核電站筏基大體積混凝土裂縫控制技術(shù)研究

吳澤坤，胡琦，李永鵬，羅旭磊，劉勝利

（中國建筑第二工程局有限公司核電建設(shè)分公司，廣東 深圳 518034）

電力是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，在經(jīng)濟發(fā)展中起到舉足輕重的作用。當(dāng)前，我國核電站總發(fā)電量占比相對偏低，與發(fā)達(dá)國家存在一定的差距。近年來，在國家的積極倡導(dǎo)和支持下，我國核電站建設(shè)日益受到重視，并自主研發(fā)第三代核電站技術(shù)，在吸收國外核電站建設(shè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，我國開始建設(shè)第三代核電站自主化和國產(chǎn)化示范工程，浙江三澳核電站是自主研發(fā)的核電站工程，承擔(dān)著我國第三代核電站自主化、批量化建設(shè)的重要責(zé)任。在核電站工程中，筏基大體積混凝土澆筑質(zhì)量直接關(guān)系到核電站安全，而大體積混凝土施工受水化熱反應(yīng)影響，混凝土內(nèi)外形成較大的溫度梯度，引起大體積混凝土裂縫問題，對核電站安全運行造成不利影響。因此，加強三澳核電站筏基大體積混凝土裂縫控制具有重要意義。

1 工程概況

三澳核電站位于浙江省溫州市，距溫州市區(qū)約90km。根據(jù)規(guī)劃設(shè)計，核電站規(guī)劃設(shè)計建設(shè)6臺百萬千瓦壓水堆核電機組，分期建設(shè)，一期建設(shè)2臺機組。該工程中汽輪機廠房（BMX）由汽輪機房和輔助間組成，縱向柱距11各，高度52m，總長度108.6m，廠房橫向分為A、B、C三列。其中：A～B跨度52m，B～C輔助間跨度15m。汽輪機廠房采用筏板基礎(chǔ)+擋土墻結(jié)構(gòu)形式，基礎(chǔ)持力層為中等風(fēng)化巖層或微風(fēng)化基巖，筏板基礎(chǔ)深度-10.70m，超挖部分采用C15素混凝土回填至基底標(biāo)高，廠房橫向、縱向均不設(shè)置伸縮縫。筏基直徑為39.5m，厚度5.5m，中心凸臺厚度6.1m，分為3層，其中：A層厚度1.2m，B層厚度1.8m，C層厚度0.8m。混凝土澆筑量為4500m。筏基底部-10.05m處鋪設(shè)防水層卷材，防水層削弱了基巖對筏基的摩擦力，改善了接觸面自由滑動能力，可降低筏基大體積混凝土外部約束，有利于控制混凝土裂縫，適用于整體澆筑施工。而分層澆筑施工則可能增加混凝土開裂風(fēng)險，故該工程采用整體澆筑施工技術(shù)方案。

2 大體積混凝土裂縫形成機理及影響因素研究

2.1 大體積混凝土裂縫形成機理

大體積混凝土裂縫是多方面因素共同作用的結(jié)果，但其本質(zhì)是混凝土有害位移變形超過混凝土約束。大體積混凝土約束可分為混凝土顆粒之間的內(nèi)部約束、混凝土與外部接觸物體的外部約束。結(jié)合大體積混凝土變形應(yīng)力形成機理，大體積混凝土裂縫形成原因主要包括混凝土體積穩(wěn)定性、收縮、徐變、溫度等因素。

2.2 大體積混凝土裂縫影響因素

2.2.1 體積穩(wěn)定性

混凝土體積穩(wěn)定性是指混凝土抵抗非外界荷載作用的變形能力，包括混凝土硬化過程中物理作用與化學(xué)作用。體積穩(wěn)定性差的混凝土在受到非外界荷載作用時易發(fā)生變形和體積變化，造成大體積混凝土出現(xiàn)裂縫。

2.2.2 混凝土收縮變形

收縮變形是混凝土施工中不可避免的過程，在無外界荷載作用下，混凝土因失水干燥而體積收縮，當(dāng)混凝土強度無法抵抗收縮應(yīng)力時，則易出現(xiàn)變形裂縫。根據(jù)混凝土收縮變形形成機理，混凝土收縮變形原因主要包括干燥收縮、自由收縮、塑性收縮、碳化收縮和沉降收縮，主要受混凝土材料質(zhì)量和配合比影響。

2.2.3 混凝土徐變

混凝土徐變即在結(jié)構(gòu)恒載作用下內(nèi)部顆粒趨于緊密滑動而形成的變形，隨結(jié)構(gòu)荷載趨于穩(wěn)定，混凝土因結(jié)構(gòu)荷載變形產(chǎn)生的約束應(yīng)力削弱，即應(yīng)力松弛現(xiàn)象。由于結(jié)構(gòu)荷載的存在，混凝土徐變問題不可避免。

2.2.4 混凝土溫度變形

溫度變形是造成大體積混凝土裂縫最為主要的影響因素，其形成原因主要是大體積混凝土水化熱效應(yīng)產(chǎn)生大量熱量并在混凝土內(nèi)部集聚，形成較高的內(nèi)外溫差。混凝土澆筑初期，混凝土處于可塑狀態(tài)，強度尚未完全形成，對溫度的變形約束較小。隨混凝土齡期增加，混凝土強度和內(nèi)部約束增強，內(nèi)外溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力增加，當(dāng)溫度應(yīng)力超過相應(yīng)齡期混凝土抗拉強度約束時，即產(chǎn)生溫度裂縫。除水化熱效應(yīng)外，外界溫度對大體積混凝土表面溫度的影響不容忽視，外界溫度變化改變混凝土內(nèi)外溫度梯度，從而形成表面裂縫，如溫度控制不當(dāng)，表面裂縫向混凝土內(nèi)部發(fā)展形成貫穿性裂縫。

2.2.5 混凝土DEF變形

DEF變形是指混凝土溫度≥70℃時產(chǎn)生的延遲鈣礬石生成現(xiàn)象。膨脹性鈣礬石產(chǎn)生變形應(yīng)力進(jìn)而造成混凝土開裂。

綜合上述原因，核電站筏基大體積混凝土裂縫控制方面主要是提高混凝土結(jié)構(gòu)抗拉強度、降低混凝土熱膨脹系數(shù)、減少環(huán)境溫度的影響和控制內(nèi)外溫差等，其關(guān)鍵在于大體積混凝土內(nèi)外溫差導(dǎo)致表面強度低于內(nèi)部膨脹產(chǎn)生的拉應(yīng)力，因此，核電站筏基大體積混凝土裂縫控制的關(guān)鍵在于混凝土內(nèi)外溫差控制。結(jié)合大體積混凝土施工技術(shù)工藝流程，應(yīng)重點從混凝土原材料質(zhì)量控制、配合比設(shè)計、養(yǎng)護管理等方面采取防控措施。

3 核電站筏基大體積混凝土裂縫控制措施研究

3.1 原材料質(zhì)量控制

為確保三澳核電站筏基大體積混凝土質(zhì)量，該工程重點加強進(jìn)場原料質(zhì)量控制。

①水泥選用P·Ⅱ42.5核電站專用水泥，3d平均水化熱為224kJ/kg。7d平均水化熱250kg/kg，28d抗壓強度59.4MPa。水泥Cl含量由化驗室測定，以Cl含量＜0.05%為合格。水泥的入罐溫度＜60℃，拌合前15d儲存完畢，經(jīng)自然冷卻至50℃以下。

②粉煤灰選用I級粉煤灰，通過化驗室取樣測定粉煤灰物理性能和化學(xué)成分，提前進(jìn)料并冷卻至環(huán)境溫度。

③骨料選用不含白云石、不具有堿碳酸鹽活性的碎石和中砂。粗骨料選用5mm～31.5mm連續(xù)級配碎石，表觀密度2640kg/m，松散堆積密度1370kg/m，緊密堆積密度1500kg/m，針片狀顆粒含量7.3%，壓碎值 17.3%，軟弱顆粒含量＜2%。細(xì)骨料選用機制砂，表觀密度2620kg/m，松散堆積密度1440kg/m，緊密堆積密度1570kg/m，細(xì)度模數(shù)2.6，含泥量 ＜2.0%。

④外加劑選用不含Cl的PCA(I)聚羧酸系高性能減水劑，其減水率為26.7%，可有效減少混凝土需水量，降低水化熱反應(yīng)。

⑤拌和水選用冷水機組生產(chǎn)的1℃～3℃的冷水，以降低混凝土出模溫度。

3.2 混凝土配合比設(shè)計

根據(jù)核電站混凝土強度要求和齡期控制要求，計算本工程混凝土配合比，制作150mm標(biāo)準(zhǔn)試件，經(jīng)有效性研究、靈敏度研究和信息試驗，確定核電站筏基大體積混凝土配合比，如上表所示。

核電站筏基大體積混凝土配合比

經(jīng)模擬試驗，配合比混凝土最高溫度出現(xiàn)在澆筑后62h，混凝土中心最高溫度為72℃，環(huán)境溫度為25℃，則混凝土內(nèi)外溫差為47℃，符合本工程大體積混凝土溫差控制和DEF變形控制要求（≤75℃）。

3.3 混凝土拌和

為確保該工程大體積混凝土連續(xù)供應(yīng)，防止大體積混凝土供應(yīng)中斷，該工程委托3家商品混凝土攪拌樁拌和生產(chǎn)混凝土，混凝土原料提前進(jìn)場，并加強現(xiàn)場管理。混凝土拌和生產(chǎn)時，嚴(yán)格按工程設(shè)計配合比投料，各原料經(jīng)計量后投料入模。拌和前2罐加強質(zhì)量檢驗，經(jīng)質(zhì)量檢驗合格按3罐1次檢驗。拌和過程中，嚴(yán)格控制各原料入模溫度，使用冷水拌和，合理控制混凝土出料溫度。

3.4 混凝土運輸

為確保混凝土運輸?shù)倪B續(xù)性，該工程配置28臺罐車，施工現(xiàn)場配置8臺布料機和8臺坐地泵，每臺泵配置3臺運輸車，備用4臺罐車，可滿足該工程混凝土運輸量要求。為防止混凝土運輸過程中混凝土溫度升高，罐車外部包裹保溫材料，灑水降溫，加強運輸路線優(yōu)化，降低環(huán)境溫度對泵送溫度的影響。

3.5 混凝土澆筑施工

該工程采用整澆施工方案，澆筑量大，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。為滿足整體澆筑質(zhì)量要求，8臺布料機沿凸臺對稱布置，將筏基基礎(chǔ)分為8個布料區(qū)。布料時，按斜向推移法施工，混凝土澆筑面坡度為1:5。各布料時間點控制5min，布料厚度≤40cm，最頂層布料厚度≤20cm。澆筑施工時，混凝土布料自一端開始，自由傾落高度≤1.5m，沿短邊方向來回推進(jìn)，相鄰布料區(qū)接縫時間小于混凝土初凝時間。混凝土振搗時，由于該工程分層厚度較大，采用Φ60mm高頻振搗棒振搗施工。振搗施工時，每點振搗時間20s，以混凝土表面無顯著下沉、出現(xiàn)氣泡和表面穩(wěn)定返漿為宜。

3.6 混凝土養(yǎng)護管理

該工程中，筏基大體積混凝土養(yǎng)護自澆筑完成后9h開始，表面覆蓋薄膜和保溫材料。定期灑水，保持混凝土表面濕潤。混凝土養(yǎng)護期28d。根據(jù)核電站筏基整澆養(yǎng)護管理經(jīng)驗和該工程夏季高溫施工的實際情況，為降低外界溫度對混凝土表面溫度的影響，該工程在混凝土澆筑完成后搭設(shè)保溫防雨棚，防雨棚表面覆蓋帆布，根據(jù)混凝土溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過遮陽和開啟碘鎢燈加溫等措施降低混凝土內(nèi)外溫差。

為及時掌握筏基大體積混凝土溫度變化情況，本工程澆筑前預(yù)埋測溫管，測溫管與鋼筋網(wǎng)片焊接固定，測溫管內(nèi)置電阻溫度計并封堵兩端端口（如下圖所示）。混凝土養(yǎng)護期間，120h內(nèi)每h測溫1次，240h內(nèi)每2h測溫1次，其余時間每4h測溫1次。根據(jù)測溫數(shù)據(jù)，當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差≥25℃時，采取多項養(yǎng)護管理措施：①覆蓋防雨棚帆布，降低內(nèi)外溫差；②如溫差持續(xù)擴大時，在原保溫層基礎(chǔ)上增加1層塑料薄膜和麻袋片，提高保溫效果；③如仍不能控制溫差時，打開防雨棚內(nèi)碘鎢燈，提高棚內(nèi)溫度，降低混凝土內(nèi)外溫差。

測溫點布設(shè)示意圖

4 結(jié)語

該工程經(jīng)工程項目驗收，汽輪機廠房筏基基礎(chǔ)一次通過驗收，混凝土28d齡期強度為45MPa。符合工程設(shè)計要求，混凝土無表面裂縫，最高中心溫度59℃，未發(fā)生DEF劣化現(xiàn)象，工程質(zhì)量良好，達(dá)到該工程混凝土裂縫控制目標(biāo)。