聚羧酸系高性能減水劑在廣東臺山核電站1#核島筏基大體積混凝土工程中的應用

孫 樹，薛永宏，冉千平，王輝誠，王龍，方輝煌

（1. 江蘇省建筑科學研究院有限公司，南京 210008；2. 中國廣東核電集團有限公司，深圳 518028；3. 中國核工業華興建設有限公司，南京 210019）

1 工程背景與應用概況

廣東臺山核電站位于臺山赤溪鎮，由中國廣東核電集團和法國電力公司(EDF)共同投資建設，是全球第三個采用歐洲先進壓水堆(EPR)三代核電技術建設的核電站。該技術可以降低核電站發生核事故的概率，提高運行安全性和可靠性，此前僅在芬蘭和法國開工建設的核電站中采用。

臺山核電站一期工程建設2臺機組，單機容量為175萬千瓦，是目前世界上單機容量最大的核電機組，工程總投資約502億元，2009年9月主體工程動工，將于2013年12月首臺機組并網發電。

采用EPR歐洲壓水堆技術建設的第三代核電站核島筏基混凝土一次澆筑完成，在國際上還沒有成功的先例。法國和芬蘭的同類項目，均在澆筑完成后不同程度地出現了貫通式裂縫，芬蘭的核電項目甚至為此停工長達半年之久。

2009年10月26日至30日，中核華興公司展現核電建設鐵軍的風采，創造中國核電建設歷史，歷時86小時，一次澆筑成功臺山核電1#核島9211.15m3C40/50（歐盟標準EN-圓柱體強度/英國標準BS-立方體強度）大體積混凝土筏基（直徑54m、厚度3.8m），圓滿地完成了世界核電建設史上具有里程碑式重要意義的核島筏基施工，并順利通過了國家核安全局的驗收。

2 混凝土原材料

（1）水泥：廣州市珠江水泥有限公司“粵秀”P.II 42.5核電水泥，水泥熟料的化學成分及礦物組成見表1，水泥的物理力學性能見表2。

（2）礦粉：韶鋼嘉羊新型材料有限公司S75礦粉，礦粉的物理力學性能及化學成分見表3。

表1 水泥熟料的化學成分及礦物組成 %

表2 水泥的物理力學性能

表3 礦粉的物理力學性能及化學成分

表4 粉煤灰的物理性能及化學成分 %

表5 人工砂的物理性能

表6 人工砂的篩分試驗結果

表7 碎石的物理性能

表8 PCA（I）聚羧酸系高性能減水劑的勻質性

表9 PCA（I）聚羧酸系高性能減水劑的物理力學性能

（3）粉煤灰：采用福建漳州電廠Ⅰ級粉煤灰，粉煤灰的物理性能及化學成分見表4。

（4）砂：臺山核電站現場花崗巖材質人工砂，物理性能及篩分試驗結果見表5和表6。

（5）石子：臺山核電站現場花崗巖材質人工碎石，物理性能見表7。

（6）外加劑：江蘇博特新材料有限公司核電工程用PCA（I）聚羧酸系高性能減水劑，勻質性見表8，物理力學性能見表9。

3 本工程適用外加劑的研制與試驗

開工前期大量的試驗研究表明，對于本工程選用的材料和配合比，外加劑在試驗室表現良好，但在實際生產性研究試驗中，均存在拌和物處于動態條件下的坍落度早期（拌和后5～30分鐘）激增和后期（拌和后45～75分鐘）驟減的現象，嚴重影響混凝土生產控制、施工和混凝土質量的均勻性，困擾著建設方和施工方，為此，聚羧酸系高性能減水劑的應用性能受到高度關注。

3.1 本核電工程聚羧酸系高性能減水劑的應用技術難點

由于核電工程的特殊性和本工程混凝土施工高峰澆筑量和設備生產能力間的矛盾，外加劑需具備的工程應用性能的可控性和穩定性如下：

（1）混凝土拌和物坍落度在60分鐘內經時變化幅度小（180±30mm），并基本無反向增長，尤其需能控制較短拌合時間和適用溫控條件（溫控加冰條件，拌和物溫度12～18℃）的坍落度反向增長；

（2）攪拌40～60s，混凝土拌和物需具備穩定的施工性能和適宜的混凝土粘度，并在33s內完成自動下料；

（3）拌和樓拌和的混凝土相關性能參數應具有穩定的結果復現性。

與另兩家跨國外加劑企業提供的樣品在試驗室、拌和樓拌和混凝土比對，經過多次充分的模擬實際施工的生產性試驗，最終確定優選江蘇博特新材料有限公司針對本工程特點特制的核電工程用聚羧酸系高性能減水劑PCA（I）為臺山核電核島工程使用產品。

3.2 外加劑的研制技術路線

根據本工程采用花崗巖人工骨料和“粵秀”P·II 42.5核電水泥并高摻礦物摻合料的混凝土配合比特點，通過化學合成和物理方法，對外加劑進行性能設計，在羧酸分子鏈上接入適宜的瞬釋和緩釋效應分子基團，使外加劑具備快速分散和延時緩釋功能相結合的特點，并通過復合膠凝材料漿體流動度試驗，結合拌和樓模擬實際生產而拌和的混凝土的和易性和流動性經時變化狀態，微調增減粘度與和易性功能改善組分，確定適宜的外加劑配方。

3.3 復合膠凝材料漿體流動度試驗

為使試驗結果與混凝土拌和生產試驗具有較強的數據對應性，試驗漿體采用與擬施工的配合比中相同的水泥、粉煤灰及礦粉等膠凝材料的比例，并增加摻入人工砂中所含比例的石粉，水膠比則考慮去除骨料飽和面干狀態所需用水后的水膠比適宜值為基準。

試驗條件為現行國標規定的相應凈漿試驗條件。復合膠凝材料漿體流動度經時變化試驗結果見表10。

考慮到凈漿攪拌和混凝土拌和效率的不同，結合外加劑的漿體試驗的流動性經時變化規律，經拌和樓混凝土拌和模擬生產試驗，根據攪拌時間和下料放空時間的具體要求，經適當微調功能組分確定了外加劑的配方。

表10 復合膠凝材料漿體流動度經時變化

表11 1#核島大體積筏基C40/50混凝土優化配合比 kg/m3

表12 混凝土拌和物性能的生產性研究試驗

3.4 拌和樓混凝土生產性模擬試驗

（1）采用1#核島大體積筏基混凝土適用配合比用于生產性模擬試驗，見表11。

（2）拌和與泵送試驗的代表數據

為了適應本工程拌和樓澆筑筏基大方量混凝土的設備能力，經過計算和大量混凝土拌和試驗，確定對攪拌時間和自動下料時間按照40s和33s的要求進行控制和模擬試驗，選取工藝時間短、運輸車動態旋轉的混凝土坍落度經時變化小（嚴格控制反向增長）、可泵性好的適用外加劑和工藝條件，拌和物性能的生產性研究試驗代表結果見表12。

按照上述攪拌和排空控制時間要求確定了適用外加劑的研制配方，此后進行的大量可行性試驗和工程次要結構的實際施工應用表明，確定的外加劑配方是適用的，生產性試驗結果復現性穩定，經工程有關單位批準，確定用于核島混凝土工程施工。

4 1#核島大體積筏基混凝土工程應用

4.1 混凝土配合比

在試驗室大量試配和攪拌樓大量模擬施工條件下的生產性試驗驗證基礎上，確定了用于施工的混凝土配合比，見表11。

4.2 混凝土拌和物施工性能和物理力學性能

1#核島筏基混凝土的施工情況表明，施工過程中，拌和樓拌制的混凝土拌和物性能穩定，除了部分工況不良的混凝土輸送泵偶有故障導致泵送不暢外，整體泵送澆筑情況良好，拌和物經時損失穩定，泵送壓力小，混凝土粘度小，泵壓穩定，泵送出口拌和物易振搗密實。

統計結果表明，混凝土抗壓強度滿足核電規范BTS對C40/50的要求。

4.3 大體積筏基混凝土的溫控

為了有效防止貫通式裂縫的產生，進行了原材料溫度控制、混凝土配合比優化、施工過程加強溫度防護和保濕養護。

（1）為控制混凝土的溫升，對水泥的水化熱指標進行了控制；經對膠凝材料不同組合比例的水化熱測試，結果表明，隨礦粉摻入比例的提高，水化熱有增加的趨勢，因此，采用提高粉煤灰用量的辦法降低水化熱，將礦粉用量限制在總膠材的13%以下，并采用適合高摻量礦物摻合料使用的高減水率的聚羧酸系高性能減水劑優化混凝土配合比和膠凝材料用量。

（2）拌和樓工藝設計時，增設了水泥庫，對進庫水泥溫度進行控制（75℃以下，實際為50～65℃），并將入庫水泥進行定期循環倒庫降溫，以控制入拌和機的水泥溫度。

（3）采用 “兩級存儲、三段運輸”的方式進行制冰、送冰作業，在筏基混凝土澆筑過程中，加冰量嚴格控制在60kg/m3，混凝土出機口溫度嚴格控制在18℃以內，低于標準溫度4℃，對混凝土輸送車和輸送管道進行覆蓋遮陽和灑水降溫，使入模溫度控制在23℃以內，相比核電建設規范的要求低了2℃。

（4）混凝土中心最大溫升得到有效控制，中心溫度在70℃以內，與溫度計算結果非常接近。混凝土澆筑后續養護過程中，加強保溫、保濕養護，并根據測溫結果，逐漸減少表面覆蓋的保溫層，嚴格控制混凝土降溫速率，避免了溫度裂縫的出現。

溫控結果表明，混凝土原材料的選擇和配合比優化、材料降溫、養護、施工組織有效，為世界同類型建設項目提供了成功的施工范例。

5 結語

（1） 聚羧酸系減水劑經過性能設計與優化，可滿足核電工程領域的混凝土施工要求，并有助于解決有水化熱控制要求的核電混凝土結構構件施工。

聚羧酸系減水劑因其可進行分子設計而適應不同的功能需求，隨著核電工程主體結構的逐漸采用，其研制與應用技術必將在繼海工橋隧工程、近海液化天然氣工程、水利水電工程、高鐵與客運專線工程等更多的高耐久要求的工程領域得到不斷拓寬和提升。

（2）核電站因其工程特殊性，對原材料和混凝土施工性能的穩定性要求較高，適用的聚羧酸系外加劑通常應根據工程具體要求和材料來源特點、原材料和配合比的不斷優化進行大量的試驗室和生產性試驗進行配方動態設計、優化、微調而最終完善確定。

（3）隨著天然骨料資源的日漸緊缺和大方量澆筑混凝土結構構件的日益增加，采用快速分散和延時緩釋技術對聚羧酸系外加劑靈活設計和應用，為工程應用人工骨料和大方量澆筑混凝土提供了便利，具有明顯的社會效益和環境效益。