于穩(wěn)定，甲料配制的漿體必須保濕（或蓄水養(yǎng)護）不少于14 d。乙料由于膨脹時間過早，使用時攪拌量不宜過多，一般應(yīng)在攪拌后30 min內(nèi)澆灌完畢，在漿體初凝后應(yīng)立即保濕養(yǎng)護。

一定時間內(nèi)，在保濕或蓄水養(yǎng)護時，漿體持續(xù)膨脹，一旦停止養(yǎng)護則顯著收縮。漿料宜采取蓄水養(yǎng)護（不少于7 d）或不少于14 d的濕養(yǎng)護。尤其甲料如不加強后期養(yǎng)護，其收縮更大。另外可能由于漿料組分的不同，其豎向膨脹高峰出現(xiàn)時間與穩(wěn)定時間也有很大差異，這一點也必須引起重視。研究表明，水養(yǎng)7 d膨脹率接近最大膨脹值，28 d后基本不再膨脹；保濕養(yǎng)護時膨脹持續(xù)時間要長些，見圖1和圖2。自由膨脹率對限制膨脹率有一定影響，為了保證補償收縮漿料的性能，自由膨脹率不能過大。圖1為養(yǎng)護條件對限制膨脹率的影響（圖中系列1為試件用塑料薄膜包裹；系列2為試件濕養(yǎng)護；系列3為試件水中養(yǎng)護）；圖2為保濕養(yǎng)護7 d置于空氣中的自由膨脹率情況。

圖1　養(yǎng)護條件對限制膨脹率的影響Fig.1　Impact of curing condition on confined expansion ratio

圖2　養(yǎng)護條件對自由膨脹率的影響Fig.2　Impact of curing conditions on free swell

5　模擬試驗

為了更進一步了解漿體的實際流動性、硬化后氣孔狀態(tài)以及填充密實情況，按照現(xiàn)場的典型施工條件對三種漿料進行模擬試驗。模擬試驗采用現(xiàn)場模板拼裝的試驗?zāi)＃０彘g縫隙用黃油粉煤灰膠泥密封以防漏漿，上表面用玻璃做上模，便于觀察漿體情況，見圖3。

圖3　模擬試驗?zāi)０迤囱b模型圖Fig. 3　Illustration of template model for simulation test

試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在流動度相同時，三種漿體都能很好地填充密實試模空腔。漿體底面平滑光潔、棱角完整，但甲料表面氣泡較多，最大氣泡直徑達30 mm，丙料表面也有較多小于5 mm氣泡，乙料表面最好。在28 d對試驗塊件進行鉆孔試驗發(fā)現(xiàn)，甲料內(nèi)部空隙率較高，其他兩種漿體內(nèi)部密實、空隙率小。另外甲料脆性大，在受到碰撞易破壞。這與現(xiàn)場出現(xiàn)的情況相一致。

從模擬試驗可以看出，三種灌漿料的表面都有不同程度的氣泡，為了解決該問題，可以在灌漿料填充部位，放置柔性拉條，如布條、包裝帶等。漿體灌注完成后，立即順著一個方向來回拉動，以趕勻漿體，可使表面氣泡減少。如果設(shè)備基礎(chǔ)需要灌漿的體積較大，可以在灌漿料灌注過程中，加入一定的豆石或蛭石，但最大加入量不得超過灌漿料的10%，來填充一定的空隙，這樣可以減少灌漿料的用量，減少因灌漿料收縮或膨脹而引起的裂縫。通過模擬試驗，證明這兩種方法是避免出現(xiàn)氣泡和裂縫的有效方法。

另外，在不同的養(yǎng)護條件下，用保濕或蓄水養(yǎng)護7 d以上漿體表面無裂紋，但不養(yǎng)護時，甲料在24 h后表面即出現(xiàn)干縮裂紋，之后裂紋有擴展之勢。一般來說，對前期出現(xiàn)微裂紋的砌體如及時濕養(yǎng)護或蓄水養(yǎng)護，由于膨脹效果一些裂紋會自愈。

以上試驗研究分析，甲料中膠凝材料含量偏高，骨料級配差，早期強度過高，另外其養(yǎng)護要求高，漿體在后期失水極易出現(xiàn)收縮。這些問題是導(dǎo)致施工后因碰撞易發(fā)生脆性破壞而產(chǎn)生嚴重收縮裂縫的原因。經(jīng)過最后選擇，因乙料優(yōu)于其他兩種而被用于核電工程。工程實踐證明，用乙料灌筑的基礎(chǔ)或填充塊體，各方面質(zhì)量均滿足核電站要求，受到俄方專家的一致認可。

漂泊無定的悵惘之情和對悲苦人生的深沉感觸，使得詩人無限懷念早年在家鄉(xiāng)隱居的快樂生活。馬戴對故鄉(xiāng)有著嬰兒般的眷念，在外羈旅，仕舉不第使得詩人無時無刻都想回到家鄉(xiāng)的懷抱。在路上逢家鄉(xiāng)故人，相思之淚奔涌而下，《岐陽逢曲陽故人話舊》：“客淚翻岐下，鄉(xiāng)心落海湄。”[5]雖極盡夸張，客居他鄉(xiāng)之淚飛翻岐陽山下，但足可見詩人一派赤誠，鄉(xiāng)心歸向東海之濱的曲陽之切。

6　工程應(yīng)用情況

田灣核電站兩臺100 kW級核電機組，有幾千臺件設(shè)備需要安裝，需用的灌漿料有上千噸，在第一臺汽輪機安裝出現(xiàn)質(zhì)量事故后，現(xiàn)場采取了上述施工工藝和養(yǎng)護方法等措施，加強了各方面的管理，在其后的施工中，未出現(xiàn)一起安裝質(zhì)量事故，工程質(zhì)量完全滿足了技術(shù)規(guī)格書的要求，保證了工程的質(zhì)量和進度，贏得了業(yè)主和監(jiān)理單位的一致好評。

7　結(jié)論

（1）關(guān)于灌漿料進場驗收試驗方法：灌漿料進場驗收的流動度和強度測試按國標GBJ 50119規(guī)定進行。膨脹率試驗方法的不統(tǒng)一，將導(dǎo)致各種灌漿料試驗結(jié)果的不可比性，因此，需要用多種方法測定漿料膨脹率以綜合評定其膨脹性能。在無相應(yīng)國家標準的情況下，可依照冶金部標準。

（2）關(guān)于灌漿料的質(zhì)量控制：灌漿料中骨料含量低于50%時，由于漿體水灰比過小，漿體黏性大，其中空氣也不易排出，易出現(xiàn)干縮裂紋或空洞等現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場使用灌漿料試驗結(jié)果，整個施工現(xiàn)場統(tǒng)一使用乙料，對每批進場材料，都必須按3.2節(jié)規(guī)定的試驗方法進行試驗，確保每批進場灌漿料的質(zhì)量。

（3）關(guān)于灌漿料施工方法：灌漿料的灌注方式，根據(jù)設(shè)備基礎(chǔ)的形狀、尺寸大小和深度，可選擇自落式灌漿和壓力灌漿，壓力灌漿必須用專門的灌漿設(shè)備，并且要做模擬試驗，編寫施工方案，審批后方能執(zhí)行。灌漿料水灰比低，失水時極易出現(xiàn)干縮裂紋，因此在漿體初凝后即可保濕養(yǎng)護（條件容許時，盡量在漿體終凝后蓄水養(yǎng)護），養(yǎng)護時間不宜少于14 d。

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中圖分類號：TL37

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1617（2009)03-0224-06

收稿日期：2009-02-09

作者簡介：錢伏華（1971－），男，寧夏中寧人，研究員級高級工程師，現(xiàn)在中國核工業(yè)華興建設(shè)有限公司從事核電工程建設(shè)研究。

Experiment and application of cement-based grout material in Tianwan NPP

(QIAN Fu-hua1，WANG Kai-hua2，F(xiàn)ANG Hui-huang1，ZHU Guo-dong2)
(1.China National Industry Huaxing Construction Co. ，Ltd.，Yizheng of Jiangsu Prov. 211900，China；2.China Nuclear Engineering and Construction Corporation，Beijing 100037，China)

Abstract:The grout materials test results of composition， test methods and construction curing process are studied deeply， and the causes for the quality defect of several grout materials at Tianwan Nuclear Power Plant site are analyzed combined with the applied situation of equipment foundation grout pouring， so as to choose high quality grout materials necessary for nuclear power project and suitable curing process to meet the requirement of construction condition.

Key words:nuclear power plant； basis of equipment； grouting； simulated experiment