海陽(yáng)核電1號(hào)核島混凝土試驗(yàn)和施工經(jīng)驗(yàn)分析

李 斌，李 寧

（山東核電有限公司，山東 煙臺(tái) 265116）

核電站要求混凝土具有良好的工作性、質(zhì)量可靠性和長(zhǎng)期耐久性，因此，如何保證混凝土施工質(zhì)量具有十分重要的意義。AP1000作為第三代核電站，核島底板澆筑采用新技術(shù)、新規(guī)范，在國(guó)內(nèi)核電站工程中屬首次采用。海陽(yáng)核電站在1號(hào)核島廠房施工過(guò)程中，根據(jù)廠址特征以及周邊原材料的特性，從混凝土的原材料選擇、配合比設(shè)計(jì)、混凝土制備、澆筑以及后期養(yǎng)護(hù)中進(jìn)行了嚴(yán)格管理，積累了一定經(jīng)驗(yàn)。本文將重點(diǎn)圍繞海陽(yáng)核電1號(hào)核島底板混凝土的施工經(jīng)驗(yàn)，就如何保證核電混凝土的質(zhì)量，對(duì)海陽(yáng)核電核島混凝土試驗(yàn)和施工過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述。

1 核島混凝土概述

核島混凝土目前有普通混凝土和SCC自密實(shí)混凝土等，其中1號(hào)核島反應(yīng)堆廠房和核輔助廠房基礎(chǔ)底板為整體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，滿足抗震I類要求。其底標(biāo)高為60英尺6英寸，頂標(biāo)高66英尺6英寸，核反應(yīng)堆廠房和核輔助廠房整體基礎(chǔ)底板長(zhǎng)度約為78 m，最寬處約49 m，總面積約為3 015 m2，底板厚度為1.829 m，一次性澆筑總量約5 200 m3。反應(yīng)堆底板中心處有一條正十六邊形的施工縫，頂標(biāo)高為64英尺6英寸，板厚為1.220 m，其里面的內(nèi)切圓半徑約為11.6 m。

核島底板混凝土的56 d抗壓強(qiáng)度為4 000 psi。底板下部為305 mm厚的混凝土墊層，底板內(nèi)布置有接地線、防水薄膜、一到五層水平鋼筋、“T”形頭剪力筋、施工縫鋼筋、溫度鋼筋、墻體鋼筋、預(yù)埋螺栓、預(yù)埋管道以及KB模塊等。

2 核島混凝土試驗(yàn)

2.1 材料選擇

混凝土組分材料是保證混凝土質(zhì)量的源頭和前提，通過(guò)對(duì)山東等地原材料廠家的廣泛調(diào)查，以及初步的配比試驗(yàn)和招投標(biāo)，最后優(yōu)選確定了各原材料。

參考ASTM C 150—2007《波特蘭水泥標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》的Ⅱ型水泥，結(jié)合中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》、GB 200—2003《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥和低熱礦渣硅酸鹽水泥》，采用的是中低熱硅酸鹽水泥P.Ⅰ42.5。水泥熟料由山水集團(tuán)安丘熟料基地生產(chǎn)，水泥由山水集團(tuán)青島分公司的5 000 t干法旋窯生產(chǎn)，由于采用了優(yōu)化配方，其顯著的特點(diǎn)是水化熱較低，早期強(qiáng)度不高但后期強(qiáng)度增長(zhǎng)強(qiáng)勁。

參考ASTM C 618《粉煤灰、燒結(jié)或天然火山灰作為混凝土礦物摻合料的標(biāo)準(zhǔn)》中F類粉煤灰，結(jié)合GB/T 1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》Ⅰ級(jí)粉煤灰，采用威海電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰，其平均細(xì)度為6%～8%，燒失量1.5%，一般以25%～30%摻量替代部分水泥，減少早期水化熱并盡可能利用其后期強(qiáng)度。

參考ASTM C 494/C 494M—2005《混凝土用化學(xué)外加劑的規(guī)格》，結(jié)合GB 8076—2008《混凝土外加劑》、JG/T 223—2007《聚羧酸系高性能減水劑》、JC 473—2001《混凝土泵送劑》，外加劑采用山東華偉銀凱公司的NOF-AS聚羧酸型高效減水劑和NOF-AE松香型引氣劑，其減水率可達(dá)25%以上。

參考A S T M C 33—2002《混凝土骨料標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)合GB/T 14685—2001《建筑用卵石、碎石》、GB/T 14684—2001《建筑用砂》，骨料采用峰頂中粗二長(zhǎng)花崗巖經(jīng)砂石場(chǎng)破碎加工而成。

參考JGJ 63—2006《混凝土拌合用水標(biāo)準(zhǔn)》采用力能區(qū)提供的生產(chǎn)水。

2.2 核島混凝土施工配合比設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

海陽(yáng)核電核島混凝土設(shè)計(jì)依據(jù)是美國(guó)西屋公司的技術(shù)規(guī)格書CPP-CC01-Z0-010《混凝土攪拌與運(yùn)輸》[1]，CPP-CC01-Z0-020《混凝土澆筑與鋼筋》[2]和CPP-CC01-Z0-025《混凝土試驗(yàn)服務(wù)》[3]，并參考美國(guó)ASTM、ACI等規(guī)范和中國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

核島混凝土初步設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

參考ACI 211《大體積和常規(guī)混凝土配合比設(shè)計(jì)》結(jié)合GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》、CECS 203：2006《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》、CPP-CC01-Z0-025《混凝土試驗(yàn)服務(wù)》的技術(shù)規(guī)格書等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以及國(guó)內(nèi)外先進(jìn)混凝土發(fā)展趨勢(shì)和經(jīng)驗(yàn)，基于核電混凝土耐久性要求，在保證混凝土具有良好工作性的情況下，盡可能地降低混凝土的單位用水量，采用“三低（低砂率、低坍落度、低水膠比）、二摻（摻高效減水劑和高性能引氣劑）、一高（高粉煤灰摻量）”的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，試驗(yàn)生產(chǎn)出高強(qiáng)、高韌性、中彈、低熱和高極拉值的抗裂混凝土。據(jù)此思路制定了試驗(yàn)大綱，并開(kāi)展了一系列的混凝土配合比試驗(yàn)工作，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)和生產(chǎn)驗(yàn)證最后確定了核島配合比，并一次性通過(guò)西屋公司的審批，其中，F(xiàn)CD用的D型混凝土在專家評(píng)審會(huì)上獲得國(guó)內(nèi)權(quán)威知名專家的肯定，認(rèn)為在保障混凝土和易性基礎(chǔ)上較大幅度降低了膠凝材料和水用量，減少了水化熱風(fēng)險(xiǎn)，并充分發(fā)揮了后期火山灰效應(yīng)，混凝土配合比性能良好。

核島混凝土施工配合比設(shè)計(jì)匯總見(jiàn)表2。

核島混凝土施工配合比主要性能試驗(yàn)結(jié)果匯總見(jiàn)表3。

表1 核島混凝土初步設(shè)計(jì)Table 1 Preliminary design of NI concrete

表2 核島混凝土施工配合比設(shè)計(jì)匯總Table 2 List of NI concrete construction mix designs

2.3 核島混凝土均勻性試驗(yàn)和生產(chǎn)

參考ASTM C94/C94M—2007《預(yù)拌混凝土標(biāo)準(zhǔn)》中均勻性要求，從2009年1月19日開(kāi)始到8月4日結(jié)束，通過(guò)大量實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)檢驗(yàn)，達(dá)到了混凝土均勻性的要求。

混凝土均勻性指標(biāo)要求見(jiàn)表4。

混凝土入模檢測(cè)值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。

2009年9月24日到9月26日，海陽(yáng)核電FCD的42 h內(nèi)生產(chǎn)合格混凝土5 198 m3。

3 核島混凝土施工

3.1 核島底板混凝土澆筑

采用3～5臺(tái)泵車從核島底板南側(cè)向北斜向分層澆筑方法。澆筑過(guò)程中控制下料高度小于等于1.83 m。在每層混凝土的前后均布置振搗器，每個(gè)布料口布置4根。振搗從澆筑層的下端開(kāi)始，逐漸上移，以保證混凝土的密實(shí)。鋼筋密集處要特別加強(qiáng)振搗，以確保混凝土的質(zhì)量。振搗方式采用單一的行列形式以免漏振，振搗棒移動(dòng)間距小于410 mm，振搗棒距離模板250～380 mm，振搗時(shí)間5～15 s，不可過(guò)振，避免混凝土出現(xiàn)離析。振搗棒快插慢拔，視混凝土表面不再明顯下沉、不再出現(xiàn)氣泡、表面泛出灰漿為準(zhǔn)。為增加混凝土的密實(shí)度和提高抗裂性能，采用二次振搗方法（在新澆混凝土覆蓋下一層混凝土?xí)r，振搗棒應(yīng)插入下一層混凝土50 mm左右進(jìn)行振搗），二次振搗在混凝土初凝前完成。在振搗過(guò)程中，注意成品保護(hù)，嚴(yán)禁振搗棒碰擊各種埋件、管道、應(yīng)變測(cè)溫探頭和插筋等，以防其變形和移位，振搗棒距離上述物件必須保持300 mm左右的距離。在澆筑過(guò)程中，要控制好間歇時(shí)間，上層混凝土在下層混凝土初凝之前澆筑完畢，避免出現(xiàn)冷縫。

表3 核島混凝土施工配合比主要性能試驗(yàn)結(jié)果匯總Table 3 Full performance test results of NI concrete construction mix designs

表4 混凝土均勻性指標(biāo)要求Table 4 Requirements for concrete uniformity indicators

表5 混凝土入模檢測(cè)值統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of concrete input parameters tested

3.2 核島底板混凝土養(yǎng)護(hù)

全過(guò)程養(yǎng)護(hù)的主要原則是動(dòng)態(tài)保溫和保濕，即根據(jù)溫度濕度變化及時(shí)調(diào)整保溫保濕措施。混凝土水化反應(yīng)雖然集中在前期，但受到各種因素影響，養(yǎng)護(hù)實(shí)際上是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，因此需要在整個(gè)混凝土施工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)養(yǎng)護(hù)。在澆筑階段減少外界溫度對(duì)混凝土溫度的影響。在升溫階段要重點(diǎn)保濕并適當(dāng)保溫，強(qiáng)化混凝土向外部散熱，盡可能降低混凝土內(nèi)部的絕對(duì)溫度。在降溫階段要重點(diǎn)保溫并適當(dāng)保濕。底板混凝土養(yǎng)護(hù)材料主要采用塑料薄膜、麻袋片、土工布、巖棉。

養(yǎng)護(hù)是保障大體積混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。大體積混凝土水化熱產(chǎn)生的溫差造成的混凝土溫度裂縫是炎熱天氣下混凝土施工的最大隱患。因此必須通過(guò)對(duì)溫度進(jìn)行全面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握混凝土中心與表層以及混凝土表層與大氣溫度間的溫差變化，使得混凝土里表溫差控制在20 ℃以內(nèi)，最大不超過(guò)25 ℃，混凝土的中心降溫速率控制在1 ℃/d，最大降溫速率小于1.5 ℃/d，混凝土表面溫度與環(huán)境溫度相差小于15 ℃時(shí)才能拆除模板和保溫層。

在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，每天隨機(jī)檢查混凝土表面濕潤(rùn)程度的前提下，隨時(shí)對(duì)邊緣、插筋位置進(jìn)行人工噴霧補(bǔ)水，并保持水溫與混凝土表面溫度溫差小于11 ℃；在養(yǎng)護(hù)棚內(nèi)使用大型噴霧裝置定時(shí)進(jìn)行噴霧，同時(shí)設(shè)置濕度計(jì)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)棚內(nèi)濕度情況，使得棚內(nèi)的濕度保持在50%以上。

由于邊角模和側(cè)模容易散熱，因此側(cè)模和邊角模處，根據(jù)降溫速率重點(diǎn)加強(qiáng)保溫，保溫的次序大體上是先保底板的邊角，其次是周邊，再逐步向中部推進(jìn)方式，這需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫度變化情況及時(shí)跟進(jìn)。全過(guò)程養(yǎng)護(hù)前期側(cè)重于保濕，后期側(cè)重于保溫。一旦混凝土溫度開(kāi)始下降，則動(dòng)態(tài)保溫是關(guān)鍵，必須及時(shí)根據(jù)溫度下降趨勢(shì)增減保溫層。根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，在降溫速率逐漸加大的同時(shí)，快速增加保溫干麻袋、土工布或巖棉，保溫層最多時(shí)達(dá)到4層干麻袋和2層土工布或巖棉。還要注意天氣預(yù)報(bào)，如果有寒潮和大雨來(lái)臨，提前做好保溫和防雨排水措施，寒潮和大雨可能會(huì)急劇降低側(cè)模和邊模散熱降溫造成縱向裂縫。

14 d前期養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，根據(jù)溫度變化情況繼續(xù)開(kāi)展中期再養(yǎng)護(hù)14 d，到28 d左右根據(jù)溫度情況基本可以逐步打開(kāi)保溫，但此時(shí)仍要注意必須逐步撤除保溫，不可驟然全部撤除，撤保溫時(shí)按照從中心向周邊方式，最終要保證整個(gè)底板溫度場(chǎng)的均勻，減少內(nèi)外部的溫度應(yīng)力，檢查表面無(wú)異常后再拆除大棚，側(cè)面的模板等待混凝土溫度降到接近環(huán)境平均溫度時(shí)再拆除，頂板裸露區(qū)的混凝土還要繼續(xù)采用保溫才能完全撤除保溫進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)。

由于水泥水化反應(yīng)劇烈，混凝土內(nèi)部溫度快速上升，底板混凝土澆筑后的3～5 d為升溫階段。隨著水泥水化反應(yīng)釋放熱量速率逐漸降低，在低于底板混凝土向環(huán)境散熱量速率后，從9月29日起，大部分測(cè)點(diǎn)溫度開(kāi)始下降，控制降溫速率不超過(guò)1.0 ℃/d；10月2日后，多數(shù)測(cè)點(diǎn)降溫速率有所提高，降溫速率控制在1.5 ℃/d內(nèi)，該階段一直持續(xù)到10月12日；隨后底板混凝土降溫速率基本控制在1.0 ℃/d內(nèi)。

3.3 核島底板混凝土評(píng)價(jià)

根據(jù)GBJ 107—1987《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50164—1992《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》、ACI 301《混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范》、技術(shù)規(guī)格書CPP-CC01-Z0-020《混凝土澆筑和鋼筋》、ACI 224《混凝土裂縫評(píng)估及處理》要求評(píng)價(jià)混凝土質(zhì)量。

根據(jù)ACI 301-05，混凝土強(qiáng)度合格標(biāo)準(zhǔn)是全部試塊的強(qiáng)度平均值大于設(shè)計(jì)齡期的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度，且其中最小試塊的強(qiáng)度應(yīng)大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度500 psi，即最小應(yīng)大于24.5 MPa。

FCD混凝土的56 d強(qiáng)度平均值為42.2 MPa，為設(shè)計(jì)齡期標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的150%，滿足規(guī)格書要求。強(qiáng)度保證率為97.7%，符合正態(tài)分布，屬于質(zhì)量?jī)?yōu)良水平。

1號(hào)機(jī)組核島底板混凝土表觀質(zhì)量總體良好，滿足AP1000底板施工設(shè)計(jì)要求。現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有表面裂縫產(chǎn)生（共14條），但裂縫均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，其最大寬度為0.35 mm（設(shè)計(jì)文件及技術(shù)規(guī)格書規(guī)定的最大允許裂縫寬度為0.41 mm），鑿毛后裂縫最大深度為30 mm，小于溫度鋼筋深度，經(jīng)設(shè)計(jì)判定為表面無(wú)害收縮裂縫，不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。1號(hào)核島底板混凝土強(qiáng)度指標(biāo)分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。1號(hào)核島底板表面裂縫見(jiàn)圖1。

表6 1號(hào)核島底板混凝土強(qiáng)度指標(biāo)分析數(shù)據(jù)Table 6 Analysis data of unit 1 NI basemat concrete strength indicators

圖1 1號(hào)核島底板表面裂縫圖Fig.1 Drawing of cracks on unit 1 NI basemat surface

4 結(jié)束語(yǔ)

AP1000核島底板大體積混凝土澆筑在國(guó)內(nèi)核電站施工中首次采用一次性連續(xù)澆筑的新技術(shù)，海陽(yáng)核電站通過(guò)1號(hào)核島廠房底板混凝土澆筑工作，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，為后續(xù)工程以及國(guó)內(nèi)其他核電站類似工程提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

[1] CPP-CC01-Z0-010 混凝土攪拌與運(yùn)輸[S].

[2] CPP-CC01-Z0-020 混凝土澆筑與鋼筋[S].

[3] CPP-CC01-Z0-025 混凝土試驗(yàn)服務(wù)[S].