核電站超高預應力豎向鋼束全比例灌漿試驗及其替代方法研究*

付凱明，劉 康，劉 軍，朱貴超，顏靈平，荊 銳

(中國建筑第二工程局有限公司，北京 100160)

1 工程概況

廣西防城港核電站二期3，4號機組采用我國自主知識產權的“華龍一號”核電技術，其核島反應堆廠房為雙層安全殼，其中內安全殼為帶鋼襯里的后張拉有粘結預應力鋼筋混凝土結構，由公共筏基、內殼筒體墻、環梁和穹頂組成。內殼筒體內徑45m、厚1.2m，球面穹頂厚1.0m。

內安全殼筒體內垂直鋼束144束，其中44束純豎向鋼束，100束Gamma鋼束(垂直段)。垂直鋼束中心位于R= 23.1m處，底部錨固在反應堆下部廊道內，上部錨件位于環梁區域，整體鋼束長約63m；水平鋼束98束，高度方向沿安全殼-5.920～45.760m布置，水平方向在筒體內按半徑23.4m分布，鋼束兩端分別錨固在位于133°，313°的2個扶壁柱兩側。穹頂鋼束內分布100束Gamma鋼束(穹頂段)，分上、下2層各50束，2層鋼束在穹頂投影面上相互垂直布置，鋼束底部錨件錨固在反應堆下部廊道頂部，上部錨件錨固在穹頂與筒體墻連接處的環梁底部，鋼束布置如圖1所示。

圖1 鋼束布置示意

預應力鋼束均由54束鋼絞線構成，采用強度等級為1 860MPa、直徑15.7mm、公稱橫截面積150mm2、極限負荷279kN的七絲低松弛鋼絞線。水平鋼束導管主要采用預埋φ160×0.6磷化皂化薄壁半剛性螺旋折疊管(波紋管)成孔，局部采用φ165.3×3.0薄壁剛性管(簡稱鋼管)過渡；純豎向和Gamma鋼束導管全部采用φ165.3×3.0薄壁鋼管。導管在澆筑混凝土前預埋，待混凝土強度達到設計要求的強度后，進行穿束、張拉和灌漿操作。

2 試驗目的

為保障核電站安全殼后張拉預應力混凝土結構施工灌漿質量并處于受控狀態，通過全比例灌漿試驗驗證灌漿材料選擇、漿體施工性能及可用性，完善制漿程序；模擬現場機械設備使用狀態、施工組織與實際操作過程，為正式施工做好充分準備；收集試驗過程中的工藝參數、控制要點，驗證灌漿工作程序操作性及適用性，為正式施工提供依據。

3 試驗材料選擇

1)管道材料 由于試驗導管外側無混凝土保護，為滿足試驗強度需求，成孔材料全部采用剛性導管。規格為φ165.3×3.0，材質為20號無縫鋼管，滿足GB/T 8162—2018 《結構用無縫鋼管》要求。

2)錨夾具 采用法西奈公司生產的55C15系列錨具及夾片，與結構主體使用的相同。

3)鋼絞線 采用1 860MPa 級、公稱直徑為15.7mm的低松弛鋼絞線，每束鋼絞線由7根鋼絲組成，公稱橫截面積為150mm2，與結構主體使用的相同。

4)水泥 水泥采用廣西魚峰水泥股份有限公司生產的P·II 42.5硅酸鹽水泥。

5)拌合水 拌合水為廣西防城港核電站二期現場施工用水，且滿足技術規格書中對拌合水的要求。

6)外加劑 選用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的BT?-GW(1)型減水劑和SBT?-SR(II)型緩凝劑，所配制的緩凝漿各項指標滿足技術規格書要求。

7)物理性能 28d抗折強度應≥4MPa，28d抗壓強度應>30MPa，孔隙率應<40%，毛細吸水應<1.5g/cm2，28d收縮值應<3 500μm/m。

4 預應力漿體制備

4.1 配合比初步試驗和驗收試驗

4.1.1漿體性能指標

1)泌水率 緩凝漿3h泌水率宜≤2%，且應≤3%，泌水應能在24h內全部被漿體吸收。

2)凝結時間 緩凝漿初凝時間應<50h，終凝時間在5℃時應<80h。

3)流動度 緩凝漿攪拌后初始流動度為9～13s，6h流動度應≤14s，10h流動度應<25s，環境溫度宜在5～35℃，漿體溫度宜≤32℃。

4.1.2漿體試驗結果

根據設計要求，漿體需滿足標準條件下(環境溫度和漿體溫度在(20±2)℃時)相關漿體性能指標及非標準條件下(環境溫度(7±2)，(33±2)℃)時流變性能要求。緩凝漿試驗結果如表1～3所示。

表1 緩凝漿漿體流動度隨時間變化

表2 緩凝漿漿體凝結時間與泌水率

表3 緩凝漿漿體硬化物理性能

4.2 漿體制備程序

4.2.1緩凝漿配合比

組成材料為P·II42.5硅酸鹽水泥、減水劑SBT?-GW(1)、 緩凝劑SBT?-SR(II)、現場施工用水(根據需要加冰調節溫度)。經漿體配合比試驗及驗收試驗確定配合比(質量比)為C∶W∶SBT?-GW(1)∶SBT?-SR(II)=1∶0.313∶0.01∶0.001 5(見表4)。

表4 每盤材料用量

4.2.2攪拌工藝

緩凝漿采用二次攪拌工藝，每盤700kg水泥按比例進行控制，在預應力攪拌站進行攪拌。生產工藝為：先加碎冰(如需要)，再依次加SBT?-GW(1)、水、水泥，邊投料邊攪拌，投料完成后攪拌4min；漿體取樣測量流動度和溫度并記錄；靜置30min(期間將漿體轉移至二次攪拌罐中)；人工加入稱量好的SBT?-SR(II)，再攪拌2min，漿體取樣測量流動度和溫度并記錄。若流動度為9～13s，漿體溫度<32℃，將漿體導入儲漿罐；不滿足要求按不合格漿體處理。

5 試驗管道設置

以往核電工程中預應力豎向鋼束全比例灌漿試驗通常采用純豎向管道作為試驗管道，常用的試驗工藝為在管道底部進行灌漿，頂部設置重力桶進行漿體泌水置換。由于預應力系統存在與以往核電工程不同的Gamma預應力鋼束，包括豎向段和穹頂段，其中Gamma鋼束管道豎向段灌漿工藝與純豎向管道相似，但其頂部不易設置重力桶進行漿體泌水置換操作，考慮采用部分穹頂管道作為豎向段的泌水置換容器。因其對純豎向管道的灌漿施工狀態與過程具有包絡性，故選取Gamma鋼束管道豎向段作為全比例豎向鋼束管道的試驗管道。

純豎向管道長約63m，Gamma鋼束管道豎向段長約57.7m，為保證泌水長度足夠，穹頂段留置長度約11.5m(容量約140L)，試驗管道總長約69.2m，如圖2所示，其中E3位置高約63.5m，模擬純豎向鋼束管道高度。

圖2 全比例灌漿試驗管道

根據設計要求，需采用2根管道進行灌漿試驗，每根管道均有54束鋼絞線，試驗所用的錨固塊、鋼絞線、夾片與后期施工所用的相同；灌漿膠管與現場施工相同；試驗所用預應力管道全部采用剛性管焊接制作組裝完成。

6 試驗檢查方式

漿體硬化后，通過窗口和截面方式檢查灌漿密實度。在開窗口和截面處進行標識，并留取圖片資料。孔道開窗、截面位置滿足以下要求：從起彎點起2.5m內每100mm取1個截面，之后每5m取1個截面直至底部。截面內漿體充滿管道，但允許有深度≤5mm的空隙(見圖3)。

圖3 管道空隙示意

7 灌漿施工

7.1 灌漿設備

灌漿泵為Freyssinet 公司生產的PH125型灌漿泵，灌漿壓力和流量可通過操作按鈕調節控制。入口處安裝1個量程為40bar(1bar=0.1MPa)的壓力表，灌漿管采用直徑50mm的高壓灌漿軟管。

7.2 灌漿過程

1)排氣口和排水口的初始狀態 除進漿口、出漿口，其他口均關閉。

2)灌漿過程 開啟灌漿泵至較低速度擋位，使漿體從灌漿軟管中流出；在進漿口處對支管漿體取樣，測試取樣漿體流動度、溫度。如漿體不合格，則應持續泵漿排放掉軟管內漿體直至漿體滿足灌漿要求時，將灌漿軟管與進漿口連接；開啟灌漿泵至較低速度擋位開始泵送，約10s后以正常灌漿速度灌漿，同時開始計時；當漿體從E4出漿時，觀察漿體狀況，在E3出漿口取樣測量，同時保持繼續泵漿狀態，漿體取樣測量合格后，灌漿泵停泵。關閉進漿口閥門，釋放泵中壓力并拆開灌漿軟管。

3)放漿及吹漿 第1根管道在灌漿結束后4～6h進行放漿及吹漿操作(采用<3bar壓縮空氣進行吹氣，此操作重復多次以保證排放孔間通暢)，由E4吹漿至E3，漿體液面保持在E3口，提高液面高度，驗證Gamma鋼束管道豎向段高度與泌水量的匹配情況及吹漿時間與漿面下沉高度的關系。同步模擬純豎向鋼束高度，待漿體凝固后，測量漿體下沉高度，計算純豎向鋼束重力桶容積。第2根管道根據第1根管道漿面下沉情況確定放漿及吹漿操作時間，由E4吹漿至E2-1，漿體液面保持在E2-1口，匹配Gamma鋼束管道豎向段高度，待漿體凝固后，測量漿體下沉高度，與第1根管道進行對比，進一步確定吹漿時間。

7.3 試驗結果

1)第1根管道灌漿結束4h后在E3口放漿，測定流動度為5.16s，基本判定為泌水，將E4～E3段管道泌水全部放出約65L；5h后在E2′口放漿取樣，測定流動度為6.51s，判定為漿水混合物，將E4～E3段管道吹凈；5d后待漿體硬化后切開管道發現硬化面在E3向下1.6m處，即漿面下沉1.6m，由此測算出總泌水量約為65+1.6×12=84.2L(每米管道漿體體積為12L)。

2)第2根管道灌漿結束6h后在E3口放漿，測定流動度為5.63s，基本判定為泌水(少量漿體)，將E4～E3段管道泌水全部放出約89.56L(硬化后漿體約10.8L)；在E2′口放漿取樣，灌漿6h后流動度為7.63s，7h后流動度為7.12s，8h后流動度為7.53s，9h后流動度為7.31s，同時在E2-1口取樣測定流動度為8.03s，因此判定灌漿6h后漿體泌水基本完成，將E3～E2-1段管道漿體全部放出約44.5L(硬化后漿體約43.8L)，并將E4～E2-1段管道吹凈；5d后待漿體硬化后切開管道發現硬化面在E2-1向下0.1m處，即漿面下沉0.1m，由此測算出總泌水量約為(89.56-10.8)+(44.5-43.8)+0.1×12=80.66L。

由此得出，豎向管道灌漿總體泌水量為80～90L，即泌水率為9.6%～10.8%，Gamma鋼束管道豎向段灌漿時，其E3距離E2-1應≥6.3m，豎向管道灌漿時重力桶體積可取其2倍即180L。漿體泌水時間在6h內可完成，即6h后可進行吹漿操作或重力桶拆除。

漿體硬化后按要求對管道截面進行檢查，灌漿效果達到設計要求，漿體充滿管道、飽滿密實，最大空隙深度約2.5mm。

8 壓力泌水補充驗證

豎向試驗管道高度約70m，同期核電站內無滿足豎向鋼束管道試驗高度要求的場地，故將試驗場地定于距離核電站約30km某在建高層電梯井內。

考慮核電站能實現此高度的豎向鋼束全比例灌漿試驗較困難，在完成豎向鋼束全比例灌漿后，增加了預應力管道模型進行壓力泌水試驗，對比在相同壓力下漿體泌水率與等長管道實際泌水率的區別，為后續核電項目豎向鋼束全比例灌漿試驗降低試驗高度提供參考。

8.1 試驗裝置

測量核島預應力漿體在超高壓力下的泌水率，采用的方法為：通過將一定體積V(mL)的預應力漿體裝入壓力泌水儀，在上部加壓至指定壓力，下部用量筒收集泌出水量；施加壓力至一定值并恒壓一定時間，直至施加的壓力達到設定的超高壓;確定試驗恒壓時間為n(h)，每小時測量泌出的水體積(mL)，并分別記錄為Vn，每小時壓力泌水率Bn=Vn/V×100%。此方法可提供穩定高壓，但與漿體在豎向鋼束管道內受力所產生的泌水狀態有較大區別。

試驗裝置采用與正式工程相同的鋼管和鋼絞線，管道長6 000mm，距離下口300mm處開2個相互垂直的排放孔，下口密封；管道頂部加設蓋板，蓋板直徑與翼緣直徑相同，開設螺栓孔，蓋板頂部開孔并焊接短鋼管。根據鋼束管道長度，將鋼絞線切割成每束長5 950mm，共54束，每束鋼絞線穿插到底，保證鋼絞線落在底部。在管道底部進漿口設置壓力表與灌漿泵相連，頂部可拆卸蓋板設置壓力表并與空壓機相連，空壓機可進行補壓操作，如圖4所示。

圖4 壓力泌水試驗裝置整體布置

8.2 試驗過程

通過灌漿泵將漿體泵入壓力管道容器中，觀察壓力表讀數達到一定壓力后關閉進口閥門及灌漿泵，持壓一定時間后打開容器上部泌水觀察孔，測出壓力狀態下漿體實際泌水率。具體為：連接好灌漿泵和儲漿罐，除進漿口及頂部壓力表下放閥門外，其他閥門全部關閉；泵漿至進漿口后取樣，測試流動度、溫度合格；接好進漿管慢速泵漿，觀察進漿口壓力表，在滿足慢速泵漿的條件下不斷調整泵壓，并時刻注意進漿口壓力。當壓力達到最終壓力的一半時，靜置30s后繼續慢速泵漿；當壓力達到最終壓力時，靜置60s，觀察壓力下降是否滿足要求，否則慢速泵漿重復此操作至滿足要求后停泵關閥；靜置過程中出現壓力下降，也可利用空壓機從上部進行補壓操作。

8.3 試驗結果

測量漿體在1，3，5，7，10，13，14，15，16，17bar壓力下靜置6h后的泌水率，試驗結果如圖5所示。

圖5 不同壓力狀態下漿體泌水率

由圖5可知，壓力在7bar以下時漿體泌水率增長不明顯，當到達7bar及以上時漿體泌水率隨壓力增大近似呈線性增長。若后續核電項目豎向鋼束全比例灌漿試驗高度因場地條件限制需降低，以本工程漿體密度為2.00g/cm3計算，高度應≥35m，可以50m高度作為豎向鋼束全比例試驗高度，以此推導出實際高度下漿體泌水率。

通過實測50m高度泌水率A1及相應壓力狀態下泌水率A2、14bar壓力下(高約70m)泌水率B2，則可推導出70m高度泌水率B1如式(1)所示：

(1)

在本工程豎向鋼束全比例灌漿試驗中，以第2根管道數據為例，管道長度約70m，漿體密度約為2.05g/cm3(流動度為10.45s時)，理論最大壓力約為14.35bar，進漿口處實際最大壓力為14.5bar，兩者相近，在此壓力下，實測泌水率為9.6%，壓力泌水試驗泌水率為9.73%；漿體在10bar(約50m管道高度)壓力泌水率為6.57%。則實測50m管道高度泌水率B1=6.57%×9.6%/9.73%=6.48%。

9 結語

1)豎向鋼束全比例試驗采用將純豎向鋼束管道與Gamma鋼束管道豎向段相結合的方式，通過驗證漿體泌水率、泌水率時間，從而得出現場灌漿所需的Gamma鋼束管道豎向段泌水置換長度及吹漿時間、純豎向鋼束管道重力桶容積及置換時間，達到試驗目的。

2)通過設置的與現場相近狀態下的漿體壓力泌水試驗裝置進行漿體壓力泌水試驗，得到漿體壓力與泌水率之間的關系，提供了實際高度下漿體泌水率的推導方法，對后續核電站項目降低預應力豎向鋼束全比例灌漿試驗管道試驗高度具有一定的參考意義。