蛇紋石混凝土在田灣核電站的實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用

王開華，錢伏華

（中國核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)公司，北京　100037）

蛇紋石混凝土在田灣核電站的實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用

王開華，錢伏華

（中國核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)公司，北京100037）

蛇紋石混凝土的配置，骨料的選擇是非常重要的。文章從蛇紋石混凝土原材料選擇、配合比的試驗(yàn)和調(diào)整等方面，詳細(xì)闡述了特殊的物理性能和工程的應(yīng)用，為蛇紋石混凝土的推廣和應(yīng)用提供了翔實(shí)的資料。

蛇紋石混凝土；中子流；干保護(hù)

1　蛇紋石混凝土特點(diǎn)

氫是最輕的元素，氫在水中含量很多，某些混凝土中含有很多結(jié)合水。此外混凝土又具有容重大、易施工和強(qiáng)度高、耐久性好等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于射線防護(hù)結(jié)構(gòu)。

蛇紋石混凝土是一種容重大、化學(xué)結(jié)合水含量高，廣泛用于長期在高溫（最高達(dá)450 ℃）條件下工作的生物屏蔽結(jié)構(gòu)的抗輻射材料。它是一種將黏結(jié)材料（硅酸鹽水泥和水）和蛇紋石骨料（砂和碎石）的混合物硬化后得到的人工石料。

2　蛇紋石混凝土的配制

2.1材料要求

（1）膠凝材料

水泥應(yīng)為硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)不應(yīng)低于325號(hào)。

（2）蛇紋石骨料

蛇紋巖屬于變質(zhì)巖，通常是由超基性（富鎂質(zhì)）巖石經(jīng)氣液交替作用而形成，主要由各種蛇紋石組成，包括：葉蛇紋石、纖維蛇紋石和利蛇紋石等，致密塊狀隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)、片狀至弱片狀構(gòu)造，常呈暗率至黃綠等顏色。蛇紋石含有一定量的化合水，通常分子式可寫成3M g O·2S i O2·H2O，理論成分為：M g O占43.64%，SiO2占43.36%，結(jié)晶水占13.00%。

用于蛇紋石混凝土的骨料中不能含有雜物，洗凈碎石中的粉塵、鹽分、黏土顆粒和游離石棉纖維含量不宜超過2%；黏土塊含量不宜超過0.25%。砂中游離石棉纖維的含量不宜超過0.5%。蛇紋石骨料中的成分需滿足MgO不小于30.0%；SiO2不小于35.0%；結(jié)晶水含量不小于10.0%。蛇紋石骨料的比重不小于2.5 g/cm3；蛇紋石碎石的松散容重不小于1 460 k g/m3，緊密容重不小于1 670 k g/m3；蛇紋石砂的松散容重不小于1 280 k g/m3，緊密容重不小于1 560 kg/m3。

2.2混凝土配合比初步試驗(yàn)

（1）原材料試驗(yàn)

1）本試驗(yàn)采用安徽某水泥廠生產(chǎn)的P·Ⅱ525硅酸鹽水泥，其各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)均滿足國標(biāo)要求。

2）試驗(yàn)采用的蛇紋石骨料由廣西某非金屬礦粉廠提供。粗骨料為3～40 m m連續(xù)級(jí)配碎石，細(xì)骨料為0.25～1.25 m m級(jí)配砂（由0.25～0.63 m m和0.50～1.25 m m兩種粒級(jí)以1∶5質(zhì)量比混配而成），砂石各項(xiàng)指標(biāo)滿足俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）配合比試驗(yàn)

蛇紋石防護(hù)混凝土配合比設(shè)計(jì)基本上和普通混凝土一樣，只是要優(yōu)先考慮容重和化學(xué)結(jié)晶水的含量要求。在初步配合比試驗(yàn)階段，參考田灣核電站干保護(hù)技術(shù)規(guī)格書要求，在滿足容重和化學(xué)結(jié)合水率的前提下，根據(jù)現(xiàn)場施工要求和原材料情況試驗(yàn)，在反復(fù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定了施工配合比。

對(duì)上述配合比進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，在滿足坍落度40～60 mm條件下，該配合比混凝土實(shí)測容重為2 390 kg/m3，烘干后干容重為2 290 kg/m3。實(shí)測容重滿足不低于2 320 kg/m3要求。

（3）蛇紋石混凝土配合比可行性試驗(yàn)

對(duì)選定配合比，在攪拌站攪拌進(jìn)行可行性試驗(yàn)。實(shí)測混凝土坍落度為55 mm，混凝土濕容重為2 400 kg/m3，混凝土和易性、黏聚性和保水性均較好，混凝土物理力學(xué)性能完全滿足施工技術(shù)要求。

3　蛇紋石混凝土耐高溫試驗(yàn)

3.1水分損失試驗(yàn)

蛇紋石混凝土最大特點(diǎn)是高溫后其內(nèi)部結(jié)合水不易分解。由于核反應(yīng)堆中是一個(gè)放熱過程，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度較高，在300 ℃以上溫度時(shí)，如果蛇紋石內(nèi)部結(jié)合水損失過多，則對(duì)中子流的屏蔽作用會(huì)大大減弱。因此，蛇紋石混凝土內(nèi)部結(jié)合水的高溫穩(wěn)定性能，對(duì)蛇紋石混凝土防護(hù)效果就非常重要。

試驗(yàn)過程是將蛇紋石混凝土試件放入150 ℃的烘箱中，烘至恒重，使其中的自由水完全揮發(fā)，然后將烘過后稱重了的試件立即置于300 ℃的烘箱中，烘至恒重（見表1）。

從表1可以看出，試樣從150 ℃至300 ℃時(shí)，重質(zhì)量損失率為0.1%，說明在300 ℃高溫下，蛇紋石混凝土內(nèi)部結(jié)合水基本不分解。另外，蛇紋石混凝土試樣從飽和面干狀態(tài)烘至300 ℃時(shí)，其28天抗壓強(qiáng)度為41.9 MPa，也大大滿足10～15 MPa的要求。

3.2混凝土結(jié)晶水含量試驗(yàn)

蛇紋石混凝土就是因其結(jié)晶水含量高才能在核電工程上得到應(yīng)用，我們通過測定幾種混凝土結(jié)晶水含量來比較幾種混凝土的不同（見表2）。

從比較結(jié)果可看出：蛇紋石混凝土在450 ℃溫度下，化學(xué)結(jié)晶水基本不分解。由于蛇紋石中結(jié)晶水含量高，蛇紋石混凝土內(nèi)結(jié)晶水含量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于磁鐵礦混凝土和普通混凝土（蛇紋石混凝土中結(jié)晶水含量達(dá)200 kg/m3以上）?？梢妼?duì)于有防中子要求的屏蔽混凝土，蛇紋石混凝土是最佳的。

表1　試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1　The test data

表2　幾種試驗(yàn)用混凝土配合比Table 2　Several kinds of concrete mixing proportion

系列1——蛇紋石混凝土溫度結(jié)晶水變化曲線；系列2——磁鐵礦混凝土溫度結(jié)晶水變化曲線；系列3——普通混凝土1溫度結(jié)晶水變化曲線；系列4——普通混凝土2溫度結(jié)晶水變化曲線；系列5——蛇紋石溫度結(jié)晶水變化曲線

4　蛇紋石混凝土施工要求

蛇紋石混凝土攪拌時(shí)間，應(yīng)比普通混凝土?xí)r間延長。其投料順序及攪拌時(shí)間宜設(shè)置為：加骨料攪拌10 s→加水泥攪拌15 s→加1/3水?dāng)嚢?0 s→加剩余水?dāng)嚢?0 s→出料。計(jì)量精度：水泥和水為±1%，骨料為±2%。

澆筑混凝土?xí)r應(yīng)保證混凝土的均勻性并防止離析。蛇紋石混凝土應(yīng)分層澆筑，每層最大厚度應(yīng)不超過150～200 mm，采用振搗棒振搗。振搗過程中應(yīng)密切注意混凝土表面，以混凝土面不再顯著下沉且有較少氣泡冒出為宜，振搗時(shí)間為20～40 s，振搗點(diǎn)間距400 mm左右，當(dāng)空腔面積較小時(shí)，可適當(dāng)縮短振搗時(shí)間，加密振搗點(diǎn)，應(yīng)杜絕過分振搗以免離析。每層混凝土搗實(shí)之后，澆筑下一層，直到完成整個(gè)空腔的澆筑。頂層混凝土應(yīng)抹面和壓光。

蛇紋石混凝土澆筑之后，在最初的24 h，混凝土的硬化溫度應(yīng)保證不低于15 ℃。混凝土終凝后表面應(yīng)覆蓋一層保濕材料，每晝夜應(yīng)澆水3次養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于7天。

如果在冬季現(xiàn)場澆筑蛇紋石混凝土，應(yīng)使用加溫圍護(hù)。

5　蛇紋石混凝土在核島使用情況

田灣核電站干保護(hù)為一個(gè)圍繞在反應(yīng)堆堆芯周圍的厚壁蛇紋石混凝土筒體。干保護(hù)內(nèi)蛇紋石混凝土起到防止輻射和熱屏蔽作用。

澆筑蛇紋石混凝土的干保護(hù)框架為一個(gè)頂部開口的永久性固定框架?；炷镣ㄟ^上開口澆筑到干保護(hù)中。干保護(hù)在操作前應(yīng)進(jìn)行熱處理，以消除混凝土中的自由水，確保離子室性能的可靠性和精確性。蛇紋石混凝土施工前，先將加熱元件安裝到筒體腔內(nèi)，澆筑混凝土10天后開始按規(guī)定程序加熱蛇紋石混凝土，加熱最高溫度不得超過450 ℃，加熱工作一般需持續(xù)1個(gè)月左右，直至混凝土中的自由水完全揮發(fā)為止。

核電現(xiàn)場攪拌站為1號(hào)核島攪拌蛇紋石混凝土近100 m3，所施工的蛇紋石混凝土各項(xiàng)指標(biāo)均滿足施工要求。干保護(hù)在澆筑與熱處理之后滿足所有設(shè)計(jì)要求，并且可以確保田灣核電站蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

［1］ 楊佰科，等.混凝土實(shí)用新技術(shù)手冊(cè)［M］.吉林：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1998.（YANG Bai-ke， et. al. Manual of practical new technology for the concrete ［M］. Jilin：Jilin Science and Technology Press， 1998.）

Serpentine Concrete in the Experiment and Application of Tianwan Nuclear Power Station

WANG Kai-hua，QIAN Fu-hua
（China Nuclear Engineering and Construction Corporation，Beijing100037，China）

The choice of the configuration of the serpentine concrete aggregate is very important. From selection of serpentine concrete raw materials， and test and adjustment of mixture ratio， the paper elaborates in detail the special physical properties and engineering application， and provides detailed information for the promotion and application of the serpentine concrete.

serpentine concrete； neutron flow； dry protection

TL37Article character：AArticle ID：1674-1617（2015）01-0038-04

TL37

A

1674-1617（2015）01-0038-04

2014-11-30

王開華（1946—），男，安徽安慶市人，博士，研究員級(jí)高工，國家注冊(cè)安全工程師，一級(jí)建造師。