聚羧酸系高性能減水劑在廣東臺(tái)山核電站1#核島筏基大體積混凝土工程中的應(yīng)用

孫 樹(shù)，薛永宏，冉千平，王輝誠(chéng)，王龍，方輝煌

（1. 江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司，南京 210008；2. 中國(guó)廣東核電集團(tuán)有限公司，深圳 518028；3. 中國(guó)核工業(yè)華興建設(shè)有限公司，南京 210019）

1 工程背景與應(yīng)用概況

廣東臺(tái)山核電站位于臺(tái)山赤溪鎮(zhèn)，由中國(guó)廣東核電集團(tuán)和法國(guó)電力公司(EDF)共同投資建設(shè)，是全球第三個(gè)采用歐洲先進(jìn)壓水堆(EPR)三代核電技術(shù)建設(shè)的核電站。該技術(shù)可以降低核電站發(fā)生核事故的概率，提高運(yùn)行安全性和可靠性，此前僅在芬蘭和法國(guó)開(kāi)工建設(shè)的核電站中采用。

臺(tái)山核電站一期工程建設(shè)2臺(tái)機(jī)組，單機(jī)容量為175萬(wàn)千瓦，是目前世界上單機(jī)容量最大的核電機(jī)組，工程總投資約502億元，2009年9月主體工程動(dòng)工，將于2013年12月首臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。

采用EPR歐洲壓水堆技術(shù)建設(shè)的第三代核電站核島筏基混凝土一次澆筑完成，在國(guó)際上還沒(méi)有成功的先例。法國(guó)和芬蘭的同類(lèi)項(xiàng)目，均在澆筑完成后不同程度地出現(xiàn)了貫通式裂縫，芬蘭的核電項(xiàng)目甚至為此停工長(zhǎng)達(dá)半年之久。

2009年10月26日至30日，中核華興公司展現(xiàn)核電建設(shè)鐵軍的風(fēng)采，創(chuàng)造中國(guó)核電建設(shè)歷史，歷時(shí)86小時(shí)，一次澆筑成功臺(tái)山核電1#核島9211.15m3C40/50（歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN-圓柱體強(qiáng)度/英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS-立方體強(qiáng)度）大體積混凝土筏基（直徑54m、厚度3.8m），圓滿(mǎn)地完成了世界核電建設(shè)史上具有里程碑式重要意義的核島筏基施工，并順利通過(guò)了國(guó)家核安全局的驗(yàn)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(pán).II 42.5核電水泥，水泥熟料的化學(xué)成分及礦物組成見(jiàn)表1，水泥的物理力學(xué)性能見(jiàn)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(xué)性能及化學(xué)成分見(jiàn)表3。

表1 水泥熟料的化學(xué)成分及礦物組成 %

表2 水泥的物理力學(xué)性能

表3 礦粉的物理力學(xué)性能及化學(xué)成分

表4 粉煤灰的物理性能及化學(xué)成分 %

表5 人工砂的物理性能

表6 人工砂的篩分試驗(yàn)結(jié)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(zhì)性

表9 PCA（I）聚羧酸系高性能減水劑的物理力學(xué)性能

（3）粉煤灰：采用福建漳州電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰，粉煤灰的物理性能及化學(xué)成分見(jiàn)表4。

（4）砂：臺(tái)山核電站現(xiàn)場(chǎng)花崗巖材質(zhì)人工砂，物理性能及篩分試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5和表6。

（5）石子：臺(tái)山核電站現(xiàn)場(chǎng)花崗巖材質(zhì)人工碎石，物理性能見(jiàn)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(zhì)性見(jiàn)表8，物理力學(xué)性能見(jiàn)表9。

3 本工程適用外加劑的研制與試驗(yàn)

開(kāi)工前期大量的試驗(yàn)研究表明，對(duì)于本工程選用的材料和配合比，外加劑在試驗(yàn)室表現(xiàn)良好，但在實(shí)際生產(chǎn)性研究試驗(yàn)中，均存在拌和物處于動(dòng)態(tài)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(xiàn)象，嚴(yán)重影響混凝土生產(chǎn)控制、施工和混凝土質(zhì)量的均勻性，困擾著建設(shè)方和施工方，為此，聚羧酸系高性能減水劑的應(yīng)用性能受到高度關(guān)注。

3.1 本核電工程聚羧酸系高性能減水劑的應(yīng)用技術(shù)難點(diǎn)

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(shè)備生產(chǎn)能力間的矛盾，外加劑需具備的工程應(yīng)用性能的可控性和穩(wěn)定性如下：

（1）混凝土拌和物坍落度在60分鐘內(nèi)經(jīng)時(shí)變化幅度?。?80±30mm），并基本無(wú)反向增長(zhǎng)，尤其需能控制較短拌合時(shí)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(zhǎng)；

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

（3）拌和樓拌和的混凝土相關(guān)性能參數(shù)應(yīng)具有穩(wěn)定的結(jié)果復(fù)現(xiàn)性。

與另兩家跨國(guó)外加劑企業(yè)提供的樣品在試驗(yàn)室、拌和樓拌和混凝土比對(duì)，經(jīng)過(guò)多次充分的模擬實(shí)際施工的生產(chǎn)性試驗(yàn)，最終確定優(yōu)選江蘇博特新材料有限公司針對(duì)本工程特點(diǎn)特制的核電工程用聚羧酸系高性能減水劑PCA（I）為臺(tái)山核電核島工程使用產(chǎn)品。

3.2 外加劑的研制技術(shù)路線

根據(jù)本工程采用花崗巖人工骨料和“粵秀”P(pán)·II 42.5核電水泥并高摻礦物摻合料的混凝土配合比特點(diǎn)，通過(guò)化學(xué)合成和物理方法，對(duì)外加劑進(jìn)行性能設(shè)計(jì)，在羧酸分子鏈上接入適宜的瞬釋和緩釋效應(yīng)分子基團(tuán)，使外加劑具備快速分散和延時(shí)緩釋功能相結(jié)合的特點(diǎn)，并通過(guò)復(fù)合膠凝材料漿體流動(dòng)度試驗(yàn)，結(jié)合拌和樓模擬實(shí)際生產(chǎn)而拌和的混凝土的和易性和流動(dòng)性經(jīng)時(shí)變化狀態(tài)，微調(diào)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(fù)合膠凝材料漿體流動(dòng)度試驗(yàn)

為使試驗(yàn)結(jié)果與混凝土拌和生產(chǎn)試驗(yàn)具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)性，試驗(yàn)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(tài)所需用水后的水膠比適宜值為基準(zhǔn)。

試驗(yàn)條件為現(xiàn)行國(guó)標(biāo)規(guī)定的相應(yīng)凈漿試驗(yàn)條件。復(fù)合膠凝材料漿體流動(dòng)度經(jīng)時(shí)變化試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10。

考慮到凈漿攪拌和混凝土拌和效率的不同，結(jié)合外加劑的漿體試驗(yàn)的流動(dòng)性經(jīng)時(shí)變化規(guī)律，經(jīng)拌和樓混凝土拌和模擬生產(chǎn)試驗(yàn)，根據(jù)攪拌時(shí)間和下料放空時(shí)間的具體要求，經(jīng)適當(dāng)微調(diào)功能組分確定了外加劑的配方。

表10 復(fù)合膠凝材料漿體流動(dòng)度經(jīng)時(shí)變化

表11 1#核島大體積筏基C40/50混凝土優(yōu)化配合比 kg/m3

表12 混凝土拌和物性能的生產(chǎn)性研究試驗(yàn)

3.4 拌和樓混凝土生產(chǎn)性模擬試驗(yàn)

（1）采用1#核島大體積筏基混凝土適用配合比用于生產(chǎn)性模擬試驗(yàn)，見(jiàn)表11。

（2）拌和與泵送試驗(yàn)的代表數(shù)據(jù)

為了適應(yīng)本工程拌和樓澆筑筏基大方量混凝土的設(shè)備能力，經(jīng)過(guò)計(jì)算和大量混凝土拌和試驗(yàn)，確定對(duì)攪拌時(shí)間和自動(dòng)下料時(shí)間按照40s和33s的要求進(jìn)行控制和模擬試驗(yàn)，選取工藝時(shí)間短、運(yùn)輸車(chē)動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)的混凝土坍落度經(jīng)時(shí)變化?。▏?yán)格控制反向增長(zhǎng)）、可泵性好的適用外加劑和工藝條件，拌和物性能的生產(chǎn)性研究試驗(yàn)代表結(jié)果見(jiàn)表12。

按照上述攪拌和排空控制時(shí)間要求確定了適用外加劑的研制配方，此后進(jìn)行的大量可行性試驗(yàn)和工程次要結(jié)構(gòu)的實(shí)際施工應(yīng)用表明，確定的外加劑配方是適用的，生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果復(fù)現(xiàn)性穩(wěn)定，經(jīng)工程有關(guān)單位批準(zhǔn)，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(yīng)用

4.1 混凝土配合比

在試驗(yàn)室大量試配和攪拌樓大量模擬施工條件下的生產(chǎn)性試驗(yàn)驗(yàn)證基礎(chǔ)上，確定了用于施工的混凝土配合比，見(jiàn)表11。

4.2 混凝土拌和物施工性能和物理力學(xué)性能

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

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，混凝土抗壓強(qiáng)度滿(mǎn)足核電規(guī)范BTS對(duì)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(chǎn)生，進(jìn)行了原材料溫度控制、混凝土配合比優(yōu)化、施工過(guò)程加強(qiáng)溫度防護(hù)和保濕養(yǎng)護(hù)。

（1）為控制混凝土的溫升，對(duì)水泥的水化熱指標(biāo)進(jìn)行了控制；經(jīng)對(duì)膠凝材料不同組合比例的水化熱測(cè)試，結(jié)果表明，隨礦粉摻入比例的提高，水化熱有增加的趨勢(shì)，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(yōu)化混凝土配合比和膠凝材料用量。

（2）拌和樓工藝設(shè)計(jì)時(shí)，增設(shè)了水泥庫(kù)，對(duì)進(jìn)庫(kù)水泥溫度進(jìn)行控制（75℃以下，實(shí)際為50～65℃），并將入庫(kù)水泥進(jìn)行定期循環(huán)倒庫(kù)降溫，以控制入拌和機(jī)的水泥溫度。

（3）采用 “兩級(jí)存儲(chǔ)、三段運(yùn)輸”的方式進(jìn)行制冰、送冰作業(yè)，在筏基混凝土澆筑過(guò)程中，加冰量嚴(yán)格控制在60kg/m3，混凝土出機(jī)口溫度嚴(yán)格控制在18℃以?xún)?nèi)，低于標(biāo)準(zhǔn)溫度4℃，對(duì)混凝土輸送車(chē)和輸送管道進(jìn)行覆蓋遮陽(yáng)和灑水降溫，使入模溫度控制在23℃以?xún)?nèi)，相比核電建設(shè)規(guī)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?xún)?nèi)，與溫度計(jì)算結(jié)果非常接近。混凝土澆筑后續(xù)養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，加強(qiáng)保溫、保濕養(yǎng)護(hù)，并根據(jù)測(cè)溫結(jié)果，逐漸減少表面覆蓋的保溫層，嚴(yán)格控制混凝土降溫速率，避免了溫度裂縫的出現(xiàn)。

溫控結(jié)果表明，混凝土原材料的選擇和配合比優(yōu)化、材料降溫、養(yǎng)護(hù)、施工組織有效，為世界同類(lèi)型建設(shè)項(xiàng)目提供了成功的施工范例。

5 結(jié)語(yǔ)

（1） 聚羧酸系減水劑經(jīng)過(guò)性能設(shè)計(jì)與優(yōu)化，可滿(mǎn)足核電工程領(lǐng)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(jié)構(gòu)構(gòu)件施工。

聚羧酸系減水劑因其可進(jìn)行分子設(shè)計(jì)而適應(yīng)不同的功能需求，隨著核電工程主體結(jié)構(gòu)的逐漸采用，其研制與應(yīng)用技術(shù)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(yùn)專(zhuān)線工程等更多的高耐久要求的工程領(lǐng)域得到不斷拓寬和提升。

（2）核電站因其工程特殊性，對(duì)原材料和混凝土施工性能的穩(wěn)定性要求較高，適用的聚羧酸系外加劑通常應(yīng)根據(jù)工程具體要求和材料來(lái)源特點(diǎn)、原材料和配合比的不斷優(yōu)化進(jìn)行大量的試驗(yàn)室和生產(chǎn)性試驗(yàn)進(jìn)行配方動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、優(yōu)化、微調(diào)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(jié)構(gòu)構(gòu)件的日益增加，采用快速分散和延時(shí)緩釋技術(shù)對(duì)聚羧酸系外加劑靈活設(shè)計(jì)和應(yīng)用，為工程應(yīng)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(huì)效益和環(huán)境效益。